卫星中继业务调度方法及装置

1.本技术涉及中继业务调度技术领域，尤其涉及卫星中继业务调度方法及装置。


背景技术：

2.随着航天技术的快速发展，在轨航天器数量的不断增加，航天器数据传输与测控的业务需求与日俱增，数据中继业务在空间网络中占据着越来越重要的地位。目前较为成熟的数据中继网络由部署在地球同步轨道上的跟踪和数据中继卫星(tdrs)在轨星座、一套地面系统和设施以及近地轨道(leo)用户平台组成。该网络能够为leo和其他用户平台中的用户航天器提供跟踪服务和高带宽、近乎连续的通信支持。
3.然而，相较于中继业务规模的日益庞大，卫星网络在空间环境下时刻面临着网络资源有限且不平衡的影响，因此调度方案的质量将直接影响业务完成的效果以及中继卫星的使用效能，这对中继卫星资源的合理调度提出了更高的要求，需要进一步深入考虑中继卫星与用户需求的实际情况，研究符合实际的中继卫星调度模型以及快速稳定的调度算法。
4.在实际的高轨中继卫星系统中，每个中继业务都是由星间链路天线(ila)来处理的。天线因为在信息传输速率、服务操作模式以及设置时间等方面的不同，分为单址天线(sa)和相控阵多址天线(ma)。其中由于单址天线增益高，是中继卫星提供测控、数传等业务的主要手段。然而，由于天线在转动过程中无法服务其他业务，转动时间即天线设置时间会显著的占用调度周期内有限的资源，进而影响中继卫星系统的服务效率。而现有的中继业务调度模型在求解时，通常将为所有业务预留最大且相同的天线设置时间，这导致系统可调度的资源的浪费，资源利用率低下。同时，在一些基于时间窗的调度方案中，中继业务开始前的天线设置时间被假定为静态或忽略，这与单址天线的动态特征相比是一个较弱的假设。在这种假设下，得到的调度解在真实的动态环境中可能是次优的，甚至是不可行的，调度结果往往与用户实际需要存在偏差。
5.因此，当前亟需设计一种能够提高调度效率并保证调度有效性的卫星中继业务调度方式。


技术实现要素：

6.鉴于此，本技术实施例提供了卫星中继业务调度方法及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
7.本技术的一个方面提供了一种卫星中继业务调度方法，包括：
8.对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型；
9.以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型；
10.应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案。
11.在本技术的一些实施例中，所述对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型，包括：
12.获取目标中继卫星的天线指向变化模型，该天线指向变化模型包括：目标中继卫星的覆盖范围、卫星轨道直径和天线指向变化范围对应的天线指向弧面；
13.将所述天线指向弧面转化成一个所述天线指向变化范围对应的圆形平面，生成采用平面坐标点描述天线指向的天线指向坐标系；
14.定义所述天线指向坐标系对应的参数组，并根据该参数组设置包含有天线设置时间的多个决策变量，以得到对应的天线指向坐标系模型。
15.在本技术的一些实施例中，所述天线指向坐标系用于表示位于所述天线指向变化范围对应的圆形平面内的天线指向路径序列，所述天线指向坐标系的原点为天线指向地心时的方向坐标；
16.所述天线指向路径序列包括：自所述原点起始的一个天线设置路径和多个顺序连接的路径组，其中，每个所述路径组均包含有顺序连接的一个业务处理路径和一个天线设置路径，最后一个所述路径组中的天线设置路径与原点起始的一个天线设置路径相连且指向所述原点；
17.所述天线设置路径用于表示天线设置过程中的天线指向路径；
18.所述业务处理路径用于表示中继业务处理过程中的天线指向路径。
19.在本技术的一些实施例中，所述参数组包括：
20.有向图g(v,a)，用于表示所述天线指向路径序列，v表示包含有各个节点的节点集，每个所述节点均包括位置信息和时间信息；若所述天线指向路径序列中的中继业务数为n，则|v|＝2n+2，且所述节点包括：所述天线指向路径序列的开始节点、所述天线指向路径序列的结束节点、以及各个所述中继业务的开始节点和结束节点；a表示天线指向路径集合，所述天线指向路径集合包括业务处理路径和天线设置路径；
21.天线集合k，包括单址天线集合k
sa
和多址天线集合k
ma
的并集；
22.单址天线sa设置的指向速度v
sa
；
23.多址天线ma设置时间t
ma
，为一常数；
24.业务优先级的集合q＝{1,
…
,q,
…
,|q|}|q|≥1，|q|表示中继业务的总数，对于每个中继业务i，均有一个预设的优先级qi，并且qi≥1；
25.业务优先级对应的收益集合λ＝{λ1,
…
,λq,
…
,λ
|q|
}，对于每个中继业务i，对应优先级的收益为λ
qi
，λ
qi
根据各个优先级的中继业务数量进行计算；
26.中继业务集合n，用于根据各个优先级划分子集{n1,n2,
…
,n
|q|
}，即：n＝{n1,n2,
…
,n
|q|
}；若只有一个优先级，即|q|＝1，或者优先级为1，即q＝1，则λq＝1；否则n
γ
表示第γ个子集，λ
γ
表示第γ个子集对应的优先级；
27.中继业务i的处理时间pi，其中，所述天线指向路径序列的开始节点的处理时间p0和所述天线指向路径序列的结束节点p
2n+1
的处理时间均为0；
28.中继业务i的可用天线集合ki，由各个可用天线k组成，且每个中继业务的可用天线集合包括单址天线和/或多址天线；
29.中继业务i的可用时间窗集合mi，中继业务i的第m个可用时间窗表示为
在时间窗内，中继业务i对应的节点的位置由天线k的指向坐标确定，即
30.以及，不同的节点之间的路径指向关系，包含有所述有向图g(v,a)中的各节点的出度δ
+
和入度δ-。
31.在本技术的一些实施例中，所述决策变量包括：
32.第一组变量，用于描述中继业务的处理顺序，表示为一个二元变量表示可用天线k上相邻的中继业务i和中继业务j的处理顺序；若中继业务i在中继业务j之前，则若中继业务i在中继业务j之后，则
33.第二组变量，用于描述中继业务的关键时间，所述关键时间包括：中继业务i的开始时间结束时间和天线设置时间其中，天线设置时间表示当业务j的开始时间为时，天线k从业务i结束节点到业务j开始节点的天线设置时长；
34.以及，第三组变量，用于描述被调度的时间窗，表示为另一个二元变量表示在天线k上中继业务i的第m个可用时间窗的调度状态；若在天线k上中继业务i在第m个可用时间窗被处理，则否则，
35.在本技术的一些实施例中，所述以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型，包括：
36.以最大化中继业务调度总收益为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第一目标函数，并以最小化天线总设置时间为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第二目标函数；
37.根据所述参数组和所述决策变量构建所述第一目标函数和所述第二目标函数对应的约束条件，以得到基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型。
38.在本技术的一些实施例中，所述应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案，包括：
39.筛选及校验步骤：应用所述卫星中继业务调度问题模型并基于预设的分层筛选策略在当前的各个所述中继业务中分层筛选一个目标中继业务；基于预设的校验策略对所述目标中继业务进行校验，若校验通过则将该目标中继业务插入调度，其中，所述校验策略包括：插入可行性检验和时间推进可行检验；
40.在当前的各个所述中继业务中删除所述目标中继业务，然后重复执行所述筛选及校验步骤，直至生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列，并将该目标天线指向路径序列确定为卫星中继业务调度方案；
41.输出所述卫星中继业务调度方案。
42.本技术的另一个方面提供了一种卫星中继业务调度装置，包括：
43.坐标系建模模块，用于对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型；
44.调度问题建模模块，用于以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型；
45.调度优化模块，用于应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案。
46.本技术的另一个方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的卫星中继业务调度方法。
47.本技术的另一个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的卫星中继业务调度方法。
48.本技术提供的卫星中继业务调度方法，对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型；以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型；应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案；本技术考虑动态天线设置时间，对天线的指向方位进行空间上建模与描述，通过对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型，能够全面且有效地描述中继业务特征，能够为计算中继业务的天线设置时间以及进一步优化调度方案提供有效且可靠的基础；以最大化业务调度总收益和最小化总天线设置时间为优化目标，构建了基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度算法，将中继业务从单一的时间特征向时空特征转变，设计算法完成动态天线设置时间的计算，能够有效提高卫星中继业务调度的灵活度及有效性，能够提高成功调度中继业务数，能够有效提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率；通过提出基于动态天线设置时间和可拆分业务的卫星中继业务调度和优化算法，更符合真实的网络环境，能够进一步提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率。
49.本技术的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本技术的实践而获知。本技术的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
50.本领域技术人员将会理解的是，能够用本技术实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本技术能够实现的上述和其他目的。
附图说明
51.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本技术的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本技术的原理。为了便于示出和描述本技术的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本技术实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
52.图1为本技术一实施例中的卫星中继业务调度方法的总流程示意图。
53.图2为本技术一实施例中的卫星中继业务调度方法的一种具体流程示意图。
54.图3为本技术一实施例中的目标中继卫星的天线指向变化模型的示意图。
55.图4为本技术一实施例中的天线指向坐标系的示意图。
56.图5为本技术一实施例中的中继业务调度算法框架的示意图。
57.图6为本技术一实施例中的业务插入检验问题场景的示意图。
58.图7为本技术另一实施例中的卫星中继业务调度装置的结构示意图。
59.图8为本技术应用实例中提供的总业务调度数量比较示意图。
60.图9为本技术应用实例中提供的总业务处理时间比较示意图。
61.图10为本技术应用实例中提供的总天线设置时间比较示意图。
62.图11为本技术应用实例中提供的有效时间利用率比较示意图。
具体实施方式
63.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本技术做进一步详细说明。在此，本技术的示意性实施方式及其说明用于解释本技术，但并不作为对本技术的限定。
64.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本技术关系不大的其他细节。
65.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
66.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
67.在下文中，将参考附图描述本技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
68.现有的中继业务调度模型在求解时，通常将为所有业务预留最大且相同的天线设置时间，这导致系统可调度的资源的浪费，资源利用率低下。同时，在一些基于时间窗的调度方案中，中继业务开始前的天线设置时间被假定为静态或忽略，这与单址天线的动态特征相比是一个较弱的假设。在这种假设下，得到的调度解在真实的动态环境中可能是次优的，甚至是不可行的，调度结果往往与用户实际需要存在偏差。
69.具体的，现有基于时间窗的调度方案如下：
70.1)方案1，允许用户提交多个可以滑动的时间窗口。考虑中继业务中业务调度的灵活性和业务间的冲突，构建考虑多滑动窗口的中继卫星调度模型，并设计基于随机搜索策略的中继卫星调度算法。算法包括业务资源匹配与邻域生成、可用时间段生成、业务冲突分析、邻域搜索与冲突消解以及资源与业务集更新。
71.2)方案2，在中继卫星调度中考虑了断点续传这一应用模式，即对单个数传业务进行合理拆分，使其在多个时间窗口内完成。首先构建面向断点续传的中继卫星单址天线的调度模型，然后提出一种基于冲突风险评估的冲突度量化方法，并设计考虑断点续传的两阶段调度算法。
72.3)方案3，提出了一种两阶段业务调度算法。在初始调度阶段，构造了多约束条件调度模型，设计了一种改进的遗传算法求解初始调度问题。在动态调度阶段，构建了一个多目标动态调度模型，设计了一种先发制人的动态调度算法(pdsa)来解决动态调度模型。
73.然而，无论是上述哪一种基于时间窗的调度方案，均存在调度效率低且无法保证调度有效性的问题。
74.基于此，本技术提出了一种基于动态天线设置时间的中继业务调度方法。首先，考虑动态天线设置时间，就需要对天线的指向方位进行空间上建模与描述，并将中继业务从单一的时间特征向时空特征转变，设计算法完成动态天线设置时间的计算。本技术提出的基于动态时间的中继调度算法，通过分层策略，从业务优先级、天线等维度完成中继业务的插入调度，形成最终的调度方案。
75.具体通过下述实施例进行详细说明。
76.本技术实施例提供一种卫星中继业务调度方法，参见图1，所述卫星中继业务调度方法具体包含有如下内容：
77.步骤100：对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型。
78.可以理解的是，已知地球半径，低轨高度和同步轨道高度，可以计算出单址天线指向变化范围，并且天线的指向方向可以由黑色弧面上的点来唯一确认。将该弧面转化成一个圆形平面，生成天线指向坐标系模型。
79.在步骤100中，先建立了天线指向坐标系模型，对天线的指向方位进行了空间建模，从而为计算业务的天线设置时间进而优化调度方案提供基础。
80.步骤200：以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型。
81.可以理解的是，所述中继业务也可以简称为业务，最小化天线总设置时间也可以称之为最小化天线设置总时长。
82.在步骤200中，建立了基于天线动态设置时间的卫星中继业务调度问题模型，将调度问题转换为天线坐标系下的天线指向路径的优化问题，设定了最大化业务调度总收益和最小化天线准备总时长的优化目标，求解优化的天线指向路径序列作为调度方案。
83.步骤300：应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案。
84.具体来说，步骤300提出了基于动态天线设置时间和可拆分业务的卫星中继业务调度和优化算法。算法基于动态天线设置时间生成初始调度方案，然后重新调度初始调度中失败的可拆分业务，优化调度结果。
85.从上述描述可知，本技术实施例提供的卫星中继业务调度方法，考虑动态天线设置时间，就需要对天线的指向方位进行空间上建模与描述，通过对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型，能够全面且有效地描述中继业务特征，能够为计算中继业务的天线设置时间以及进一步优化调度方案提供有效且可靠的基础；以最大化业务调度总收益和最小化总天线设置时间为优化目标，构建了基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度算法，将中继业务从单一的时间特征向时空特征转变，设计算法完成动态天线设置时间的计算，能够有效提高卫星中继业务调度的灵活度及有效性，能够提高成功调度中继业务数，能够有效提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率；通过提出基于动态天线设置时间和可拆分业务的卫星中继业务调度和优化算法，更符合真实的网络环境，能够进一步提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率。
86.为了提高天线指向坐标系模型的构建可靠性及应用有效性，在本技术实施例提供的一种卫星中继业务调度方法中，参见图2，所述卫星中继业务调度方法中的步骤100具体包含有如下内容：
87.步骤110：获取目标中继卫星的天线指向变化模型，该天线指向变化模型包括：目标中继卫星的覆盖范围、卫星轨道直径和天线指向变化范围对应的天线指向弧面。
88.步骤120：将所述天线指向弧面转化成一个所述天线指向变化范围对应的圆形平面，生成采用平面坐标点描述天线指向的天线指向坐标系。
89.步骤130：定义所述天线指向坐标系对应的参数组，并根据该参数组设置包含有天线设置时间的多个决策变量，以得到对应的天线指向坐标系模型。
90.为了进一步提高天线指向坐标系模型的构建可靠性及应用有效性，在本技术实施例提供的一种卫星中继业务调度方法中，所述天线指向坐标系用于表示位于所述天线指向变化范围对应的圆形平面内的天线指向路径序列，所述天线指向坐标系的原点为天线指向地心时的方向坐标；
91.所述天线指向路径序列包括：自所述原点起始的一个天线设置路径和多个顺序连接的路径组，其中，每个所述路径组均包含有顺序连接的一个业务处理路径和一个天线设置路径，最后一个所述路径组中的天线设置路径与原点起始的一个天线设置路径相连且指向所述原点；
92.所述天线设置路径用于表示天线设置过程中的天线指向路径；
93.所述业务处理路径用于表示中继业务处理过程中的天线指向路径。
94.具体来说，首先生成目标中继卫星的天线指向变化模型，参见图3，已知地球半径，低轨高度和同步轨道高度，可以计算出单址天线指向变化范围，并且天线的指向方向可以由黑色弧面上的点来唯一确认。将该弧面转化成一个圆形平面，生成如图4中的天线指向坐标系，用平面坐标点描述天线指向。在图3中，earth表示地球；leo表示低轨道地球卫星，tdrs表示目标中继卫星。
95.在天线指向坐标系中将天线指向地心时的方向坐标设置为(0,0)，作为坐标系的原点。任一天线指向都可用坐标系中的点唯一描述。为简化模型，本文假设所有的天线指向路径均为直线。在图4中，实线有向线段为业务处理路径，代表了中继业务处理过程的天线指向路径。有向虚线为天线设置路径，代表天线设置过程的天线指向路径。
96.在图4中，展示了包括五个中继业务的天线指向路径序列。天线指向路径序列表示卫星中继业务调度方案的一组天线指向路径，是中继业务调度的输出。天线指向路径序列从原点出发，并最终回到原点。
97.为了进一步提高天线指向坐标系模型的构建可靠性及应用有效性，在本技术实施例提供的一种卫星中继业务调度方法中，所述参数组具体包含有如下内容：
98.(1)有向图g(v,a)，用于表示所述天线指向路径序列，v表示包含有各个节点的节点集，每个所述节点均包括位置信息和时间信息；若所述天线指向路径序列中的中继业务数为n，则|v|＝2n+2，且所述节点包括：所述天线指向路径序列的开始节点、所述天线指向路径序列的结束节点、以及各个所述中继业务的开始节点和结束节点；a表示天线指向路径集合，所述天线指向路径集合包括业务处理路径和天线设置路径；
99.(2)天线集合k，包括单址天线集合k
sa
和多址天线集合k
ma
的并集；
100.(3)单址天线sa设置的指向速度v
sa
；
101.(4)多址天线ma设置时间t
ma
，为一常数；
102.(5)业务优先级的集合q＝{1,
…
,q,
…
,|q|}，|q|≥1，|q|表示中继业务的总数，对于每个中继业务i，均有一个预设的优先级qi，并且qi≥1；
103.(6)业务优先级对应的收益集合λ＝{λ1,
…
,λq,
…
,λ
|q|
}，λ1表示第一个优先级的收益，λq表示第q个优先级的收益，λ
|q|
表示最后一个优先级的收益，对于每个中继业务i，对应优先级的收益为λ
qi
，λ
qi
根据各个优先级的中继业务数量进行计算；
104.(7)中继业务集合n，用于根据各个优先级划分子集{n1,n2,
…
,n
|q|
}，即：n＝{n1,n2,
…
,n
|q|
}；若只有一个优先级，即|q|＝1，或者优先级为1，即q＝1，则λq＝1；否则n
γ
表示第γ个子集，λ
γ
表示第γ个子集对应的优先级；
105.(8)中继业务i的处理时间pi，其中，所述天线指向路径序列的开始节点的处理时间p0和所述天线指向路径序列的结束节点p
2n+1
的处理时间均为0；
106.(9)中继业务i的可用天线集合ki，由各个可用天线k组成，且每个中继业务的可用天线集合包括单址天线和/或多址天线；
107.(10)中继业务i的可用时间窗集合mi，中继业务i的第m个可用时间窗表示为在时间窗内，中继业务i对应的节点的位置由天线k的指向坐标确定，即
108.(11)不同的节点之间的路径指向关系，包含有所述有向图g(v,a)中的各节点的出度δ
+
和入度δ-。
109.具体来说，本技术将天线指向路径序列定义为天线坐标系下的有向图g(v,a)。v代表节点集，每个节点包括位置和时间信息。设序列中的业务数为n，则|v|＝2n+2。包括每个业务都的开始节点和结束节点和天线指向路径序列的开始节点和结束节点。a代表天线指向路径集合，包括业务处理路径和天线设置路径。
110.定义天线集合为k，而天线可分为单址天线(sa)和多址天线(ma)，分别用k
sa
和k
ma
表示，因此k＝k
sa
∪k
ma
。同时定义单址天线设置的指向速度为v
sa
。将多址天线设置时间设为常数t
ma
。
111.定义卫星中继业务集合为n。定义业务优先级的集合q＝{1,
…
,q,
…
,|q|}|q|≥1，业务优先级对应的收益集合λ＝{λ1,
…
,λq,
…
,λ
|q|
}。对于每个业务i,都有一个预设的优先级qi，并且qi≥1，对应优先级的收益为λ
qi
。其中λ
qi
需要根据各优先级的业务数量进行计算。业务可以根据其优先级，划分为若干子集，n＝{n1,n2,
…
,nq,
…
,n
|q|
}。当只有一个优先级或优先级为1，即q＝1 or|q|＝1,λq＝1。否则定义业务i的处理时间为pi，其中天线指向路径序列的开始节点和结束节点的处理时间均为0，即p0＝p
2n+1
＝0。定义业务i的可用天线集合为ki,每个业务的可用天线集合可以同时包括sa和ma。定义业务i的可用时间窗集合为mi。该业务的第m个可用时间窗表示为在时间窗内，业务节点的位置由天线k的指向坐标确定，利用有向图g中各节点的出度和入度来定义节点间的路径指向关系。如节点m的出度为δ
+
(m)＝{n:(m,n)∈a}。
节点n的入度为δ-(n)＝{m:(m,n)∈a}。
112.为了进一步提高天线指向坐标系模型的构建可靠性及应用有效性，在本技术实施例提供的一种卫星中继业务调度方法中，所述决策变量具体包含有如下内容：
113.(1)第一组变量，用于描述中继业务的处理顺序，表示为一个二元变量表示可用天线k上相邻的中继业务i和中继业务j的处理顺序；若中继业务i在中继业务j之前，则若中继业务i在中继业务j之后，则
114.(2)第二组变量，用于描述中继业务的关键时间，所述关键时间包括：中继业务i的开始时间结束时间和天线设置时间其中，天线设置时间表示当业务j的开始时间为时，天线k从业务i结束节点到业务j开始节点的天线设置时长；
115.(3)第三组变量，用于描述被调度的时间窗，表示为另一个二元变量表示在天线k上中继业务i的第m个可用时间窗的调度状态；若在天线k上中继业务i在第m个可用时间窗被处理，则否则，
116.具体来说，最后定义三组决策变量，描述最终的调度结果。定义三组决策变量，对总体的调度结果进行描述。第一组变量用于描述业务处理顺序，每一个二元变量表示天线k上相邻业务i,j的处理顺序。如果业务i在j之前则反之，第二组变量描述业务i的关键时间，包括：业务i的开始时间结束时间和天线设置时间和天线设置时间表示当业务j的开始时间为时，天线k从业务i结束节点到业务j开始节点的天线设置时长。第三组变量用于描述被调度的时间窗。定义了一个二元变量来描述在天线k上业务i的第m个可用时间窗的调度状态。如果在天线k上，业务i在它的第m个可用时间窗被处理，则否则，
117.为了进一步提高卫星中继业务调度问题模型的应用可靠性，在本技术提供的一种卫星中继业务调度方法的实施例中，参见图2，所述卫星中继业务调度方法中的步骤200具体包含有如下内容：
118.步骤210：以最大化中继业务调度总收益为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第一目标函数，并以最小化天线总设置时间为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第二目标函数；
119.步骤220：根据所述参数组和所述决策变量构建所述第一目标函数和所述第二目标函数对应的约束条件，以得到基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型。
120.具体来说，以最大化中继业务调度总收益为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第一目标函数，所述第一目标函数如公式(1)所示：
[0121][0122]
以最小化天线总设置时间为优化目标，根据所述参数组和所述决策变量构建第二
目标函数，第二目标函数如公式(2)所示：
[0123][0124]
根据所述参数组和所述决策变量构建所述第一目标函数和所述第二目标函数对应的约束条件，以得到基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型；
[0125]
其中，所述约束条件包括：
[0126]
第一约束，用于表示每项中继业务最多被一个天线处理一次，所述第一约束如公式(3)所示：
[0127][0128]
第二约束，用于表示每个用于调度的天线均是从指向路径序列的起点出发，最终到达指向路径序列的终点，所述第二约束如公式(4)和公式(5)所示：
[0129][0130][0131]
第三约束，用于表示一个天线在同一时间仅连续处理一项业务，所述第三约束如公式(6)所示：
[0132][0133]
第四约束，用于表示单址天线sa的两个连续业务之间的动态设置时间，所述第四约束如公式(7)所示：
[0134][0135]
其中，表示中继业务j对应的节点，在业务j开始时间，由天线k确定的指向位置坐标；表示中继业务i对应的节点，在业务结束时间，由天线k确定的指向位置坐标；
[0136]
第五约束，用于表示中继业务的开始时间、处理时间和天线设置时间之间的关系，所述第五约束如公式(8)所示：
[0137][0138]
其中，表示天线设置时间；表示中继业务j的开始时间；
[0139]
第六约束，用于表示可用时间窗约束，所述第六约束如公式(9)所示：
[0140][0141]
以及，第七约束，用于表示包含多个可用时间窗的中继业务仅在其中一个时间窗内进行，所述第七约束如公式(10)所示：
[0142][0143]
具体来说，本技术所提出的问题模型有两个层次的目标，最大化中继业务的总收益和最小化天线设置总时长。
[0144][0145][0146]
约束条件：
[0147][0148][0149][0150][0151][0152][0153][0154][0155]
公式(3)表示每项业务最多被一个天线处理一次。公式(4)和公式(5)表示每个可用于调度的天线都是从指向路径序列的起点出发，并最终到达指向路径序列的终点。公式(6)表示一个天线在同一时间只能处理一项业务，并且保持连续。公式(7)规定了sa天线两个连续业务之间的动态设置时间，而ma天线的设置时间是常数t
ma
。公式(8)基于连续业务的要求，规定了开始时间、处理时间和天线设置时间之间的关系。公式(9)可用时间窗约束，业务处理的整个过程要在其可用时间窗内完成。公式(10)保证了包含多个可用时间窗的业务，只会在其中一个时间窗内进行。
[0156]
为了进一步提卫星中继业务调度方案的优化可靠性及有效性，在本技术提供的一种卫星中继业务调度方法的实施例中，参见图2，所述卫星中继业务调度方法中的步骤300,具体包含有如下内容：
[0157]
步骤310：筛选及校验步骤：应用所述卫星中继业务调度问题模型并基于预设的分层筛选策略在当前的各个所述中继业务中分层筛选一个目标中继业务；基于预设的校验策略对所述目标中继业务进行校验，若校验通过则将该目标中继业务插入调度，其中，所述校验策略包括：插入可行性检验和时间推进可行检验。
[0158]
步骤320：在当前的各个所述中继业务中删除所述目标中继业务，然后重复执行所述筛选及校验步骤，直至生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列，并将该目标天线指向路径序列确定为卫星中继业务调度方案。
[0159]
步骤330：输出所述卫星中继业务调度方案。
[0160]
具体来说，参见图5，本技术所提出的算法基于动态设置时间进行业务调度中，通过分层筛选选出具有最高调度优先级的中继业务，对通过了可行性验证的业务进行插入，重复过程直到所有业务都被遍历，最终生可行的调度方案。
[0161]
1.分层筛选
[0162]
本技术提出的分层筛选共包括以下四层：
[0163]
1)第一层:基于优先级进行筛选。由于调度尽可能多的高优先级业务是问题模型中的两个优化目标之一，所以优先级越高的业务优先调度。
[0164]
2)第二层:基于业务支持的天线类型进行筛选。ma天线的设置时间通常比sa天线小得多，所以优先调度支持ma天线的业务。如果一个业务同时支持两种天线的处理，则先基于ma进行调度，如果调度失败，再基于sa进行调度。
[0165]
3)第三层:天线类型相同，则基于业务可用的天线数量进行筛选。具有较少可用天线的业务的容错率较小，将被优先调度。
[0166]
4)如果通过上述的定性筛选无法确定唯一业务，则通过定量的计算比较业务的调度收益，择优完成最终的插入调度。
[0167]
2.可行性检验
[0168]
经过上述的分层筛选后，即将被插入调度的业务还要经过两层可行性检验：插入可行性和时间推进可行性。前者通过迭代计算检验当前业务是否存在可行的天线设置时间和业务开始时间。后者通过检查当前插入业务对是否会影响已调度业务序列的可行性。
[0169]
a.插入可行性检验算法
[0170]
当在一条部分构建的天线路径序列上插入一个业务u到业务i之后的位置时，业务u的开始时间可以通过下面公式计算：
[0171][0172]
其中分别对应于业务u的时间窗开始时间，业务i的开始时间和处理时间，以及从i到u的天线设置时间。在这种情况下，基于和之间具有明显的迭代关系，本技术改进了插入启发式算法中的静态条件以适应我们的动态问题，并在问题模型中建立了迭代关系，提出了用于检验业务插入可行性并计算动态天线设置时间和业务开始时
间的算法。
[0173]
图6举例说明了在天线k当前指向路径序列中插入u时，业务u的开始时间和业务i与业务u之间的设置时间的计算模型。对于天线k有两条可能的指向路径，即天线设置路径1和天线设置路径2。路径的起点都是业务i的结束节点，用a1表示。对于天线设置路径1，目的地b为业务u在其第m个可视窗起点的位置。天线到达b1的时间不能晚于时间窗的开始时间。但是如果天线无法早于b1点到达，则需要考虑天线设置路径2，它在瞬时时间尽可能早地与业务u的可见窗口内的指向路线相交，该点用c1表示。
[0174]
需要注意的是，虽然天线设置路径1比天线设置路径2更省时，但是天线设置路径1需要满足：业务u的开始时间等于可视时间窗的开始时间否则需要考虑天线设置路径2，通过迭代的计算来确定开始时间和设置时间，直到其中，δt是调度的最小时间单位。插入可行性检验算法如算法1。
[0175]
其中，插入可行性检验算法如表1所示。
[0176]
表1
[0177]
[0178][0179]
b.时间推进可行性检验
[0180]
任务的插入可能会导致后续任务的开始时间产生延迟，对后续任务造成连锁式的影响。
[0181]
在一个部分构建的天线指向路径序列上,一个新的任务u在任务i和i+1之间的插入，设任务i+1的新的开始时间为定义任务i+1的延迟为如果d
i+1
》0，任务i+1及之后的一些任务可能就会变成不可行的状态。因此，应依次检查后续任务的时间可行性，直到某个任务r时，dr＝0。因此新任务u的时间推进可行的充分必要条件为：
[0182][0183]
该约束保证了每次任务插入不会改变已有的调度方案的调度顺序和可行性。
[0184]
综上所述，本技术实施例提供的卫星中继业务调度方法，建立了天线指向坐标系模型，对天线的指向方位进行了空间建模，从而为计算业务的天线设置时间进而优化调度方案提供基础；建立了基于天线动态设置时间的卫星中继业务调度问题模型，将调度问题转换为天线坐标系下的天线指向路径的优化问题，设定了最大化业务调度总收益和最小化天线准备总时长的优化目标，求解优化的天线指向路径序列作为调度方案；提出了基于动态天线设置时间和可拆分业务的卫星中继业务调度和优化算法。算法基于动态天线设置时间生成初始调度方案，然后重新调度初始调度中失败的可拆分业务，优化调度结果。
[0185]
基于此，本技术实施例提供的卫星中继业务调度方法，能够显著的提升卫星网络资源的利用率，提升中继业务调度的收益。本发明具有以下优点：
[0186]
1.提出天线指向坐标系，从空间角度完善了中继业务的特征，为动态计算天线准备时间提供基础。
[0187]
2.与传统中继业务调度算法相比，本技术所提出的基于动态天线设置时间的中继业务调度方法更符合真实的网络环境，进一步提升了系统资源的利用率和业务调度的效率。
[0188]
从软件层面来说，本技术还提供一种用于执行所述卫星中继业务调度方法中全部或部分内的卫星中继业务调度装置，参见图7，所述卫星中继业务调度装置具体包含有如下内容：
[0189]
坐标系建模模块10，用于对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型。
[0190]
调度问题建模模块20，用于以最大化中继业务调度总收益和最小化天线总设置时间为优化目标，构建基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度问题模型。
[0191]
调度优化模块30，用于应用所述卫星中继业务调度问题模型，基于预设的分层筛选及校验策略生成包含有各个中继业务对应的目标天线指向路径序列的卫星中继业务调度方案。
[0192]
本技术提供的卫星中继业务调度装置的实施例具体可以用于执行上述实施例中的卫星中继业务调度方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述卫星中继业务调度方法实施例的详细描述。
[0193]
所述卫星中继业务调度装置进行卫星中继业务调度的部分可以在服务器中执行，而在另一种实际应用情形中，也可以所有的操作都在客户端设备中完成。具体可以根据所述客户端设备的处理能力，以及用户使用场景的限制等进行选择。本技术对此不作限定。若所有的操作都在所述客户端设备中完成，所述客户端设备还可以包括处理器，用于卫星中继业务调度的具体处理。
[0194]
上述的客户端设备可以具有通信模块(即通信单元)，可以与远程的服务器进行通信连接，实现与所述服务器的数据传输。所述服务器可以包括任务调度中心一侧的服务器，其他的实施场景中也可以包括中间平台的服务器，例如与任务调度中心服务器有通信链接的第三方服务器平台的服务器。所述的服务器可以包括单台计算机设备，也可以包括多个服务器组成的服务器集群，或者分布式装置的服务器结构。
[0195]
上述服务器与所述客户端设备端之间可以使用任何合适的网络协议进行通信，包括在本技术提交日尚未开发出的网络协议。所述网络协议例如可以包括tcp/ip协议、udp/ip协议、http协议、https协议等。当然，所述网络协议例如还可以包括在上述协议之上使用的rpc协议(remote procedure call protocol，远程过程调用协议)、rest协议(representational state transfer，表述性状态转移协议)等。
[0196]
从上述描述可知，本技术实施例提供的卫星中继业务调度装置，考虑动态天线设置时间，对天线的指向方位进行空间上建模与描述，通过对目标中继卫星的天线的指向方位进行空间建模，得到天线指向坐标系模型，能够全面且有效地描述中继业务特征，能够为计算中继业务的天线设置时间以及进一步优化调度方案提供有效且可靠的基础；以最大化业务调度总收益和最小化总天线设置时间为优化目标，构建了基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度算法，将中继业务从单一的时间特征向时空特征转变，设计算法完成动态天线设置时间的计算，能够有效提高卫星中继业务调度的灵活度及有效性，能够提高成功调度中继业务数，能够有效提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率；通过提出基于动态天线设置时间和可拆分业务的卫星中继业务调度和优化算法，更符合真实的网络环境，能够进一步提升卫星资源的利用率和中继业务调度的效率。
[0197]
为了进一步说明本方案，本技术还提供一种基于动态天线设置时间的卫星中继业务调度方法的具体应用实例，本技术应用实例中的中继业务调度算法通过java编码实现。构建了一个调度周期为1天，由2颗中继卫星和若干用户航天器的中继任务调度场景。每颗卫星有两个单址天线(sa)和一个多址天线(ma)。基于经典卫星网络操作场景的五种类型的数据集进行扩展，随机生成5种类型的数据集，每类数据集都将针对6个天线生成400个任务。任务时间窗的生成则主要是根据随机生成的处理时间和时间窗紧度进行计算。有5种数据集类型：1.处理时间短，时间窗松散(spltw)；2.处理时间短，时间窗紧凑(spttw)；3.处理时间长，时间窗松散(lpltw)；4.处理时间长，时间窗紧凑(lpttw)；5.随机实例(rand)。
[0198]
基于以上数据集的设置，从多角度对算法性能进行实验验证。在实验中，总任务调度数量、总任务处理时间、总天线设置时间、有效时间窗使用率和拆分调度数量是实验评估的主要指标。其中有效时间窗使用率＝任务总处理时间/(总天线设置时间+任务总处理时间)。
[0199]
本研究基于天线设置时间的配置方式，并将本技术提出的动态天线设置时间调度方法与理想天线设置时间调度和静态天线设置时间调度进行比较。其中，理想天线设置时
间调度中，天线设置时间为0，即一个任务结束后，另一任务可以立即开始，将其作为最优的调度基准。静态天线设置时间，则是设置合理的静态的天线设置时长，使其保证较多任务调度的连续性。
[0200]
如图8至图11所示，与静态天线设置时间调度算法相比，本技术提出的基于动态天线设置的算法在所有的任务集类型下的任务调度数量和任务执行总时长都更接近于理想状态的下最优的调度基准。基于动态天线设置时间的调度显著降低了天线设置的总时长，有效时间窗利用率也大大提高。
[0201]
从数据集类型角度，处理时长较短的任务集spltw和spttw的成功调度数量明优于处理时间较长的任务集lpltw和lpttw。在时间窗口紧度上，相同的处理时长的数据集中，时间窗紧凑的任务集成功调度的数量更多。spttw任务集在实验中的表现是最优的。
[0202]
本技术实施例还提供了一种电子设备(也即电子设备)，该电子设备可以包括处理器、存储器、接收器及发送器，处理器用于执行上述实施例提及的卫星中继业务调度方法，其中处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，以通过总线连接为例。该接收器可通过有线或无线方式与处理器、存储器连接。所述电子设备可自所述无线多媒体传感器网络中的传感器接收实时运动数据，并自所述视频采集装置接收原始视频序列。
[0203]
处理器可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0204]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本技术实施例中的卫星中继业务调度方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的卫星中继业务调度方法。
[0205]
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0206]
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述处理器执行时，执行实施例中的卫星中继业务调度方法。
[0207]
在本技术的一些实施例中，用户设备可以包括处理器、存储器和收发单元，该收发单元可包括接收器和发送器，处理器、存储器、接收器和发送器可通过总线系统连接，存储器用于存储计算机指令，处理器用于执行存储器中存储的计算机指令，以控制收发单元收发信号。
[0208]
作为一种实现方式，本技术中接收器和发送器的功能可以考虑通过收发电路或者收发的专用芯片来实现，处理器可以考虑通过专用处理芯片、处理电路或通用芯片实现。
[0209]
作为另一种实现方式，可以考虑使用通用计算机的方式来实现本技术实施例提供
的服务器。即将实现处理器，接收器和发送器功能的程序代码存储在存储器中，通用处理器通过执行存储器中的代码来实现处理器，接收器和发送器的功能。
[0210]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述卫星中继业务调度方法的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
[0211]
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本技术的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
[0212]
需要明确的是，本技术并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本技术的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本技术的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0213]
本技术中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0214]
以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术实施例可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。