本發(fā)明涉及一種航天測控領(lǐng)域中，站網(wǎng)資源調(diào)度方法，特別是支持測控數(shù)傳一體化規(guī)劃和衛(wèi)星雙天線任務(wù)能力的啟發(fā)式規(guī)則的處理方法和實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

站網(wǎng)資源分配和調(diào)度的目標(biāo)是在指定的調(diào)度時間段內(nèi)，根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)需求，合理有效地分配各個地面站的資源，以解決日趨嚴(yán)重的“多星沖突”問題。通常對衛(wèi)星任務(wù)需求分配地面資源及衛(wèi)星弧段的過程就是對衛(wèi)星任務(wù)需求進行調(diào)度的過程。衛(wèi)星任務(wù)需求及衛(wèi)星弧段是研究站網(wǎng)資源調(diào)度問題的基礎(chǔ)，是調(diào)度的基本對象。衛(wèi)星任務(wù)需求是用戶根據(jù)所需信息針對衛(wèi)星任務(wù)提出的系列要求的集合體，包括信息的時效性、數(shù)據(jù)量、實施任務(wù)的衛(wèi)星和地面站網(wǎng)各資源等要求。只有分配的地面資源及衛(wèi)星弧段滿足這些要求，才能認(rèn)為衛(wèi)星任務(wù)需求得到滿足。當(dāng)?shù)孛尜Y源有限或者大量衛(wèi)星任務(wù)需求之間存在沖突導(dǎo)致無法完全滿足所有衛(wèi)星任務(wù)需求時，地面資源及衛(wèi)星弧段的分配就成為一個非常復(fù)雜的問題，這就是站網(wǎng)資源調(diào)度問題。具體而言，站網(wǎng)資源調(diào)度問題指的是為了最大限度滿足用戶對衛(wèi)星測控、數(shù)傳需要，根據(jù)用戶提出的衛(wèi)星任務(wù)需求，在一定的約束和假設(shè)條件下，利用某種調(diào)度規(guī)則或調(diào)度算法為衛(wèi)星任務(wù)分配地面資源及衛(wèi)星弧段。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量較少，衛(wèi)星任務(wù)需求也較少時，對站網(wǎng)資源的調(diào)度采用人工方式即可。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量較多，衛(wèi)星任務(wù)需求較多時，僅靠人工方式已難以完成，必須實施自動化調(diào)度。在衛(wèi)星任務(wù)需求較多，而地面資源相對不足的情況下，如何實現(xiàn)地面資源的優(yōu)化，實現(xiàn)站網(wǎng)資源的合理調(diào)度是亟需解決的重要問題。由于衛(wèi)星在任務(wù)過程中存在競爭資源的現(xiàn)象，加上資源服務(wù)能力的限制，進而導(dǎo)致任務(wù)間沖突的存在。任務(wù)間的沖突是站網(wǎng)資源調(diào)度問題調(diào)度困難的癥結(jié)所在。在站網(wǎng)資源調(diào)度過程中，為任務(wù)選擇衛(wèi)星弧段的同時，如何消解任務(wù)間的沖突，成為問題有效解決的關(guān)鍵。從這一點上看，站網(wǎng)資源調(diào)度過程又成為一個沖突消解的過程。明確可用衛(wèi)星弧段及地面站資源、衛(wèi)星間的沖突成為解決站網(wǎng)資源調(diào)度問題的關(guān)鍵。目前，我國站網(wǎng)資源調(diào)度都是根據(jù)不同任務(wù)類型(遙測遙控、數(shù)傳)單獨進行規(guī)劃，沒有形成統(tǒng)一的測控數(shù)傳一體化規(guī)劃方法?，F(xiàn)有的站網(wǎng)資源調(diào)度方法僅支持同一類型的任務(wù)，當(dāng)用戶提出多種任務(wù)類型的需求時，不同類型的需求使用相應(yīng)的規(guī)劃方法，其處理流程較復(fù)雜，同時可能造成調(diào)度方案的目標(biāo)函數(shù)值較差。同時，新型的衛(wèi)星具備同時對兩個異地天線工作的雙天線能力，而現(xiàn)有站網(wǎng)資源調(diào)度方法僅支持單天線衛(wèi)星的資源調(diào)度，無法實現(xiàn)單天線衛(wèi)星和雙天線衛(wèi)星的統(tǒng)一調(diào)度。

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展,由于衛(wèi)星發(fā)射頻率增加、在軌運行壽命延長等原因,在軌運行的中低軌道衛(wèi)星數(shù)量日益增多,以至逐漸形成多星同時過境,且衛(wèi)星相繼過境時間間隔短的態(tài)勢。地面測控站卻不能與衛(wèi)星成比例的增加,導(dǎo)致目前星多站少、測控資源緊張日益突出?，F(xiàn)有技術(shù)根據(jù)多星測控中用戶提出的不確定性任務(wù)的特點，建立多星調(diào)度基于不確定性任務(wù)的數(shù)學(xué)模型。提出任務(wù)支持時間最大化作為啟發(fā)式準(zhǔn)則，以及弧段分割法調(diào)整測控資源沖突。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合資源均衡原則和衛(wèi)星優(yōu)先級策略.提出了基于不確定性任務(wù)的多星調(diào)度啟發(fā)式算法。啟發(fā)式算法處理許多實際問題時通常可以在合理時間內(nèi)得到不錯的答案。有時候人們會發(fā)現(xiàn)在某些特殊情況下，啟發(fā)式算法會得到很壞的答案或效率極差，有一類的通用啟發(fā)式策略稱為元啟發(fā)式算法(metaheuristic)，通常使用亂數(shù)搜尋技巧?？梢詰?yīng)用在非常廣泛的問題上，但不能保證效率。在這里啟發(fā)式指的是一個在一個搜尋樹的節(jié)點上定義的函數(shù)h(n)，用于評估從此節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點最便宜的路徑。啟發(fā)式通常用于資訊充份的搜尋算法。啟發(fā)式搜索就是在狀態(tài)空間中的搜索對每一個搜索的位置進行評估，得到最好的位置，再從這個位置進行搜索直到目標(biāo)。元啟發(fā)式算法中模擬自然過程的算法或理論通稱為“智能算法”，智能算法也有人稱之為“軟計算”，是們受自然(生物界)規(guī)律的啟迪，根據(jù)其原理，模仿求解問題的算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種處理流程簡單，能夠減少邏輯運算量，能對遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)統(tǒng)一進行規(guī)劃，能夠支持多用戶測控數(shù)傳一體化需求、支持衛(wèi)星雙天線工作模式、支持多星多站長期任務(wù)規(guī)劃，并且支持單天線衛(wèi)星和雙天線衛(wèi)星聯(lián)合規(guī)劃的站網(wǎng)資源調(diào)度方法。

本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到：一種測控數(shù)傳一體化站網(wǎng)資源調(diào)度方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)需求匯總預(yù)處理：根據(jù)匯總用戶需求和衛(wèi)星可用天線，生成對應(yīng)每個衛(wèi)星的總?cè)蝿?wù)時長需求、遙測遙控總時長需求、數(shù)傳總時長需求、遙測遙控和數(shù)傳任務(wù)時限，整理出可用衛(wèi)星弧段，將遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)需求統(tǒng)一匯總；

(2)弧段標(biāo)注預(yù)處理：根據(jù)衛(wèi)星過站弧段的升/降軌屬性對衛(wèi)星弧段進行升/降軌周期性標(biāo)注預(yù)處理，將衛(wèi)星弧段劃分為不同周期，且同周期編號的衛(wèi)星弧段處于同一時間范圍，并根據(jù)需求和天線能力對弧段任務(wù)能力進行標(biāo)注，在弧段中標(biāo)注其否具備遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)能力生成弧段集合；

(3)弧段分配：根據(jù)衛(wèi)星弧段排序和弧段集合，使用智能算法搜索所有衛(wèi)星最優(yōu)弧段排序，對智能算法每次生成的弧段排序，調(diào)用以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法,以升/降軌周期為單位對每顆衛(wèi)星弧段進行規(guī)劃，通過衛(wèi)星弧段的復(fù)制和復(fù)制后弧段的關(guān)聯(lián)處理完成弧段分配，在弧段分配中對同一衛(wèi)星升/降軌周期內(nèi)弧段集合進行沖突消解，通過冗余約束控制和二次弧段分配計算弧段處理順序下的調(diào)度方案和目標(biāo)函數(shù)值，對測控/數(shù)傳任務(wù)時長和任務(wù)分配均衡程度進行評估，并將目標(biāo)函數(shù)值和調(diào)度方案返回至智能算法，在滿足智能算法終止條件時輸出目標(biāo)函數(shù)值最高的調(diào)度方案。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

處理流程簡單。本發(fā)明使用需求匯總預(yù)處理、弧段標(biāo)注預(yù)處理、弧段分配三個步驟生成站網(wǎng)資源方案，弧段標(biāo)注預(yù)處理根據(jù)用戶需求和地面站天線能力，將遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)能力標(biāo)注于弧段中，在弧段分配時根據(jù)時效性約束對分配邏輯進行控制，并在產(chǎn)生調(diào)度方案后對需求的滿足程度進行評估。

減少了邏輯運算量。本發(fā)明通過弧段標(biāo)注預(yù)處理，根據(jù)弧段的時間信息和升降軌標(biāo)識，將弧段劃分為不同周期，弧段分配通過弧段主備處理和關(guān)聯(lián)處理，無需維護衛(wèi)星每一天線的工作時間軸。在弧段分配中僅對同一衛(wèi)星該周期內(nèi)弧段集合進行沖突消解，在保證沖突消解正確性的同時減少了邏輯運算量。通過不同的弧段關(guān)聯(lián)處理邏輯保證單天線衛(wèi)星和雙天線衛(wèi)星的調(diào)度方案正確性。

能對遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)統(tǒng)一進行規(guī)劃，并且支持單天線衛(wèi)星和/或雙天線衛(wèi)星聯(lián)合規(guī)劃。本發(fā)明按匯總用戶需求，生成對應(yīng)每個衛(wèi)星的總?cè)蝿?wù)時長需求、遙測遙控總時長需求、數(shù)傳總時長需求、遙測遙控和數(shù)傳任務(wù)時限；根據(jù)衛(wèi)星過站弧段的升/降軌屬性對衛(wèi)星弧段進行升/降軌周期性標(biāo)注預(yù)處理，并根據(jù)需求和天線能力對弧段任務(wù)能力進行標(biāo)注，生成弧段集合，整理可用衛(wèi)星弧段；弧段分配根據(jù)衛(wèi)星弧段排序和弧段集合，以升/降軌周期為單位對每顆衛(wèi)星弧段進行規(guī)劃，通過弧段主備處理和關(guān)聯(lián)處理后進行沖突消解方式支持衛(wèi)星雙天線任務(wù)規(guī)劃，在弧段分配中根據(jù)衛(wèi)星需求使用時效性約束、測控/數(shù)傳任務(wù)時長約束、冗余約束進行控制并輸出調(diào)度方案。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明測控數(shù)傳一體化站網(wǎng)資源調(diào)度的簡要處理流程圖。

圖2是本發(fā)明以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法流程圖。

下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。

具體實施方式

參閱圖1。根據(jù)本發(fā)明，使用需求匯總預(yù)處理、弧段標(biāo)注預(yù)處理、弧段分配三個步驟生成站網(wǎng)資源方案：

(1)需求匯總預(yù)處理：根據(jù)匯總用戶需求和衛(wèi)星可用天線，生成對應(yīng)每個衛(wèi)星的總?cè)蝿?wù)時長需求、遙測遙控總時長需求、數(shù)傳總時長需求、遙測遙控和數(shù)傳任務(wù)時限，整理出可用衛(wèi)星弧段，將遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)需求統(tǒng)一匯總；

(2)弧段標(biāo)注預(yù)處理：根據(jù)衛(wèi)星過站弧段的升/降軌屬性對衛(wèi)星弧段進行升/降軌周期性標(biāo)注預(yù)處理，將衛(wèi)星弧段劃分為不同周期，且同周期編號的衛(wèi)星弧段處于同一時間范圍，并根據(jù)需求和天線能力對弧段任務(wù)能力進行標(biāo)注，在弧段中標(biāo)注其否具備遙測遙控、數(shù)傳任務(wù)能力生成弧段集合；

(3)弧段分配：根據(jù)衛(wèi)星弧段排序和弧段集合，使用智能算法搜索所有衛(wèi)星最優(yōu)弧段排序，對智能算法每次生成的弧段排序，調(diào)用以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法,以升/降軌周期為單位對每顆衛(wèi)星弧段進行規(guī)劃，通過衛(wèi)星弧段的復(fù)制和復(fù)制后弧段的關(guān)聯(lián)處理完成弧段分配，在弧段分配中對同一衛(wèi)星升/降軌周期內(nèi)弧段集合進行沖突消解，通過冗余約束控制和二次弧段分配計算弧段處理順序下的調(diào)度方案和目標(biāo)函數(shù)值，對測控/數(shù)傳任務(wù)時長和任務(wù)分配均衡程度進行評估，并將目標(biāo)函數(shù)值和調(diào)度方案返回至智能算法，在滿足智能算法終止條件時輸出目標(biāo)函數(shù)值最高的調(diào)度方案。在完成所有衛(wèi)星每個周期的分配后，選出沒達到用戶需求的衛(wèi)星，將該衛(wèi)星所有未分配弧段匯總后再次分配，二次弧段分配是確定性啟發(fā)式算法的內(nèi)容，最后生成的結(jié)果包括方案和目標(biāo)函數(shù)值，返回給智能算法。確定性啟發(fā)式算法是內(nèi)核算法，智能算法是外部調(diào)用方法。

在確定性啟發(fā)式算法中，以升/降軌周期為單位對每顆衛(wèi)星弧段進行規(guī)劃。在每一周期根據(jù)衛(wèi)星需求使用時效性約束控制本周期內(nèi)衛(wèi)星分配任務(wù)的數(shù)量或時間；在弧段分配時根據(jù)時效性約束對分配邏輯進行控制，并在產(chǎn)生調(diào)度方案后對需求的滿足程度進行評估。所有約束控制、包括計算調(diào)度方案和目標(biāo)函數(shù)值計算都在確定性啟發(fā)式算法中實現(xiàn)，而智能算法只計算弧段的排序，即弧段分配的順序。

在所述步驟2的對衛(wèi)星過站弧段的標(biāo)注預(yù)處理中，首先將衛(wèi)星可用弧段按照衛(wèi)星id、過境天線、過境時間升序排序，分別標(biāo)注弧段在該衛(wèi)星該天線過境弧段中的排序序號，衛(wèi)星弧段在該衛(wèi)星所有天線過境弧段的排序序號；然后根據(jù)地面站任務(wù)能力，在衛(wèi)星可用弧段中標(biāo)注每條弧段是否具備數(shù)傳能力、遙測能力和遙控能力；最后對衛(wèi)星可用弧段的周期標(biāo)識項進行標(biāo)注，將衛(wèi)星規(guī)劃時間內(nèi)最早過境弧段的升降軌標(biāo)識，標(biāo)注為1，以衛(wèi)星規(guī)劃時間內(nèi)最早過境弧段為升軌為例，若衛(wèi)星規(guī)劃時間內(nèi)最早過境弧段對應(yīng)的天線的最近下一弧段為升軌，即與上一軌相同，標(biāo)注為1，否則標(biāo)注為2，以此類推，形成弧段集合。

在所述步驟3弧段分配的啟發(fā)式調(diào)度算法求解中，在每個升降軌周期，按照衛(wèi)星的弧段序列進行分配，以弧段a為例，弧段a分配后對弧段a所在弧段列表的其它所有弧段進行沖突校驗、沖突消解和關(guān)聯(lián)弧段標(biāo)注處理，分配至滿足時效性約束后，進入下一周期，以此類推。

當(dāng)該衛(wèi)星所有周期均滿足時效性約束后或無弧段可分配，按衛(wèi)星序列進入下一顆衛(wèi)星的弧段序列進行分配，以此類推完成所有衛(wèi)星首次分配。

首次分配完成后進入二次分配，對剩余未分配弧段進行分配，沖突消解和關(guān)聯(lián)弧段標(biāo)注處理，直至完成所有衛(wèi)星所有可分配弧段的分配，或達到測控/數(shù)傳任務(wù)時長約束條件和冗余分配約束條件。

在調(diào)用以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法計算方案和目標(biāo)函數(shù)值中，智能算法向確定性啟發(fā)式算法輸入總規(guī)劃時間長度t；每顆衛(wèi)星的任務(wù)時長需求ri＝{rai,rbi}，其中rai為衛(wèi)星i的測控任務(wù)時長需求，rbi為衛(wèi)星i的數(shù)傳任務(wù)時長需求；衛(wèi)星序號seq＝[1,2,…,n]，其中n為衛(wèi)星數(shù)量；每顆衛(wèi)星的弧段序號seqi＝[1,2,…,numi]，其中numi為衛(wèi)星i的弧段數(shù)量；衛(wèi)星雙天線工作能力標(biāo)識dflag、冗余控制系數(shù)α、過境衛(wèi)星序列s＝{s1,s2,…,sn}、地面站集合g＝{g1,g2,…,gn}和衛(wèi)星i的入境弧段序列ci＝{ci1,ci2,…,cik}，其中k為衛(wèi)星i的過境弧段數(shù)量；每一個衛(wèi)星的弧段ci1＝{ii1,oi1,qi1,sii1}，其中，ii1為衛(wèi)星i的入境時間，是弧段ci1的起始時間，oi1為衛(wèi)星i的出境時間，是弧段ci1的結(jié)束時間，qi1為弧段連續(xù)升/降軌周期序號，sii1為弧段的序列號。

在以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法計算后，向智能算法輸出目標(biāo)函數(shù)值f(x)和每顆衛(wèi)星的任務(wù)集合m，第i個衛(wèi)星任務(wù)集合mi＝{mi1,mi2,…,mik}，任務(wù)子集mi1＝{bi1,ei1,gi1}，其中bi1為任務(wù)mi1開始時間，ei1為結(jié)束時間，gi1為接收任務(wù)的地面站，當(dāng)滿足智能算法終止條件后，得到目標(biāo)函數(shù)值f(x)歷史最優(yōu)的方案。

參閱圖2。以弧段處理順序為驅(qū)動的確定性啟發(fā)式算法包括以下邏輯步驟：

(1)確定性啟發(fā)式算法復(fù)制并維護各衛(wèi)星主備弧段列表和弧段集合；

(2)按輸入的衛(wèi)星序列依次選擇衛(wèi)星規(guī)劃；

(3)確定性啟發(fā)式算法選擇第一個周期開始規(guī)劃；

(4)確定性啟發(fā)式算法判斷該周期是否存在未分配弧段，是則進入步驟(5)，否則進入步驟(11)；

(5)確定性啟發(fā)式算法按輸入的該衛(wèi)星弧段序列依次選擇弧段；

(6)判斷該弧段是否可分配，是則進入步驟(7)，否則進入步驟(12)；

(7)確定性啟發(fā)式算法對該弧段分配并進行沖突校驗，沖突弧段及其關(guān)聯(lián)弧段進行消解或標(biāo)記。確定性啟發(fā)式算法將弧段分配后，標(biāo)注關(guān)聯(lián)弧段不可分配。沖突校驗時，單天線衛(wèi)星對該周期弧段集合中弧段沖突部分進行沖突消解，雙天線衛(wèi)星根據(jù)該分配弧段的原始/復(fù)制屬性對相應(yīng)原始/復(fù)制弧段列表中弧段沖突部分進行沖突消解；

(8)確定性啟發(fā)式算法判斷該衛(wèi)星本周期是否滿足時效性約束，是則進入步驟(9)，否則進入步驟(4)；

(9)確定性啟發(fā)式算法判斷該衛(wèi)星是否存在下一周期，是則進入步驟(10)，否則進入步驟(13)；

(10)確定性啟發(fā)式算法選擇該衛(wèi)星的下一周期，即周期++，進入步驟(4)；

(11)確定性啟發(fā)式算法標(biāo)記該衛(wèi)星本周期不滿足時效性約束，進入步驟(9)；

(12)確定性啟發(fā)式算法標(biāo)記該弧段及關(guān)聯(lián)弧段為無法分配，進入步驟(4)；

(3)確定性啟發(fā)式算法判斷是否完成所有衛(wèi)星規(guī)劃，是則進入步驟(14)，否則進入步驟(15)；

(14)確定性啟發(fā)式算法判斷當(dāng)前分配情況是否滿足所有用戶需求，是則進入步驟(26)，否則進入步驟(16)；

(15)確定性啟發(fā)式算法將處理的衛(wèi)星序號加1，即衛(wèi)星++，進入步驟(2)；

(16)確定性啟發(fā)式算法判斷所有衛(wèi)星弧段中是否還有未分配的弧段，是則進入步驟(17)，否則進入步驟(26)；

(17)確定性啟發(fā)式算法依次選擇衛(wèi)星，整理該衛(wèi)星所有未分配弧段并將弧段周期標(biāo)注為相同；

(18)確定性啟發(fā)式算法判斷該衛(wèi)星分配任務(wù)總時長是否滿足總時長需求，是則進入步驟(19)，否則進入步驟(21)；

(19)確定性啟發(fā)式算法判斷是否存在不滿足總時長需求的衛(wèi)星，是則進入步驟(20)，否則進入步驟(21)；

(20)確定性啟發(fā)式算法將處理的衛(wèi)星序號加1，即衛(wèi)星++，進入步驟(14)；

(21)確定性啟發(fā)式算法判斷該衛(wèi)星是否存在未分配弧段，是則進入步驟(22)，否則進入步驟(25)；

(22)確定性啟發(fā)式算法按輸入的該衛(wèi)星弧段序列判斷下一弧段是否可分配，是則進入步驟(24)，否則進入步驟(23)；

(23)確定性啟發(fā)式算法標(biāo)記該弧段及關(guān)聯(lián)弧段為無法分配，進入步驟(21)；

(24)確定性啟發(fā)式算法對該弧段分配并進行沖突校驗，沖突弧段及其關(guān)聯(lián)弧段進行消解或標(biāo)記。確定性啟發(fā)式算法將弧段分配后，標(biāo)注關(guān)聯(lián)弧段不可分配。沖突校驗時，單天線衛(wèi)星對該周期弧段集合中弧段沖突部分進行沖突消解，雙天線衛(wèi)星根據(jù)該分配弧段的原始/復(fù)制屬性對相應(yīng)原始/復(fù)制弧段列表中弧段沖突部分進行沖突消解，進入步驟(20)；

(25)確定性啟發(fā)式算法記錄已分配的該衛(wèi)星總?cè)蝿?wù)時長和各類型任務(wù)總時長，進入步驟(20)；

(26)確定性啟發(fā)式算法根據(jù)已分配弧段計算目標(biāo)函數(shù)值，評估需求滿足情況；

(27)確定性啟發(fā)式算法輸出方案、衛(wèi)星任務(wù)序列和目標(biāo)函數(shù)值；

(28)算法結(jié)束。