多星多站数据下传调度方法和系统
阅读说明：本技术 多星多站数据下传调度方法和系统 (Multi-satellite multi-station data downloading scheduling method and system ) 是由 胡笑旋 唐玉芳 靳鹏 夏维 马华伟 唐奕城 罗贺 王国强 孙海权 王俊 程一玲 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种多星多站数据下传调度方法和系统,涉及卫星调度技术领域。本发明根据用户要求的成像请求截止时间要求,计算任务最晚下传结束时间,定义任务成像权重,并依据卫星下传时间窗进行聚类,选择可用的地面站进行数据下传。不同于以往研究中基于贪婪等规则进行数据下传调度,提出基于任务截止时间的下传调度策略,使得当前已规划任务下传时间灵敏度较低,提高了求解效率和效果。(The invention provides a multi-satellite multi-station data downloading scheduling method and system, and relates to the technical field of satellite scheduling. According to the imaging request deadline required by a user, the latest downloading end time of the task is calculated, the imaging weight of the task is defined, clustering is carried out according to a satellite downloading time window, and an available ground station is selected for data downloading. Different from data downloading scheduling based on greedy and other rules in the past research, a downloading scheduling strategy based on task deadline is provided, so that the sensitivity of the downloading time of the currently planned task is low, and the solving efficiency and effect are improved.)
技术领域
本发明涉及卫星调度技术领域，具体涉及一种多星多站数据下传调度方法和系统。
背景技术
多星多站集成调度涉及到多颗卫星、多个观测任务、多个地面站，是指在综合考虑卫星资源能力、地面接收站资源能力和用户需求的基础上，将资源无冲突地分配给相互竞争的多个需求对应的成像任务和数据下传任务，并确定各个任务的起止时间，以最大限度地满足用户的需求。
多星多站集成调度与单星调度相比，其主要区别在于，可能有多颗卫星对同一观测任务都有成像能力，因此观测任务的安排有更多选择。相对于非敏捷卫星只能在飞过目标上方才能成像的限制，敏捷卫星具有灵活的姿态机动能力，可以在前视、正视、后视情况下对目标进行成像，因而对成像时刻的选择有更多可能。由于星上存储有限，必须规划好数据下传方案，通常情况下，对于同一地面站可能出现多颗卫星对其可见，可见时间窗之间有重叠，需要确定卫星的下传顺序，甚至需要舍弃部分下传机会。同一地面站接收不同卫星的数据下传也需要一定的天线转换时间，因而问题求解复杂，对求解效率和效果提出了新的要求。
数据下传活动是在观测活动之后，卫星星上存储容量有限，当星上存储达到一定容量时，必须要安排数据下传任务；且数据下传任务消耗能量却不能带来收益，因此要控制数据下传次数，在满足用户需求的前提下，尽可能少的消耗星上能量，为卫星观测活动提供更多机会。
但是，现有的数据下传技术主要是在完成卫星观测任务规划后进行，容易出现地面站负载过高的情况。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多星多站数据下传调度方法和系统，解决了现有的数据下传技术是在完成卫星观测任务规划后进行，容易出现地面站负载过高的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种多星多站数据下传调度方法，包括：
S1、根据用户要求的成像请求的截止时间，确定任务最晚下传结束时间；
S2、设定待规划任务的成像权重，降序排列，并存放在任务集合中；
S3、从所述任务集合中依排列次序选择任务进行规划，根据所述任务最晚下传结束时间，确定所选择任务最晚观测结束时间，并基于所述任务最晚观测结束时间选择观测卫星；
S4、计算所述观测卫星的下传时间窗；
S5、将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗。
优选的，所述多星多站数据下传调度方法还包括：
S6、根据所述满足任务截止时间要求的下传时间窗，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数，为下传时间窗个数少的观测卫星安排下传区间；
S7、所述未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数相同时，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗竞争度，为下传时间窗竞争度低的观测卫星安排下传区间；
S8、检验同一地面站先后接收不同卫星的数据下传时，是否存在足够的转换时间，若是，生成下传调度方案；否则转入步骤S6。
优选的，所述步骤S2中设定待规划观测任务的成像权重，采用如下公式计算：
其中，wi表示任务权重，pi表示待规划观测任务的优先级，pi∈[1，10]，NT表示来自用户要求的成像请求总数。
优选的，所述任务集合中若干待规划观测任务成像权重相同时，分别选择后计算当前已规划观测任务下传时间灵敏度，选择最小灵敏度对应的任务进行规划。
优选的，所述下传时间灵敏度，采用如下公式表示：
其中，表示下传时间灵敏度，nT表示当前已规划观测任务数，Ldei表示任务ti最晚下传结束时间，Loei表示任务ti最晚观测结束时间，w表示按一定步长将观测卫星Sj在第k个轨道圈次上对任务ti的可见时间窗离散为多个可见时间窗的个数，表示和任务ti在卫星Sj的第k个轨道圈次上的第l个可见时间窗相对应的观测时间窗的结束时间。
优选的，所述步骤S5中将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗，具体包括：
将已规划观测任务按下传时间窗DWmj k＝(dsk mj，dek mj)进行聚类，聚类满足：使得聚成的类数不超过观测卫星Sj对地面站的下传时间窗个数；如果不满足，则依次删除成像权重最低的任务，直到满足要求为止，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗；
其中dsk mj、dek mj分别表示下传时间窗开始时间和下传时间窗结束时间，Ldei表示任务ti最晚下传结束时间，Loei表示任务ti最晚观测结束时间。
优选的，所述步骤S6中根据所述满足任务截止时间要求的下传时间窗，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数，具体包括：
计算未规划下传的卫星Sj下传时间窗个数，升序排列；卫星Sj的下传时间窗个数表示为：
其中，zj表示卫星Sj的下传时间窗个数，NG表示地面站数量，Oj N表示将规划周期T按步长T/Oj N划分为Oj N个轨道圈次，yk mj表示二元变量，取1时表明卫星Sj在其第k个轨道圈次可对地面站m进行数据下传，取0表明不下传，NS表示观测卫星数量。
优选的，所述步骤S7中下传时间窗竞争度，采用如下公式表示：
其中，Cont(DWmj k)表示下传时间窗竞争度，Dt(DWmj′ k′)表示在当前时刻t，卫星Sj在对地面站m进行数据下传时间区间内所有可能下传的卫星Sj′的下传任务集，yk′ mj′表示二元变量，为1时表示卫星Sj′在第k′个轨道圈次上对地面站m进行数据下传。
优选的，所述步骤S8中检验同一地面站先后接收不同卫星的数据下传时，是否存在足够的转换时间，若是，生成下传调度方案，具体包括：
同一地面站m在先后接收两颗不同卫星的数据下传时，需要有足够的转换时间：
其中，pmjj′表示二元变量，为1表示卫星Sj′紧随卫星Sj在第m个地面站进行数据下传，否则为0，表示地面站m接收两颗不同卫星下传的过渡时间是，dek mj、dsk′ mj′分别表示下传时间窗DWmj k结束和下传时间窗DWmj′ k′的开始时间。
一种多星多站数据下传调度系统，包括：
确定模块，用于根据用户要求的成像请求的截止时间，确定任务最晚下传结束时间；
排序模块，用于设定待规划任务的成像权重，降序排列，并存放在任务集合中；
选择模块，用于从所述任务集合中依排列次序选择任务进行规划，根据所述任务最晚下传结束时间，确定所选择任务最晚观测结束时间，并基于所述任务最晚观测结束时间选择观测卫星；
计算模块，用于计算所述观测卫星的下传时间窗；
聚类模块，用于将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗。
(三)有益效果
本发明提供了一种多星多站数据下传调度方法和系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明根据用户要求的成像请求截止时间要求，计算任务最晚下传结束时间，定义任务成像权重，并依据卫星下传时间窗进行聚类，选择可用的地面站进行数据下传。不同于以往研究中基于贪婪等规则进行数据下传调度，提出基于任务截止时间的下传调度策略，使得当前已规划任务下传时间灵敏度较低，提高了求解效率和效果。
附图说明
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。
图1为本发明实施例提供的一种多星多站数据下传调度方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多星多站数据下传调度系统结构框图。
具体实施方式
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。
本申请实施例通过提供一种多星多站数据下传调度方法和系统，解决了现有的数据下传技术是在完成卫星观测任务规划后进行，容易出现地面站负载过高的技术问题，提高了多星多站数据下传调度求解效率和效果。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例根据用户要求的成像请求截止时间要求，计算任务最晚下传结束时间，定义任务成像权重，并依据卫星下传时间窗进行聚类，选择可用的地面站进行数据下传。不同于以往研究中基于贪婪等规则进行数据下传调度，提出基于任务截止时间的下传调度策略，使得当前已规划任务下传时间灵敏度较低，提高了求解效率和效果。
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。
本发明实施例提供了一种多星多站数据下传调度方法，包括：
S1、根据用户要求的成像请求的截止时间，确定任务最晚下传结束时间；
S2、设定待规划任务的成像权重，降序排列，并存放在任务集合中；
S3、从所述任务集合中依排列次序选择任务进行规划，根据所述任务最晚下传结束时间，确定所选择任务最晚观测结束时间，并基于所述任务最晚观测结束时间选择观测卫星；
S4、计算所述观测卫星的下传时间窗；
S5、将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗。
本发明实施例不同于以往研究中基于贪婪等规则进行数据下传调度，提出基于任务截止时间的下传调度策略，使得当前已规划任务下传时间灵敏度较低，提高了求解效率和效果。
实施例1：
第一方面，如图1所示，本发明实施例提供了一种多星多站数据下传调度方法，具体包括：
S1、根据用户要求的成像请求的截止时间，确定任务最晚下传结束时间。
将用户要求的成像请求的截止时间dti，设为观测任务最晚下传结束时间Ldei的上界，即有Ldei≤dti。
S2、设定待规划任务的成像权重，降序排列，并存放在任务集合中。
所述设定待规划观测任务的成像权重，采用如下公式计算：
其中，wi表示任务权重，pi表示待规划观测任务的优先级，pi∈[1,10]，任务优先级通常根据用户需求直接得到，pi越大代表该任务重要性越高，NT表示来自用户要求的成像请求总数。
S3、从所述任务集合中依排列次序选择任务进行规划，根据所述任务最晚下传结束时间，确定所选择任务最晚观测结束时间，并基于所述任务最晚观测结束时间选择观测卫星。
从任务集合Q中依排列次序选择任务ti，计算任务ti的最晚观测结束时间Loei，Loei＜Ldei，依据Loei选择卫星Sj，计算观测时间窗。
当所述任务集合中若干待规划观测任务成像权重相同时，分别选择后计算当前已规划观测任务下传时间灵敏度，选择最小灵敏度对应的任务进行规划。
所述下传时间灵敏度，采用如下公式表示：
其中，表示下传时间灵敏度，nT表示当前已规划观测任务数，Ldei表示任务ti最晚下传结束时间，Loei表示任务ti最晚观测结束时间，w表示按一定步长将观测卫星Sj在第k个轨道圈次上对任务ti的可见时间窗离散为多个可见时间窗的个数，表示和任务ti在卫星Sj的第k个轨道圈次上的第l个可见时间窗相对应的观测时间窗的结束时间。
S4、计算所述观测卫星的下传时间窗。
计算观测卫星Sj的下传时间窗，并按下传开始时间升序排列。将规划周期T按步长T/Oj N划分为Oj N个轨道圈次，得出观测卫星Sj(j＝1，...，NS)在第k(k＝1，...，Oj N)个轨道圈次上对第m(m＝1，...，NG)个地面站的下传时间窗DWmj k＝(dsk mj，dek mj)，其中dsk mj、dek mj分别是下传时间窗开始时间和下传时间窗结束时间。
S5、将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗，具体包括：
将已规划观测任务按下传时间窗DWmj k＝(dsk mj，dek mj)进行聚类，聚类满足：使得聚成的类数不超过观测卫星Sj对地面站的下传时间窗个数；如果不满足，则依次删除成像权重最低的任务，直到满足要求为止，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗；
其中dsk mj、dek mj分别表示下传时间窗开始时间和下传时间窗结束时间，Ldei表示任务ti最晚下传结束时间，Loei表示任务ti最晚观测结束时间。
地面站接受卫星的数据下传需要在下传时间窗内进行，可能出现同一地面站对多颗卫星可见的情况，导致冲突多且单个地面站负载高。本发明实施例考虑了下传时间窗个数、下传时间窗竞争度，因此本发明实施例提供的多星多站数据下传调度方法，还包括：
S6、根据所述满足任务截止时间要求的下传时间窗，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数，为下传时间窗个数少的观测卫星安排下传区间。
所述根据所述满足任务截止时间要求的下传时间窗，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数，具体包括：
计算未规划下传的卫星Sj下传时间窗个数，升序排列；卫星Sj的下传时间窗个数表示为：
其中，zj表示卫星Sj的下传时间窗个数，NG表示地面站数量，Oj N表示将规划周期T按步长T/Oj N划分为Oj N个轨道圈次，yk mj表示二元变量，取1时表明卫星Sj在其第k个轨道圈次可对地面站m进行数据下传，取0表明不下传，NS表示观测卫星数量。
观测卫星Sj下传时间窗个数越少，卫星数据下传的机会越少，因此优先为下传时间窗个数少的观测卫星Sj安排下传区间。
S7、所述未规划下传的观测卫星的下传时间窗个数相同时，计算未规划下传的观测卫星的下传时间窗竞争度，为下传时间窗竞争度低的观测卫星安排下传区间。
所述下传时间窗竞争度，采用如下公式表示：
其中，Cont(DWmj k)表示下传时间窗竞争度，Dt(DWmj′ k′)表示在当前时刻t，卫星Sj在对地面站m进行数据下传时间区间内所有可能下传的卫星Sj′的下传任务集，yk′ mj′表示二元变量，为1时表示卫星Sj′在第k′个轨道圈次上对地面站m进行数据下传。
S8、检验同一地面站是否存在足够的转换时间，若是，生成下传调度方案；否则转入步骤S6。具体包括：
同一地面站m在先后接收两颗不同卫星的数据下传时，需要有足够的转换时间：
其中，pmjj′表示二元变量，为1表示卫星Sj′紧随卫星Sj在第m个地面站进行数据下传，否则为0，表示地面站m接收两颗不同卫星下传的过渡时间是，dek mj、dsk′ mj′分别表示下传时间窗DWmj k结束和下传时间窗DWmj′ k′的开始时间。
针对下传时间窗之间的时间重叠，地面站竞争的现象，本发明实施例提出下传时间窗竞争度的定义，将下传冲突时间窗量化处理，优先安排竞争度低的下传时间窗，有利于避免出现不同地面站负载不均衡的情况，提高地面资源的利用率。
第二方面，如图2所述，本发明实施例提供了一种多星多站数据下传调度系统，包括：
确定模块，用于根据用户要求的成像请求的截止时间，确定任务最晚下传结束时间；
排序模块，用于设定待规划任务的成像权重，降序排列，并存放在任务集合中；
选择模块，用于从所述任务集合中依排列次序选择任务进行规划，根据所述任务最晚下传结束时间，确定所选择任务最晚观测结束时间，并基于所述任务最晚观测结束时间选择观测卫星；
计算模块，用于计算所述观测卫星的下传时间窗；
聚类模块，用于将已规划观测任务按下传时间窗进行聚类，得到满足任务截止时间要求的下传时间窗。
可理解的是，本发明实施例提供的多星多站数据下传调度系统与本发明实施例提供的多星多站数据下传调度方法相对应，其有关内容的解释、举例和有益效果等部分可以参考多星多站数据下传调度方法中的相应部分，此处不再赘述。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明实施例根据用户要求的成像请求截止时间要求，计算任务最晚下传结束时间，定义任务成像权重，并依据卫星下传时间窗进行聚类，选择可用的地面站进行数据下传。不同于以往研究中基于贪婪等规则进行数据下传调度，提出基于任务截止时间的下传调度策略，使得当前已规划任务下传时间灵敏度较低，提高了求解效率和效果。
2、针对下传时间窗之间的时间重叠，地面站竞争的现象，本发明实施例提出下传时间窗竞争度的定义，将下传冲突时间窗量化处理，优先安排竞争度低的下传时间窗，有利于避免出现不同地面站负载不均衡的情况，提高地面资源的利用率。
需要说明的是，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。
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。