一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，针对多地面站接收资源对多观测卫星联合优化分配问题，考虑观测任务持续到来且任务时效性要求高的卫星对地观测需求，设计了一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，该方法首先分配非冲突资源，然后对实传和指定地面站的任务按优先级由高到低依次分配冲突接收资源，最后基于最小任务满足率卫星优先原则分配冲突接收资源，该方法具有判断逻辑简单、资源利用率高、时间复杂度低等特点，尤其具备应对应急和复杂业务变化的能力。
【专利说明】
-种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，特别适用于多地面 站接收资源对多观测卫星快速联合优化分配领域。
【背景技术】
[0002] 航天对地观测系统包括多个观测卫星和多个地面数据接收站，卫星运行轨道、地 面站地理位置等因素导致多星对单站同时可见、单星对多站同时可见的现象，与此同时，观 测任务与地面接收资源在时间轴上的非均匀分布导致观测任务与资地面接收源之间的匹 配难度增大，如何将多个地面站接收资源合理、高效地分配给多个观测卫星是航天地面任 务管控中的核屯、业务和难点所在。
[0003] 卫星数据接收资源联合分配的目的是合理安排地面接收资源，最大限度地完成卫 星数据接收任务。卫星数据接收资源联合分配问题可看成是多目标优化问题，通常可采用 遗传算法、模拟退火算法和蚁群算法等求优化解，上述算法虽然通过遍历整个解空间的方 法能够得到较满意的优化解，但一方面其时间复杂度高，另一方面如果过多考虑用户使用 偏好时算法模型异常复杂，实际工程应用难度大。
【发明内容】
[0004] 本发明所需解决的技术问题在于避免上述【背景技术】中的不足之处而提供一种启 发式快速卫星数据接收资源联合分配方法。本发明具有判断逻辑简单、资源利用率高、时间 复杂度低等特点。
[0005] 本发明所要解决的技术问题是由W下技术方案实现的：
[0006] -种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0007] (1)加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态；
[000引（2)将地面接收资源进行分类，一类为非冲突地面接收资源，另一类为冲突地面接 收资源；
[0009] (3)给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源， 更新地面接收资源状态；
[0010] (4)按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务 的优先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配;对未分配的冲突地面接收资源进行冲突 消解，得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资源，不可用冲突地面接收资源 不进行分配，更新地面接收资源状态；
[0011] (5)计算所有卫星的任务满足率，未分配的可用冲突地面接收资源按卫星之间任 务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内基准窗口先前向遍历再后向遍历的原则进行 分配，更新地面接收资源状态；
[0012] (6)循环步骤(5)直至所有卫星任务满足率大于等于一、所有卫星无接收资源可分 或一部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部分卫星无接收资源可分；
[0013] 完成卫星数据接收资源联合分配。
[0014] 其中，步骤(4)中地面接收资源的冲突消解采取裁剪或冻结操作，具体为：
[0015] 设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为tis、结束时间为tie,长度为Δ IV，其中i =1，2，且最小可用数传窗口长度设为Δ TV in; W-个接收资源窗口为基准，往前推一个最 小相邻接收资源间隔A T时，前面的窗口将被裁剪，其裁剪后的长度为Δ Τι"，则Δ Τι" =t2s- Δ T-tls，如果Δ Τι" > Δ V in,则资源状态置为未分配，在后续接收资源分配过程中还可使 用，为裁剪操作;如果A Τι" < Δ IV in，则裁剪后的窗日无法再使用，将整个资源窗日状态置 为冻结即不可用状态，为冻结操作。
[0016] 其中，步骤（5)中卫星之间任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内按基准 窗口先前向遍历再后向遍历原则分配冲突地面接收资源，具体为：
[0017] 选取任务满足率最小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原 则分配冲突地面接收资源，若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收 资源，确定该接收资源窗口为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件 下，先从基准窗口前向遍历分配一个接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗 口后向遍历分配一个接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的 冲突地面接收资源进行相应的裁剪或冻结操作。
[0018] 本发明与【背景技术】中接收资源联合优化求解算法相比具有如下优点：
[0019] 1、本发明在分配冲突接收资源时不仅考虑了冻结操作还考虑了窗口的裁剪操作， 提高了资源利用率；
[0020] 2、本发明在任务满足率准则下考虑了星上动作约束，即能够均衡星间资源使用 量，又能够提高了星内资源使用率；
[0021 ] 3、本发明具有快速联合分配能力，满足应急常态化使用需求；
[0022] 4、本发明还具有逻辑清晰易懂，灵活度高等优点。
【附图说明】
[0023] 图1为一次接收资源联合分配过程和结果示意。
[0024] 图2为多个卫星对单地面站的接收资源分布示意。
[0025] 图3为非冲突地面接收资源分配示意。
[0026] 图4为冲突资源分配中的裁剪和冻结操作示意。
[0027] 图5为冲突接收资源裁剪操作示意(一）。
[0028] 图6为冲突接收资源裁剪操作示意(二）。
【具体实施方式】
[0029] 下面，结合图1至图6对本发明作进一步说明。
[0030] -种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于包括W下步骤：
[0031] (1)加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态，将地面接收资 源窗口设置为未分配状态；
[0032] (2)假设每个地面站只有一部数传接收天线且最短相邻接收资源间隔为ΔΤ，针对 同一地面站多个卫星，对地面接收资源进行分类处理，一类为非冲地面突接收资源，该类资 源与其相邻的前后接收资源之间的间隔不小于AT;另一类为冲突地面接收资源，该类资源 与其相邻的前后接收资源之间的间隔小于A T，如图2所示；
[0033] (3)给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源， 更新地面接收资源状态;如图3所示；
[0034] (4)按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务 的优先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配;被分配的接收资源状态置为已分配，对 未分配的冲突地面接收资源与被分配资源对应的冲突地面接收资源进行相应的冻结或裁 剪操作，如图4所示，设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为tis、结束时间为tie,长度分 别为A TV，（i = l，2)且最小可用数传窗口长度设为Δ IV in。W后面的接收窗口为基准，往 前推一个地面站数传时间间隔Δ T时，前面的窗口将被裁剪，假设其裁剪后的长度为Δ Τι"， 如图5所示，那么
[0035] ATi" = t2^AT-tis
[0036] 如果Δ Τι" > Δ TV in,则资源状态置为未分配，后续接收资源分配时还可使用，如 果Δ Τι" <Δ IV in,则裁剪后的窗口无法再使用，对其进行冻结操作;若W前面的接收窗口 为基准，操作过程相似，如图6所示;得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资 源，不可用冲突地面接收资源不进行分配，更新地面接收资源状态；
[0037] (5)计算每个卫星的任务满足率叫二1,2,…，n，（Qi代表当前时刻第i个卫星 i 任务满足率，该值仅针对回放任务，实传任务不参与计算，η为卫星数量），运里TV代表当前 时刻第i个卫星已分配到的总数传时间
其中A Τι/代表第i个卫星第j个数传 窗口时长，Qi代表当前时刻第i个卫星已分配到的数传窗口数;Τι代表当前时刻第i个卫星任 务总回放时间
其中A Τυ代表第i个卫星第j个任务的成像时长，Ru代表第i 个卫星第j个任务的录放比，Pi代表当前时刻第i个卫星任务数;比较并选取任务满足率曰1最 小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原则，分配冲突地面接收资源， 若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收资源，确定该接收资源窗口 为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件下，先从基准窗口前向遍历 分配一个可行的接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗口后向遍历分配一个 可行的接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的冲突地面接收 资源进行相应的裁剪或冻结操作，如图4所示；
[0038] (6)循环步骤(5)判断该卫星是否满足如下Ξ个条件之一 ：1)所有卫星任务满足率 大于等于一；2)所有卫星无接收资源可分;3)-部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部 分卫星无接收资源可分，若是则终止该星接收资源分配，若不满足则循环步骤(5)，图1所示 的是一次接收资源联合分配结果，其中接收资源的分配顺序依次为A-B-C-……-J-K。
【主权项】
1. 一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态； (2) 将地面接收资源进行分类，一类为非冲突地面接收资源，另一类为冲突地面接收资 源； (3) 给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源，更新 地面接收资源状态； (4) 按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务的优 先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配;对未分配的冲突地面接收资源进行冲突消 解，得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资源，不可用冲突地面接收资源不 进行分配，更新地面接收资源状态； (5) 计算所有卫星的任务满足率，未分配的可用冲突地面接收资源按卫星之间任务满 足率最小卫星优先分配原则和卫星之内基准窗口先前向遍历再后向遍历的原则进行分配， 更新地面接收资源状态； (6) 循环步骤(5)直至所有卫星任务满足率大于等于一、所有卫星无接收资源可分或一 部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部分卫星无接收资源可分； 完成卫星数据接收资源联合分配。2. 根据权利要求1所述的一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在 于:步骤(4)中地面接收资源的冲突消解采取裁剪或冻结操作，具体为： 设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为tls、结束时间为t1(3,长度为ΔΤ、，其中i = l， 2，且最小可用数传窗口长度设为△ f min;以一个接收资源窗口为基准，往前推一个最小相 邻接收资源间隔A T时，前面的窗口将被裁剪，其裁剪后的长度为Δ T〃 i，则Δ 1^ = t2s_ Δ T-tls，如果，则资源状态置为未分配，在后续接收资源分配过程中还可使用，为 裁剪操作；如果A fKATVn，则裁剪后的窗□无法再使用，将整个资源窗□状态置为冻 结即不可用状态，为冻结操作。3. 根据权利要求1所述的一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在 于：步骤(5)中卫星之间按任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内按基准窗口先前 向遍历再后向遍历原则分配冲突地面接收资源，具体为： 选取任务满足率最小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原则分 配冲突地面接收资源，若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收资 源，确定该接收资源窗口为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件下， 先从基准窗口前向遍历分配一个接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗口后 向遍历分配一个接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的冲突 地面接收资源进行相应的裁剪或冻结操作。
【文档编号】H04L5/00GK106059652SQ201610369427
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】白晶, 杜楚, 彭会湘, 刘让国, 陈金勇, 艾伟, 张学亮
【申请人】中国电子科技集团公司第五十四研究所