天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法与流程

本发明属于航天测量与控制技术领域，具体涉及一种天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法。

背景技术：

天地基测控数传资源包括中继卫星，陆海基测控设备、数传设备和测控数传一体化设备，主要承担航天器跟踪测量、遥测遥控和数据接收等任务，为航天器发射返回测控、飞行控制等提供保障。

随着航天强国战略的深入推进，我国民商业航天呈现井喷式发展，航天器数量规模数以千计，载人航天、空间探测、作战支持及遥感观测、通信、测绘、气象等军民商应用领域的天地基测控数传资源保障任务需求激增，而现有任务的重要性由各领域用户分别确定，规则简单，尚未涵盖所有的任务类型，没有建立统一的任务优先级体系，对不用领域、不同任务类型的重要性无法统筹量化评估，在多用户、不同领域、不同类型任务需求冲突的情况下，天地基测控数传资源的调度主要采用人工协调方式，信息交互环节多、冲突消解难，系统响应的时效性和任务满足率难以保障，无法满足用户需求，这严重制约了资源的最大使用效能发挥。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法，面向天地基测控数传资源统筹调度，通用性强、易于实现，可有效评估不同任务类型天地基站网资源保障需求的重要性。

本发明所采用的技术方案是，天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立评价模型

针对不同保障任务类型大量子任务，按照任务需求、航天操控、设备使用三层，分别建立任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级模型，每层优先级由不同权重指标加权计算确定；

步骤2、建立评价指标

根据任务需求、航天操控和设备使用的不同要素属性，逐级分解分别建立任务需求优先级评价指标、航天操控优先级评价指标及设备使用优先级评价指标；

步骤3、建立权重分配

根据步骤2建立的评价指标，建立任务需求优先级指标的权重分配、航天操控优先级指标的权重分配及设备使用优先级指标的权重分配。

本发明的特征还在于，

步骤1中，所述任务优先级的评价模型的计算公式为：

其中，yxj为任务优先级，∏为乘法算子，数值越大则优先级越高；当i＝1时，y1为任务需求优先级；i＝2时，y2为航天操控优先级；i＝3时，y3为设备使用优先级。

步骤1中，任务优先级由任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级加权计算获得；

任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级的计算公式为：

其中，i＝1，2，3；当i＝1时，y1为任务需求优先级；i＝2时，y2为航天操控优先级；i＝3时，y3为设备使用优先级；cj为一级指标权重值，m为一级指标数量；djk为一级指标cj分解的二级指标子权重值，n为二级指标数量；三级及以下指标的分解方法与二级指标类似，如ejkl为二级指标djk分解的三级指标子权重值，s为三级指标数量；各级指标权重与细分项目的子权重采用乘法准则。

步骤2中建立评价指标具体如下：

步骤2.1、建立任务需求优先级评价指标

(一)根据任务需求的类型及重要性，划分为“一级需求、二级需求、三级需求、四级需求、五级需求”5项一级指标，优先保障一级需求，指标分解规则如下：

(1)一级需求：包含作战支持类任务；

(2)二级需求：包含国家重大专项和航天器安全防护类任务；

(3)三级需求：包含实时任务、空间操控试验和抢险救灾任务；

(4)四级需求：包含服务类应用和测试试验任务；

(5)五级需求：包含日常管理、星地对接任务；

(二)一级指标细分为“需求来源、重要程度、紧急程度”3项二级指标；

(1)需求来源：任务需求的直接发起方，反映任务背景属性；

按照用户的级别，需求来源划分为“一类用户、二类用户、三类用户、四类用户、五类用户”5项三级指标，指标分解规则如下：

①一类用户：党中央、军委用户；

②二类用户：国家部委、军兵种用户；

③三类用户：省部级、一线部队用户；

④四类用户：军星运控及应用用户；

⑤五类用户：民/商星运控及应用、科研院所用户；

(2)重要程度：划分为“非常重要、重要、一般”3项三级指标，分解规则如下：

①非常重要：与我国家安全及利益直接相关事件、党中央重点关注事件、影响任务实施及航天器重大安全处置成败的重大事件；

②重要：与我国家安全及利益间接相关事件、国家部委重点关注事件、影响任务实施的重要事件；

③一般：常态化关注事件；

(3)紧急程度：根据任务需求的时效性要求，划分为“应急、计划”2项三级指标，指标分解规则如下：

①应急：较强时效性要求；

②计划：无较强时效性要求；

步骤2.2、建立航天操控优先级评价指标

(一)根据航天器类型，划分为“一类航天器、二类航天器、三类航天器、四类航天器”4项一级指标，优先保障一类航天器，指标分解规则如下：

①一类航天器：载人飞船、载货飞船、空间站、空间探测器；

②二类航天器：民商用业务星、新技术验证星；

③三类航天器：民商用试验星；

④四类航天器：失效待退役报废航天器；

(二)每一类航天器根据操控事件的属性，细分为“用户上行、用户下行、测控上行、测定轨、遥测监视”5项航天操控任务二级指标，指标分解规则如下：

①用户上行：航天器载荷控制数据注入；

②用户下行：航天器数传数据接收；

③测控上行：航天器注精轨、轨道维持；

④测定轨：航天器轨道跟踪测量、定轨；

⑤遥测监视：航天器遥测下传、健康状态监视；

步骤2.3、建立设备使用优先级评价指标

设备使用优先级评价指标划分为“设备功能、目标跟踪能力、跟踪条件、综合管理”5项一级指标，具体分解如下：

(1)设备功能：按照设备的功能类型属性，分为“中继卫星、遥测单收、数传接收、全功能测控、测控数传一体化”5项二级指标，指标分解规则如下：

①中继卫星：满足设备是否为中继卫星；

②遥测单收：满足设备是否为遥测单收设备；

③数传接收：满足设备是否为数传单收设备；

④全功能测控：满足设备是否为全功能测控设备；

⑤测控数传一体化：满足设备是否为测控数传一体化设备；

(2)目标跟踪能力：按照设备跟踪目标能力，分为“单波束单目标、单波束多目标、多波束多目标”3项二级指标，指标分解规则如下：

①单波束单目标：设备是否仅具备单波束单目标跟踪能力；

②单波束多目标：设备是否具备单波束多目标跟踪能力；

③多波束多目标：设备是否具备多波束多目标跟踪能力；

(3)跟踪条件：根据设备对目标的可见跟踪条件，综合考虑设备较好完成任务，分为“跟踪可见时长、仰角范围”2项二级指标，指标分解规则如下：

①跟踪可见时长：设备跟踪时长/设备申请时长是否大于1.2；

②仰角范围：设备最大跟踪仰角是否小于75°；

(4)综合管理：根据设备的健康状态、负载均衡性及历史跟踪情况，考虑作战应用要求，分为“持续运行能力、历史跟踪情况、负载均衡性、防护效能”4项二级指标，指标分解规则如下：

①持续运行能力：设备健康状态是否良好，运行故障率低；

②历史跟踪情况：设备是否执行过类似任务或指定需求；

③负载均衡性：设备任务安排是否饱满；

④防护效能：设备防护效能是否良好。

步骤3中任务需求优先级指标的权重分配如下：

在一级指标中，“一级需求”、“二级需求”、“三级需求”、“四级需求”和“五级需求”的权重分别为1.0、0.9、0.8、0.6和0.4；在二级指标中，“需求来源”的子权重为0.3，“重要程度”的子权重为0.5，“紧急程度”的子权重为0.2；在三级指标中，“一类用户”、“二类用户”、“三类用户”、“四类用户”和“五类用户”的孙权重分别为1.0、0.8、0.5、0.3和0.2，“非常重要”、“重要”和“一般”的孙权重分别为1.0、0.6和0.4，“应急”和“计划”的孙权重为分别为1.0和0.2。

步骤3中航天操控优先级指标的权重分配如下：

在一级指标中，“一类航天器”、“二类航天器”、“三类航天器”和“四类航天器”的权重分别为1.0、0.9、0.7和0.2；在二级指标中，“用户上行”、“用户下行”、“测控上行”、“测定轨”和“遥测监视”的子权重分别为1.0、0.8、0.6、0.5和0.3。

步骤3中设备使用优先级指标的权重分配如下：

在一级指标中，“设备功能”、“目标能力”、“跟踪条件”、“综合管理”的权重分别为0.3、0.2、0.2和0.3；在二级指标中，“中继卫星”、“遥测单收”、“数传接收”、“全功能测控”和“测控数传一体化”的子权重分别为1.0、0.8、0.6、0.4和0.3，“单波束单目标”、“单波束多目标”和“多波束多目标”的子权重分别为1.0、0.8和0.6，“跟踪可见时长”和“仰角范围”的子权重分别为0.5和0.5，“持续运行能力”、“负载均衡性”、“历史跟踪情况”和“防护效能”的子权重分别为0.3、0.3、0.3和0.1；在三级指标中，“满足”和“不满足”的孙权重分别为1.0和0。

本发明的有益效果是：

1.本发明方法面向天地基测控数传资源统筹调度，通用性强、易于实现，不仅继承了各领域现有任务重要性确定规则和处理策略，还进一步消解任务中天地基站网资源的使用需求冲突，提升资源调度自动化和任务保障的时效性和满足度；

2.本发明方法将分层建模的思想到方法当中，建立了基于多层级任务优先级体系，涵盖任务需求、航天操控、设备使用需求，这在传统方法中是没有的；

3.本发明方法提出了一种量化评估办法，给出了任务优先级评价指标分解准则和权重分析，可有效评估不同任务类型天地基站网资源保障需求的重要性，这在传统方法中是没有的；

4.本发明方法提出了一种具有普适性的任务优先级体系框架，不仅适用于载人航天、空间探测、作战支持等任务，也适应于遥感观测、通信、测绘、气象等军民商应用任务；

5.本发明方法基于设备与任务的适配性，量化评估设备使用优先级，提高了设备的使用效能。

附图说明

图1是本发明天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法中任务需求优先级评价指标示意图；

图2是本发明天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法中航天操控优先级评价指标示意图；

图3是本发明天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法中设备使用优先级评价指标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明天地基测控数传资源统筹调度优先级体系设计方法，如图1-3所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立评价模型

任务优先级的评价模型采用分层建模的思想，针对不同保障任务类型大量子任务，按照任务需求、航天操控、设备使用三层，分别建立任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级模型，每层优先级由不同权重指标加权计算确定；

步骤1中，所述任务优先级的评价模型的计算公式为：

其中，yxj为任务优先级，∏为乘法算子，数值越大则优先级越高；当i＝1时，y1为任务需求优先级；i＝2时，y2为航天操控优先级；i＝3时，y3为设备使用优先级。

步骤1中，任务优先级由任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级加权计算获得；

任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级的计算公式为：

其中，i＝1，2，3；当i＝1时，y1为任务需求优先级；i＝2时，y2为航天操控优先级；i＝3时，y3为设备使用优先级；cj为一级指标权重值，m为一级指标数量；djk为一级指标cj分解的二级指标子权重值，n为二级指标数量；三级及以下指标的分解方法与二级指标类似，如ejkl为二级指标djk分解的三级指标子权重值，s为三级指标数量；各级指标权重与细分项目的子权重采用乘法准则。

步骤2、建立评价指标

根据任务需求、航天操控和设备使用的不同要素属性，逐级分解分别建立任务需求优先级评价指标、航天操控优先级评价指标及设备使用优先级评价指标，如图1-3所示；

步骤2中建立评价指标具体如下：

步骤2.1、建立任务需求优先级评价指标，如图1所示：

(一)根据任务需求的类型及重要性，划分为“一级需求、二级需求、三级需求、四级需求、五级需求”5项一级指标，优先保障一级需求，指标分解规则如下：

(1)一级需求：包含作战支持类任务，如导航定位、通信保障等任务；

(2)二级需求：包含国家重大专项和航天器安全防护类任务，如载人航天、空间探测；异常处置、碰撞规避等任务；

(3)三级需求：包含实时任务、空间操控试验和抢险救灾任务，如任务联调、实时发射、早期操控和返回回收；国内重大自然灾害救助应急响应等任务；

(4)四级需求：包含服务类应用和测试试验任务，如遥感观测、通信服务、测绘服务、气象服务等任务；航天器在轨测试、试验验证等任务；

(5)五级需求：包含日常管理、星地对接任务；

(二)为精确描述，将指标分解，一级指标细分为“需求来源、重要程度、紧急程度”3项二级指标；

(1)需求来源：任务需求的直接发起方，反映任务背景属性；

按照用户的级别，需求来源划分为“一类用户、二类用户、三类用户、四类用户、五类用户”5项三级指标，指标分解规则如下：

①一类用户：党中央、军委用户；

②二类用户：国家部委、军兵种用户；

③三类用户：省部级、一线部队用户；

④四类用户：军星运控及应用用户；

⑤五类用户：民/商星运控及应用、科研院所用户；

(2)重要程度：划分为“非常重要、重要、一般”3项三级指标，分解规则如下：

①非常重要：与我国家安全及利益直接相关事件、党中央重点关注事件、影响任务实施及航天器重大安全处置成败的重大事件；

②重要：与我国家安全及利益间接相关事件、国家部委重点关注事件、影响任务实施的重要事件；

③一般：常态化关注事件；

(3)紧急程度：根据任务需求的时效性要求，划分为“应急、计划”2项三级指标，指标分解规则如下：

①应急：较强时效性要求；

②计划：无较强时效性要求；

步骤2.2、建立航天操控优先级评价指标，如图2所示：

(一)航天操控优先级与航天器的类型、操控任务等要素属性息息相关。根据航天器类型，划分为“一类航天器、二类航天器、三类航天器、四类航天器”4项一级指标，优先保障一类航天器，指标分解规则如下：

①一类航天器：载人飞船、载货飞船、空间站、空间探测器；

②二类航天器：民商用业务星(含科研星)、新技术验证星；

③三类航天器：民商用试验星；

④四类航天器：失效待退役报废航天器；

(二)每一类航天器根据操控事件的属性，细分为“用户上行、用户下行、测控上行、测定轨、遥测监视”5项航天操控任务二级指标，指标分解规则如下：

①用户上行：航天器载荷控制数据注入；

②用户下行：航天器数传数据接收；

③测控上行：航天器注精轨、轨道维持；

④测定轨：航天器轨道跟踪测量、定轨；

⑤遥测监视：航天器遥测下传、健康状态监视；

一般，一个航天操控任务包含一个或多个服务事件，航天操控任务的完成需要通过一系列单项服务事件实现。当某个操控任务包含多个服务事件时，按照其中对优先级影响最高的服务事件计算，例如含测控上行和用户下行事件的伴随测控圈次按照用户下行事件计算航天操控优先级。

步骤2.3、建立设备使用优先级评价指标，如图3所示：

考虑设备与任务的关联性，量化评估设备使用优先级，主要用于消解资源使用需求冲突，设备最佳化适配任务，优先选用天基设备、单目标能力设备，提高设备使用效率。设备使用优先级评价指标划分为“设备功能、目标跟踪能力、跟踪条件、综合管理”5项一级指标，具体分解如下：

(1)设备功能：按照设备的功能类型属性，分为“中继卫星、遥测单收、数传接收、全功能测控、测控数传一体化”5项二级指标，指标分解规则如下：

①中继卫星：满足设备是否为中继卫星；

②遥测单收：满足设备是否为遥测单收设备；

③数传接收：满足设备是否为数传单收设备；

④全功能测控：满足设备是否为全功能测控设备；

⑤测控数传一体化：满足设备是否为测控数传一体化设备；

(2)目标跟踪能力：按照设备跟踪目标能力，分为“单波束单目标、单波束多目标、多波束多目标”3项二级指标，指标分解规则如下：

①单波束单目标：设备是否仅具备单波束单目标跟踪能力；

②单波束多目标：设备是否具备单波束多目标跟踪能力；

③多波束多目标：设备是否具备多波束多目标跟踪能力；

(3)跟踪条件：根据设备对目标的可见跟踪条件，综合考虑设备较好完成任务，分为“跟踪可见时长、仰角范围”2项二级指标，指标分解规则如下：

①跟踪可见时长：设备跟踪时长/设备申请时长是否大于1.2；

②仰角范围：设备最大跟踪仰角是否小于75°；

(4)综合管理：根据设备的健康状态、负载均衡性及历史跟踪情况，考虑作战应用要求，分为“持续运行能力、历史跟踪情况、负载均衡性、防护效能”4项二级指标，指标分解规则如下：

①持续运行能力：设备健康状态是否良好，运行故障率低；

②历史跟踪情况：设备是否执行过类似任务或指定需求；

③负载均衡性：设备任务安排是否饱满；

④防护效能：设备防护效能是否良好。

步骤3、建立权重分配

根据步骤2建立的评价指标，建立任务需求优先级指标的权重分配、航天操控优先级指标的权重分配及设备使用优先级指标的权重分配。

步骤3中任务需求优先级指标的权重分配如下：

其中，在一级指标中，“一级需求”、“二级需求”、“三级需求”、“四级需求”和“五级需求”的权重分别为1.0、0.9、0.8、0.6和0.4；在二级指标中，“需求来源”的子权重为0.3，“重要程度”的子权重为0.5，“紧急程度”的子权重为0.2；在三级指标中，“一类用户”、“二类用户”、“三类用户”、“四类用户”和“五类用户”的孙权重分别为1.0、0.8、0.5、0.3和0.2，“非常重要”、“重要”和“一般”的孙权重分别为1.0、0.6和0.4，“应急”和“计划”的孙权重为分别为1.0和0.2。

步骤3中航天操控优先级指标的权重分配如下：

其中，在一级指标中，“一类航天器”、“二类航天器”、“三类航天器”和“四类航天器”的权重分别为1.0、0.9、0.7和0.2；在二级指标中，“用户上行”、“用户下行”、“测控上行”、“测定轨”和“遥测监视”的子权重分别为1.0、0.8、0.6、0.5和0.3。

步骤3中设备使用优先级指标的权重分配如下：

其中，在一级指标中，“设备功能”、“目标能力”、“跟踪条件”、“综合管理”的权重分别为0.3、0.2、0.2和0.3；在二级指标中，“中继卫星”、“遥测单收”、“数传接收”、“全功能测控”和“测控数传一体化”的子权重分别为1.0、0.8、0.6、0.4和0.3，“单波束单目标”、“单波束多目标”和“多波束多目标”的子权重分别为1.0、0.8和0.6，“跟踪可见时长”和“仰角范围”的子权重分别为0.5和0.5，“持续运行能力”、“负载均衡性”、“历史跟踪情况”和“防护效能”的子权重分别为0.3、0.3、0.3和0.1；在三级指标中，“满足”和“不满足”的孙权重分别为1.0和0。

任务优先级作为天地基测控数传资源统筹分配的依据，也是设备使用需求冲突消解的依据。考虑天地基测控数传资源周期性和任务驱动两种不同的混合调度方式，任务优先级使用方法如下：

(一)周期性统一调度

考虑最大化均衡满足各方用户的使用需求，提升天地基测控数传资源调度的自动化和使用效能，针对周期性相对固定的天地基测控数传资源使用需求，任务需求优先级、航天操控优先级和设备使用优先级的具体实施方式如下：

1.分别加权计算任务需求优先级y1和航天操控优先级y2，根据(1+y1)(1+y2)计算结果由大到小排序，统筹预分配全网可用设备；

2.调度设备时，根据预分配可用设备的设备使用优先级，优先分配有设备指定需求的任务；

3.对于没有设备指定需求的任务，根据设备使用优先级计算排序结果，从大到小分配任务设备，统一生成天地基站网资源周期性使用计划。

4.未满足任务可通过协商方式重新安排任务，调整任务跟踪频次、跟踪时段等任务要求，重新安排设备或根据决策意见抢占低优先级的已安排任务设备。

(二)任务驱动应急调度

在天地基测控数传资源周期性使用计划的基础上，考虑应急或重大任务的时效性要求，针对突发的天地基测控数传资源高时效性使用需求，任务优先级的具体实施方式如下：

1.根据可用设备的任务优先级(不含已锁定设备)，优先考虑空闲设备；

2.当设备使用需求冲突时，即可用空闲资源数量少于任务数量，未满足任务优先使用可转让任务设备(即任务有可替代设备)；

3.无可转让任务设备时，依据可用设备的任务优先级，根据决策意见抢占低任务优先级的已安排可用任务设备；

4.当可用设备任务优先级相同时，根据决策意见抢占任务影响最小或任务完成时间最早的任务设备。若任务无可用设备或已安排任务设备无法抢占时，通过协商方式重新安排任务。

5.对被抢占设备的任务，优先分配空闲或可转让任务设备；无空闲或可转让任务设备时，尽量补偿任务损失。若被抢占设备的任务优先级较高，通过协商方式重新安排任务，调整任务跟踪频次、跟踪时段等任务要求，重新安排设备或根据决策意见抢占低任务优先级的已安排任务设备(此时的设备抢占最多考虑两层传递关系)；若仍无空闲或可转让任务设备或被抢占设备的任务的任务优先级较低时，通过协商方式重新安排任务。

(三)动态调整策略

在任务优先级体系中，任务优先级的评价指标和权重分配是天地基站网资源统筹调度的重要参数。为更好服务用户，完善任务优先级体系，任务优先级的动态调整策略主要包括：

1.任务满足均衡：考虑任务满足度和均衡性，依据设备调度、任务满足等运行情况，定期调整任务优先级指标，修正权重分配。

(1)对任务满足度长期高于平均水平，如用户恶意提高任务需求重要性等情况，适当降低该用户后续任务需求优先级，按0.9倍系数计算，以保障其它任务满足度较低的任务；

(2)对任务满足度长期低于平均水平，如任务需求长期无法满足、任务设备经常被抢占且无法补偿等情况，适当调高该任务需求优先级，按1.1倍系数计算，提升任务设备满足概率，同时减少因资源被抢占导致任务无法执行的概率。

2.用户信用度：根据运行期间的数据积累，建立用户信用度制度，对不同用户各类任务提出的设备申请数量、设备使用占比、需求变更情况等方面进行综合评估，根据评估结果和用户信用度，调整任务优先级。

(1)对用户长期存在申请设备多而实际使用少、任务需求不合理、需求变更频繁等情况，根据评估结果，适当降低该用户信用度和原有的任务需求优先级，按0.9倍系数计算；

(2)对用户长期未按规定流程申请使用设备等情况，则适当降低该用户信用度。

(3)当相同条件下资源使用需求存在冲突且任务需求优先级相同时，优先分配资源以保障高信用评价的用户。