多波束中继卫星任务调度方法和装置

1.本发明涉及任务调度技术领域，具体涉及一种多波束中继卫星任务调度方法和装置。


背景技术：

2.随着天基骨干网的不断建设，需要中继卫星服务的用户航天器不断增加，由于中继卫星数量有限，数据服务能力有限，如何合理地编排调度中继卫星的任务是提高中继卫星利用率的关键。
3.现有中继卫星系统任务调度研究的主要对象是预约式任务以及随遇式任务。预约式任务可提前获取任务的信息，现有的中继卫星预约式任务调度的数学模型大多数为np
‑
hard问题，因此现有的解决方法多为启发式算法。主要方法包括采用人工蜂群算法、自适应遗传模拟退火算法对预约任务进行求解。在预约式任务执行过程中，有时会存在随遇式任务，随遇式任务一般优先级高且需要立刻为其安排资源，现有的方法中针对临时任务(随遇式任务)提出的一种中继卫星单址天线动态调度方法。
4.然而，现有方法未考虑任务状态改变对任务调度带来的影响，得到出的多波束中继卫星任务调度方案的中继卫星利用率较低。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种多波束中继卫星任务调度方法和装置，解决了现有的方法未考虑任务方向对任务调度产生的影响以及任务状态改变造成的影响的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
9.第一方面，本发明提供一种多波束中继卫星任务调度方法，所述方法包括：
10.s1、获取预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型；
11.s2、基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模型，获取预约任务最优解，更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解作为最优任务调度方案，执行步骤s8，否则，执行步骤s3；
12.s3、获取预设的考虑任务状态改变带来的影响的中继卫星随遇任务调度约束模型；
13.s4、基于所述剩余波束资源，通过启发式算法改变未进行资源规划的随遇任务的顺序计算适应度函数值，求解所述中继卫星随遇任务调度约束模型的随遇任务最优解；
14.s5、更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，判断随遇任务是否均被安排上，若是，执行步骤s7，否则，执行步骤s6；
15.s6、将随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加
入待规划任务列表，释放所述待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态，考虑任务状态改变带来的影响，通过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解；
16.s7、将随遇任务最优解和预约任务最优解进行结合，得到最优任务调度方案；
17.s8、输出所述最优任务调度方案。
18.优选的，所述方法还包括：
19.s9、等待新的随遇任务申请，若接收到新的随遇任务转入s3。
20.优选的，所述预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型包括适应度函数和约束条件，所述中继卫星预约任务调度约束规划模型的适应度函数为用于在所述约束条件的约束下获得最优任务调度方案的目标函数；所述最优任务调度方案为使得最多高优先级的任务够在可用时间窗内尽早被调度的方案。
21.优选的，所述中继卫星预约任务调度约束规划模型的适应度函数如式(1)，其表示使得最多高优先级的任务够在可用时间窗内尽早被调度；
[0022][0023]
约束条件包括：
[0024]
(1)同一用户航天器同一时刻可执行多个任务，在资源规划时，每个任务分别考虑；
[0025]
(2)任务需要安排在可用时间窗内，包括：
[0026]
a)中继卫星与用户航天器之间具有可见时间窗约束；
[0027]
b)任务指定了允许执行的时间段，允许执行的时间段与可见时间窗的交集为任务的可用时间窗，任务需要安排在可用时间窗内；
[0028]
c)任务执行时间不允许拆分成多个子时间段；
[0029]
(3)双向任务需要同时安排发射波束和接收波束，具有强依赖性，需要安排在完全相同的时间段内执行，其数学表达式如公式(2)所示：
[0030]
t
i
＝t
j
&&d
i
＝d
j
,ifj∈f
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0031]
(4)一个任务只能在一个波束上执行，其数学表达式如公式(3)所示：
[0032][0033]
(5)同一波束同一时间在特定条件下可执行多个任务，包括：
[0034]
a)波束同时服务多个任务的前提为：这些任务属于同一用户或轨道相同的同一用户组；
[0035]
b)不满足同时服务多个任务的情况下，同一波束同一时间只执行一个任务，其数学表达式如公式(4)所示：
[0036][0037]
其中：j为待执行任务的集合；ρ
i
和λ
i
分别为优先级和任务排布时间带来的影响，ρ
i
越大，表示优先级越高，成功调度该任务可获得的权值越大；λ
i
越大，表示该任务越早被调度；u
i
为任务i的强依赖任务集合，描述双向任务拆分出的一对任务；强依赖任务必须被安
排在完全相同的时间执行；t
i
为为任务i规划的开始执行时间；d
i
为资源规划后，任务i的持续时间；表示任务i被规划在波束k上执行，否则任务i所属用户的用户组，i∈j,u
i
∈u
i
。
[0038]
优选的，所述s2中，基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模型，获取预约任务最优解，包括：
[0039]
通过人工蜂群算法改变任务的顺序计算适应度值，求解所述中继卫星预约任务调度约束规划模型的最优解；所述适应度值的计算过程如下：
[0040]
a、获取任务i的任务方向，判断任务由那种波束服务；
[0041]
b、获取任务i在波束k所属卫星上的可用时间、波束k被占用的时间段；依次处理这个任务在波束k上的每个可用时间以及被占用的时间段，找到可用的最早的时间窗，若有，则标记任务i可调度并记录该时间段以及所属波束，转至步骤e，否则，转至步骤c；
[0042]
c、判断是否还有未处理的波束，若有，则进入下一个波束转至步b；否则转至步骤d；
[0043]
d、判断任务是否可调度，若不可调度，计算任务i的适应度值转入a，对下一任务进行处理，若可调度转至步骤e；
[0044]
e、对每个波束上的分配时间进行比较，找到任务排布最早的时间段，记录这个波束和开始时间，并计算
[0045]
f、更新剩余波束资源，判断是否有剩余任务，若有，转入a，对下一任务进行处理，若没有，输出
[0046]
优选的，所述中继卫星随遇任务调度约束模型包括适应度函数和约束条件，所述中继卫星随遇任务调度约束模型的适应度函数如式(5)：
[0047]
max{{∑
i∈j
(ρ
i
λ
i
μ
i
)}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0048]
其中：j为待执行任务的集合；ρ
i
和λ
i
分别为优先级和任务排布时间带来的影响；ρ
i
越大，表示优先级越高，成功调度该任务可获得的权值越大；λ
i
越大，表示该任务越早被调度，对于预约任务ρ
i
和λ
i
以原状态下参数计算，不受重新排布影响；μ
i
为任务状态改变带来的影响，调度成功的任务状态发生变化需要付出一定的代价，正在执行的任务状态发生变化需要付出更大的代价，μ
i
值如公式(6)所示：
[0049][0050]
其中：a，b，c，d为常量，a<b<c<d。
[0051]
优选的，在步骤s4中，所述适应度值的计算过程包括：
[0052]
a1：获取任务i的任务方向，判断任务由那种波束服务；
[0053]
a2：获取任务i在波束k所属卫星上的可用时间、波束k被占用的时间段；依次处理这个任务在波束k上的每个可用时间以及被占用的时间段，找到可用的最早的时间窗，若有，标记任务i可调度并记录该时间段以及所属波束，转至步骤a5，若没有转至步骤a3；
[0054]
a3：判断是否还有未处理的波束，若有，进入下一个波束转至步骤a2；若没有转至步骤a4；
[0055]
a4：获取任务状态信息并判断任务是否可调度，若不可调度，根据任务状态信息计算任务i的适应度函数ρ
i
λ
i
μ
i
，转入步骤a1，对下一任务进行处理，若可调度转至步骤a5；
[0056]
a5：对每个波束上的分配时间进行比较，找到任务排布最早的时间段并根据任务状态的变化情况并计算ρ
i
λ
i
μ
i
，记录这个波束和开始时间；
[0057]
a6：更新剩余波束资源，判断是否有剩余任务，若有，转入步骤a1，对下一任务进行处理，若没有，输出∑
i∈j
(ρ
i
λ
i
μ
i
)。
[0058]
第二方面，本发明提供一种多波束中继卫星任务调度装置，包括：
[0059]
第一模型获取模块，用于执行s1、获取预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型；
[0060]
第一求解模块，用于执行s2、基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模型，获取预约任务最优解，更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解作为最优任务调度方案，执行输出模块中的步骤s8，否则，执行第二模型获取模块中的步骤s3；
[0061]
第二模型获取模块，用于执行s3、获取预设的考虑任务状态改变带来的影响的中继卫星随遇任务调度约束模型；
[0062]
第二求解模块，用于执行s4、基于所述剩余波束资源，通过启发式算法改变未进行资源规划的随遇任务的顺序计算适应度函数值，求解所述中继卫星随遇任务调度约束模型的随遇任务最优解；
[0063]
判断模块，用于执行s5、更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，判断随遇任务是否均被安排上，或是，执行最优解结合模块中步骤s7，否则，执行第三求解模块中的步骤s6；
[0064]
第三求解模块，用于执行s6、将随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放所述待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态，考虑任务状态改变带来的影响，通过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解；
[0065]
最优解结合模块，用于执行s7、将随遇任务最优解和预约任务最优解进行结合，得到最优任务调度方案；
[0066]
输出模块，用于执行s8、输出最优任务调度方案。
[0067]
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储用于多波束中继卫星任务调度的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上述所述的多波束中继卫星任务调度方法。
[0068]
第四方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0069]
一个或多个处理器；
[0070]
存储器；以及
[0071]
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上述所述的多波束中继卫星任务调度方法。
[0072]
(三)有益效果
[0073]
本发明提供了一种多波束中继卫星任务调度方法和装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：
[0074]
本发明针对中继卫星拥有多种波束、任务具有多种方向的新场景，提出了综合考虑预约任务以及随遇任务两种任务的调度方法，对于随遇任务的调度，充分考虑任务状态的改变对任务调度产生的影响，使得得出的最优任务调度方案能合理的编排中继卫星的任务，有效提高中继卫星利用率。
附图说明
[0075]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0076]
图1为本发明实施例提供的一种多波束中继卫星任务调度方法流程图。
具体实施方式
[0077]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0078]
本技术实施例通过提供一种多波束中继卫星任务调度方法和装置，解决了现有方法未考虑任务状态改变对任务调度带来的影响的问题，实现合理的编排中继卫星的任务，有效提高中继卫星利用率。
[0079]
本技术实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
[0080]
现有的方法中针对临时任务(随遇式任务)提出的一种中继卫星单址天线动态调度方法。该方法包括:(1)根据待处理的临时任务申请信息，为其匹配可见时间窗口和天线可用时间窗口，若存在可用时段资源，则为临时任务安排调度方案，否则进入下一步；(2)分析与临时任务需求存在冲突的已调度任务，生成当前层的待调整任务集合。(3)待调整任务试调整，若调度成功，则调度过程结束；否则进入下一步；(4)删除当前层待调整任务占用资源，对原临时任务进行调度后，分别将当前层待调整任务视为新临时任务，实现对调整树的扩展操作，若在设定的调整次数内实现冲突消解，则原临时任务调度成功，输出调整后的调度方案；否则，输出初始调度方案。从上述描述可知，该方法分析与临时任务需求存在冲突的已调度任务，遍历当前层的待调整任务集合，逐一删除待调整任务占用的资源以满足临
时任务需求。通过上述方法获得调度方案不仅操作次数多，且未考虑任务状态改变对任务调度造成的影响，导致得出的调度方案对中继卫星的利用率较低。
[0081]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0082]
本发明实施例提供一种多波束中继卫星任务调度方法，如图1所示，该方法包括：
[0083]
s1、获取预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型；
[0084]
s2、基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模型，获取预约任务最优解，更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解作为最优任务调度方案，执行步骤s8，否则，执行步骤s3；
[0085]
s3、获取预设的考虑任务状态改变带来的影响的中继卫星随遇任务调度约束模型；
[0086]
s4、基于剩余波束资源，通过启发式算法改变未进行资源规划的随遇任务的顺序计算适应度函数值，求解所述中继卫星随遇任务调度约束模型的随遇任务最优解；
[0087]
s5、更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，判断随遇任务是否均被安排上，若是，执行步骤s7，否则，执行步骤s6；
[0088]
s6、将随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态，考虑任务状态改变带来的影响，通过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解；
[0089]
s7、将随遇任务最优解和预约任务最优解进行结合，得到最优任务调度方案；
[0090]
s8、输出最优任务调度方案。
[0091]
本发明实施例针对中继卫星拥有多种波束、任务具有多种方向的新场景，提出了综合考虑预约任务以及随遇任务两种任务的调度方法，对于随遇任务的调度，充分考虑任务状态的改变对任务调度产生的影响，使得得出的最优任务调度方案能合理的编排中继卫星的任务，有效提高中继卫星利用率。
[0092]
在具体实施过程中，该调度方法还包括：s9、等待新的随遇任务申请，若接收到新的随遇任务转入s3。
[0093]
下面对本发明实施例的具体实施过程进行详细描述：
[0094]
在步骤s1中，获取预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型，具体实施过程如下：
[0095]
所述预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型包括适应度函数和约束条件，所述适应度函数为用于在所述约束条件的约束下获得最优任务调度方案的目标函数；所述最优任务调度方案为使得最多高优先级的任务够在可用时间窗内尽早被调度的方案。其具体的构建过程如下：
[0096]
s101、获取预设的各调度任务的方向、任务的优先级、任务所属的航天器、各任务被成功执行的最早开始时间、以及各任务的可用时间窗；
[0097]
s202、根据所述各调度任务的方向、任务的优先级、任务所属的航天器、各任务被成功执行的最早开始时间、以及各任务的可用时间窗，构建模型的适应度函数及约束条件。
[0098]
适应度函数如式(1)，其表示使得最多高优先级的任务够在可用时间窗内尽早被调度。
[0099][0100]
约束条件包括：
[0101]
(1)同一用户航天器同一时刻可执行多个任务，在资源规划时，每个任务分别考虑，即资源规划的对象为任务而非用户。
[0102]
(2)任务需要安排在可用时间窗内。
[0103]
a)中继卫星与用户航天器之间具有可见时间窗约束，即任务的执行时间必须在中继卫星与用户航天器之间的可见时间窗内。
[0104]
b)任务指定了允许执行的时间段(由最早开始时间、最晚结束时间构成)，允许执行的时间段与可见时间窗的交集为任务的可用时间窗，任务需要安排在可用时间窗内；
[0105]
c)任务执行时间不允许拆分成多个子时间段，所以只能选择时间长度比任务持续时间长的可用时间窗。
[0106]
任务i在波束k上的可用时间窗用w
ik
表示。
[0107]
(3)部分任务之间具有依赖性。
[0108]
双向任务需要同时安排发射波束和接收波束，具有强依赖性，需要安排在完全相同的时间段内执行，其数学表达式如公式(2)所示：
[0109]
t
i
＝t
j
&&d
i
＝d
j
,ifj∈f
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0110]
(4)一个任务只能在一个波束上执行，也就是说，任务执行时不能切换波束，其数学表达式如公式(3)所示：
[0111][0112]
(5)同一波束同一时间在特定条件下可执行多个任务
[0113]
a)波束同时服务多个任务的前提为：这些任务属于同一用户u
i
或轨道相同的同一用户组u
i
(例如无人机群)。
[0114]
b)不满足同时服务多个任务的情况下，同一波束同一时间只执行一个任务，即同一波束上的不同任务执行时间不能重叠，其数学表达式如公式(4)所示：
[0115][0116]
其中：
[0117]
j为待执行任务的集合；c
i
为可以处理任务i(i∈j)的波束集合；ρ
i
和λ
i
分别为优先级和任务排布时间带来的影响，ρ
i
越大，表示优先级越高，成功调度该任务可获得的权值越大；λ
i
越大，表示该任务越早被调度。f
i
为任务i的强依赖任务集合，描述双向任务拆分出的一对任务。强依赖任务必须被安排在完全相同的时间执行；t
i
为为任务i规划的开始执行时间；d
i
为资源规划后，任务i的持续时间；表示任务i被规划在波束k上执行，否则u
i
为任务i所属的用户，u
i
为任务i所属用户的用户组，i∈j,u
i
∈u
i
。
[0118]
在步骤s2中，基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模
型，获取预约任务最优解，更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解作为最优任务调度方案，执行步骤s8，否则，执行步骤s3。具体实施过程如下：
[0119]
在本发明实施例中，通过人工蜂群算法改变任务的顺序计算适应度值，求解所述中继卫星预约任务调度约束规划模型的最优解。具体包括：
[0120]
s201、设定算法参数和初始化种群，包括：
[0121]
设定算法的参数：任务数n，种群的规模m，阈值lf，二次邻域搜索循环次数u，迭代次数l。
[0122]
初始化种群：随机生成m个初始解x
i
(i＝1,2,3,
…
,m)，并记录每个解的适应度函数(f)值。设置跟踪每个解x
i
的变化的变量参数l
i
(i＝1,2,3,
…
,m)，初始化l
i
＝0，l
i
记录了解x
i
经过了连续多次邻域搜索，仍未找到更优的解的次数。设置每个解的邻域解的集合g
i
(i＝1,2,3,
…
,m)，并初始化初始化局部变量最优解mf，令f(mf)＝0。令全局循环变量v＝1。
[0123]
s202、从当前解中抽取一个任务，然后随机插入一个位置，为种群中每个解生成一个邻域解如果则设置l
i
＝0；否则l
i
＝l
i
+1，其中为邻域解的适应度值，f(x
i
)为当前解的适应度值。
[0124]
s203、根据解的二次邻域搜索循环次数u，进行u次二次邻域搜索操作。具体包括：
[0125]
每次二次邻域搜索操作如下：从该种群中随机抽取两个解(x
p
,x
q
),计算它们对应的适应度值(f(x
p
),f(x
q
))，如果f(x
p
)>f(x
q
)，选择x
p
；否则选择x
q
，以上述形式得为每次二次邻域搜索得到一个较优解；从当前解中抽取一个任务，然后随机插入一个位置为每次得到的较优解生成一个对应的邻域解最后更新该较优解的邻域解集合最后更新该较优解的邻域解集合按照这样的操作方式，依次循环操作u次。
[0126]
s204、根据s203得到的解邻域集合，对每个解的邻域集合进行判断。若某个解(x
i
)的邻域集合是非空的，即则从该解的邻域解集合中选择一个最好的邻域解，即满足然后作如下判断：
[0127]
如果则设置l
i
＝0；否则l
i
＝l
i
+1，并清空集合
[0128]
s205、记录本次迭代中出现的最优解x
i
，如果f(x
i
)>f(mf)，那么更新mf＝x
i
。
[0129]
s206、判断每个解连续无更新邻域搜索次数是否超过阈值lf。如果l
i
≥lf，则放弃x
i
，随机生成一个新解加入种群，且置l
i
＝0。更新变量v＝v+1。若v＝l，执行步骤s207；否则转到s202。
[0130]
s207、输出mf，mf即为预约任务最优解。
[0131]
适应度值的计算过程如下：
[0132]
a、获取任务i的任务方向，判断任务由那种波束服务；
[0133]
b、获取任务i在波束k所属卫星上的可用时间、波束k被占用的时间段；依次处理这个任务在波束k上的每个可用时间以及被占用的时间段，找到可用的最早的时间窗，若有，则标记任务i可调度并记录该时间段以及所属波束，转至步骤e，否则，转至步骤c；
[0134]
c、判断是否还有未处理的波束，若有，则进入下一个波束转至步b；否则转至步骤
d；
[0135]
d、判断任务是否可调度，若不可调度，计算任务i的适应度值转入a，对下一任务进行处理，若可调度转至步骤e；
[0136]
e、对每个波束上的分配时间进行比较，找到任务排布最早的时间段，记录这个波束和开始时间，并计算
[0137]
f、更新剩余波束资源，判断是否有剩余任务，若有，转入a，对下一任务进行处理，若没有，输出
[0138]
s208、更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解mf作为最优任务调度方案，执行步骤s8，否则，执行步骤s3。
[0139]
在步骤s3中，获取预设的考虑任务状态改变带来的影响的中继卫星随遇任务调度约束模型，具体实施过程如下：
[0140]
在本发明实施例中，中继卫星随遇任务调度约束模型包括适应度函数和约束条件。所述适应度函数为用于在所述约束条件的约束下获得最优任务调度方案的目标函数；所述最优任务调度方案为使得最多高优先级的任务够在不改变任务状态的情况下在可用时间窗内尽早被调度的方案。
[0141]
s301、获取预设的各调度任务的方向、任务状态、任务的优先级、任务所属的航天器、各任务被成功执行的最早开始时间、以及各任务的可用时间窗；
[0142]
s302、根据所述各调度任务的方向、任务状态、任务的优先级、任务所属的航天器、各任务被成功执行的最早开始时间、以及各任务的可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件。
[0143]
适应度函数如式(5)：
[0144]
max{{∑
i∈j
(ρ
i
λ
i
μ
i
)}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0145]
其中：j为待执行任务的集合；ρ
i
和λ
i
分别为优先级和任务排布时间带来的影响。ρ
i
越大，表示优先级越高，成功调度该任务可获得的权值越大；λ
i
越大，表示该任务越早被调度，对于预约任务ρ
i
和λ
i
以原状态下参数计算，不受重新排布影响。μ
i
为任务状态改变带来的影响，调度成功的任务状态发生变化需要付出一定的代价，正在执行的任务状态发生变化需要付出更大的代价，μ
i
值如公式(6)所示：
[0146][0147]
其中：a，b，c，d为人为定义的常量，a<b<c<d。
[0148]
需要说明的是，对于随遇任务，μ
i
只有1和0两种情况。随遇任务调度成功值为1，调
度失败为0。
‑
a，
‑
b，
‑
c，
‑
d是对待规划任务列表中的预约任务而言的，
‑
a，
‑
b，
‑
c，
‑
d这四种情况在执行步骤s6才需要运用到。
[0149]
约束条件和中继卫星预约任务调度约束规划模型的约束条件一致，此处不再赘述。
[0150]
在步骤s4中，基于剩余波束资源，通过启发式算法改变未进行资源规划的随遇任务的顺序计算适应度函数值，求解所述中继卫星随遇任务调度约束模型的随遇任务最优解。具体实施过程如下：
[0151]
在本发明实施例中，通过人工蜂群算法改变任务的顺序计算适应度函数值，求解所述模型的最优解，操作步骤除适应度函数计算外其它与预约任务一致，此处不再赘述。
[0152]
随遇任务个体的适应度函数计算步骤包括：
[0153]
a1：获取任务i的任务方向，判断任务由那种波束服务；
[0154]
a2：获取任务i在波束k所属卫星上的可用时间、波束k被占用的时间段；依次处理这个任务在波束k上的每个可用时间以及被占用的时间段，找到可用的最早的时间窗，若有，标记任务i可调度并记录该时间段以及所属波束，转至步骤a5，若没有转至步骤a3；
[0155]
a3：判断是否还有未处理的波束，若有，进入下一个波束转至步骤a2；若没有转至步骤a4；
[0156]
a4：获取任务状态信息并判断任务是否可调度，若不可调度，根据任务状态信息计算任务i的适应度函数ρ
i
λ
i
μ
i
，转入步骤a1，对下一任务进行处理，若可调度转至步骤a5；
[0157]
a5：对每个波束上的分配时间进行比较，找到任务排布最早的时间段并根据任务状态的变化情况并计算ρ
i
λ
i
μ
i
，记录这个波束和开始时间；
[0158]
a6：更新剩余波束资源，判断是否有剩余任务，若有，转入步骤a1，对下一任务进行处理，若没有，输出∑
i∈j
(ρ
i
λ
i
μ
i
)。
[0159]
在步骤s5中，更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，判断随遇任务是否均被安排上，若是，执行步骤s7，否则，执行步骤s6。具体实施过程如下：
[0160]
更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，根据所求的随遇任务最优解，获取正在处理的随遇任务的μ
i
值，若所有的μ
i
值均大于0，则随遇任务均被安排上。若是，执行步骤s7，否则，执行步骤s6。
[0161]
在步骤s6中，将随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态，考虑任务状态改变带来的影响，通过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解。具体实施过程如下：
[0162]
将正在处理的随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态(标记任务是什么种类的任务，是预约任务还是随遇任务；标记任务目前的状态，包括：已经处理过和还未处理的两种。具体的做法为：对于预约任务就是标记任务为预约任务以及标记最优解中分配的时间开始时间和结束时间，用于后面的确定任务状态的是否改变。对于随遇任务标记任务为随遇任务且正在处理)，综合考虑任务方向以及任务状态改变带来的影响，通
过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解。其具体求解过程和步骤s4大致相同，此处不再赘述。
[0163]
在步骤s7中，将随遇任务最优解和预约任务最优解进行结合，得到最优任务调度方案。
[0164]
在步骤s8中，输出最优任务调度方案。
[0165]
在步骤s9中，等待新的随遇任务申请，若接收到新的随遇任务转入s3。
[0166]
本发明实施例还提供一种多波束中继卫星任务调度装置，包括：
[0167]
第一模型获取模块，用于执行s1、获取预设的中继卫星预约任务调度约束规划模型；
[0168]
第一求解模块，用于执行s2、基于预约任务申请信息和所述中继卫星预约任务调度约束规划模型，获取预约任务最优解，更新已经使用的波束资源和剩余波束资源，若无随遇任务申请，则将预约任务最优解作为最优任务调度方案，执行输出模块中的步骤s8，否则，执行第二模型获取模块中的步骤s3；
[0169]
第二模型获取模块，用于执行s3、获取预设的考虑任务状态改变带来的影响的中继卫星随遇任务调度约束模型；
[0170]
第二求解模块，用于执行s4、基于剩余波束资源，通过启发式算法改变随遇任务的顺序计算适应度函数值，求解所述中继卫星随遇任务调度约束模型的随遇任务最优解；
[0171]
判断模块，用于执行s5、更新已经使用的波束资源以及剩余的波束的资源，根据所求随遇任务最优解，判断随遇任务是否均被安排上，若是，执行最优解结合模块中步骤s7，否则，执行第三求解模块中的步骤s6；
[0172]
第三求解模块，用于执行s6、将正在处理的随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放这些任务的资源并标记状态，综合考虑任务种类以及任务状态改变带来的影响，通过启发式算法改变待规划任务列表中任务的顺序计算适应度值，重新对所述中继卫星随遇任务调度约束模型进行求解，得到新解，基于新解更新随遇任务最优解和预约任务最优解；
[0173]
最优解结合模块，用于执行s7、将随遇任务最优解和预约任务最优解进行结合，得到最优任务调度方案；
[0174]
输出模块，用于执行s8、输出最优任务调度方案。
[0175]
理解的是，本发明实施例提供的多波束中继卫星任务调度装置与上述多波束中继卫星任务调度方法相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考多波束中继卫星任务调度方法中的相应内容，此处不再赘述。
[0176]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储用于多波束中继卫星任务调度的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行上述所述的多波束中继卫星任务调度方法。
[0177]
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述所述的多波束中继卫星任务调度方法。
[0178]
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
[0179]
1、本发明实施例针对中继卫星拥有多种波束、任务具有多种方向的新场景，提出了综合考虑预约任务以及随遇任务两种任务的调度方法，对于随遇任务的调度，充分考虑任务状态的改变对任务调度产生的影响，使得得出的最优任务调度方案能合理的编排调度中继卫星的任务规划是提高中继卫星利用率。
[0180]
2、本发明实施例首先通过在剩余波束资源上安排随遇任务，当剩余波束资源不足以将随遇任务安排完，将随遇任务以及预约任务最优解中任务结束时间晚于当前时间的任务依次加入待规划任务列表，释放待规划任务列表中任务的资源并标记任务状态，再次安排待规划任务列表中任务，操作次数少，得出最优任务调度方案的时间快。
[0181]
需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0182]
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0183]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。