一种考虑全时段数传的两阶段规划方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于实施步骤包括：以规划区间和星地时间同步任务集T作为输入，通过任务规划算法得到星地直接数传任务集合DST；以星地直接数传任务集合DST作为输入，确定每颗卫星的无法直接数传时间段，结合卫星之间的星间路由R，按拓扑周期为每颗卫星的不可视时间段规划中转数传任务，输出中转数传任务集合ZST；根据星地直接数传任务集合DST、中转数传任务集合ZST生成数传规划图。本发明专利技术将星地直传和星间中转两阶段综合考虑，解决了在局部布站环境下实现对全球卫星全时段数传的问题，填补了目前导航系统中转规划研究方面的空白，能够满足导航系统的全时段数传需求，解决北斗全球系统星地一体化数传问题。

A two stage planning method considering full time data transmission

The invention discloses a two phase full time data transmission planning method considering, characterized in that the implementation steps include: planning interval and satellite ground time synchronization task set T as input, the task planning algorithm to get the satellite direct data transmission task set DST; Zim direct data transmission task set DST as input, determine each satellite can direct data transmission time, combining satellite between inter satellite routing R, according to the time period is not visible the topology of each satellite data transmission tasks planning transit, transit output data transmission task set ZST; according to the satellite data transmission tasks directly set DST, transfer data transmission task set ZST generation number transfer plan. The star and star and the invention between transfer two stage into consideration, to solve the local station environment to realize the full time global satellite data transmission problems, to fill the current planning of navigation system transfer the blank, can meet the number of full time navigation system on demand, to solve the number of integration of global satellite Beidou system transfer problem.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑全时段数传的两阶段规划方法
本专利技术涉及导航卫星任务规划技术，具体涉及一种考虑全时段数传的两阶段规划方法。
技术介绍
卫星数据传输在没有星间链路的北斗导航系统中，对卫星数据的上注和下传只能依赖地面站直接注入和下传，且卫星只能在进入地面站可视范围时才能进行数据传输，增加了数据龄期，降低了全球定位精度。加入星间链路之后，卫星的数传业务变为星地与星间一体化联合数据传输，数传不再受地域和时间的限制，只要星间链路是全联通的，就可以实现对北斗导航卫星的全范围全时段无缝数传，实现“单星通，整网通”的系统建设目标。由于卫星轨道的动态变化，每颗卫星都有可视时段和不可视时段，因此每颗卫星都会有地面注入时段和卫星中转时段。在星地一体化数传规划过程中，星地直接数传和星间中转数传作为卫星数传的两个阶段，虽然星地直传的输出可作为中转数传的输入，但两个阶段在调度时具有一定的独立性，考虑的约束也不相同，可以认为是两类任务，因此，星地一体化数传规划问题是一类同时兼具两种类型任务的调度问题，如何处理好两类问题的调度使得数据在传输过程中跳数最少，用时最短，提高数据传输的能力和效率，确保数据传输的稳定性，就显得尤为重要。然而现有技术中关于导航系统数据传输的研究主要有两种：针对上行注入任务调度的多目标混合整数规划模型及启发式算法和针对星上数据下传问题的双重时间窗约束模型及禁忌搜索算法，中继卫星系统调度模型也对导航系统的数传调度有一定参考意义。但上述模型及算法都只考虑了基于星地直传中数据上注或下传的一个过程，并没有考虑数据在星间中转的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种将星地直传和星间中转两阶段综合考虑，解决了在局部布站环境下实现对全球卫星全时段数传的问题，填补了目前导航系统中转规划研究方面的空白，能够满足导航系统的全时段数传需求，解决北斗全球系统星地一体化数传问题的考虑全时段数传的两阶段规划方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种考虑全时段数传的两阶段规划方法，实施步骤包括：1)以规划区间[tbegin,tend]和星地时间同步任务集T作为输入，其中tbegin表示规划开始时间，tend表示规划结束时间，通过任务规划算法得到星地直接数传任务集合DST；2)以星地直接数传任务集合DST作为输入，确定每颗卫星的无法直接数传时间段，然后结合卫星之间的星间路由R，按拓扑周期topoPeriod为每颗卫星的不可视时间段规划中转数传任务，最后输出中转数传任务集合ZST；3)根据星地直接数传任务集合DST、中转数传任务集合ZST生成数传规划图。优选地，步骤1)的详细步骤包括：1.1)设定规划区间[tbegin,tend]，其中tbegin表示规划开始时间，tend表示规划结束时间；设定n个星地直传任务集合DST1～DSTn，分别对应n个节点卫星；设定任务结束时间dEndTime等于规划开始时间tbegin；1.2)以星地时间同步任务集T作为输入，对于星地时间同步任务集T中的每一个任务t，如果满足时间dEndTime大于等于规划开始时间tbegin且小于规划结束时间tend，则将任务t加入到星地直传待规划任务集合PT，且如果时间dEndTime大于规划开始时间tbegin则设定规划开始时间tbegin等于时间dEndTime；本实施例中以t表示星地时间同步任务，每一个星地时间同步任务用以下四元组表示：t＝<m,s,start,end>，分别表示<天线，卫星，开始时间，结束时间>；1.3)对星地直传待规划任务集合PT中的任务按优先级排序；1.4)依次循环遍历星地直传待规划任务集合PT中的每一个任务pt，从初始化设定的n个星地直传任务集合DST1～DSTn依次判断任务pt是否可以插入到集合DSTi中，1≤i≤n；如果任务pt可插入到某一集合DSTi，则将任务pt插入集合DSTi并跳转执行1.5)；否则，继续循环遍历星地直传待规划任务集合PT中的下一个任务；1.5)遍历所有星地直传任务集合DST1～DSTn，得到每个星地直传任务集合中任务的最大结束时间maxEndi，对比得出所有星地直传任务集合DST1～DSTn的的最大结束时间maxEndi的最小值maxEnd，若最小值maxEnd小于等于时间dEndTime，则设定时间dEndTime的值为最小值maxEnd；1.6)判断时间dEndTime小于规划结束时间tend是否成立，如果成立则跳转执行步骤1.2)；否则，将所有星地直传任务集合DST1～DSTn的合集得到星地直接数传任务集合DST。优选地，步骤1.3)对星地直传待规划任务集合PT中的任务按优先级排序时，首先按照天线优先级排序，天线优先级较高的任务具有较高的优先级，然后按照任务时长排序，同等天线优先级下任务时长越长的任务具有较高的优先级。优选地，步骤2)的详细步骤包括：2.1)从卫星集合S中遍历选择一个未规划卫星s，从星地直接数传任务集合DST中得到卫星s的星地直传任务；2.2)找出规划区间[tbegin,tend]中卫星s的无法直传时段集合UP＝{up1,up2,…,upi,…}，令时间变量t1的值为规划开始时间tbegin；判断卫星s的无法直传时段集合UP为空是否成立，若成立则跳转执行步骤2.6)；若不成立，则跳转执行步骤2.3)；2.3)判断时间变量t1小于规划结束时间tend是否成立，若成立，则根据卫星s的无法直传时段集合UP得到卫星s在中转规划时段[t1,t1+topoPeriod]内的中转规划时段，其中topoPeriod表示拓扑周期；从星地直接数传任务集合DST中得到在该中转规划时段[t1,t1+topoPeriod]内的候选直传任务集合PDST，初始化设定综合优先度集合P＝Φ；否则若不成立，则跳转执行步骤2.6)2.4)针对候选直传任务集合PDST中每个候选直传任务dst，计算相对卫星s的综合优先度并加入集合P；2.5)取集合P中综合优先度最低的直传任务所对应的中转任务zst，加入中转数传任务集合ZST，将时间变量t1在原基础上增加一个拓扑周期topoPeriod，跳转执行步骤2.3)；2.6)判断卫星集合S中是否仍有未规划卫星，如果仍有未规划卫星，则跳转执行步骤2.1)；否则，输出中转数传任务集合ZST。优选地，步骤2.4)中计算相对卫星s的综合优先度的详细步骤包括：2.4.1)计算候选直传任务dst相对卫星s的地面优先级；2.4.2)计算候选直传任务dst相对卫星s的星间优先级；2.4.3)将候选直传任务dst对应的地面优先级、星间优先级加权求和，得到候选直传任务dst相对卫星s的的综合优先度。优选地，步骤2.4.1)计算候选直传任务dst相对卫星s的地面优先级的函数表达式如式(1)所示；式(1)中，Priant表示候选直传任务dst相对卫星s的地面优先级，i为排序为第i的地面站天线类型，k1为地面最大优先级，pq表示地面天线总数量，α为优先级动态调整参数，且α∈(0,1]。优选地，步骤2.4.2)计算候选直传任务dst相对卫星s的星间优先级的函数表达式如式(2)所示；式(2)中，Prisat表示候选直传任务dst相对卫星s的星间优先级，c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于实施步骤包括：1)以规划区间[tbegin,tend]和星地时间同步任务集T作为输入，其中tbegin表示规划开始时间，tend表示规划结束时间，通过任务规划算法得到星地直接数传任务集合DST；2)以星地直接数传任务集合DST作为输入，确定每颗卫星的无法直接数传时间段，然后结合卫星之间的星间路由R，按拓扑周期topoPeriod为每颗卫星的不可视时间段规划中转数传任务，最后输出中转数传任务集合ZST；3)根据星地直接数传任务集合DST、中转数传任务集合ZST生成数传规划图。

【技术特征摘要】
1.一种考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于实施步骤包括：1)以规划区间[tbegin,tend]和星地时间同步任务集T作为输入，其中tbegin表示规划开始时间，tend表示规划结束时间，通过任务规划算法得到星地直接数传任务集合DST；2)以星地直接数传任务集合DST作为输入，确定每颗卫星的无法直接数传时间段，然后结合卫星之间的星间路由R，按拓扑周期topoPeriod为每颗卫星的不可视时间段规划中转数传任务，最后输出中转数传任务集合ZST；3)根据星地直接数传任务集合DST、中转数传任务集合ZST生成数传规划图。2.根据权利要求1所述的考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：1.1)设定规划区间[tbegin,tend]，其中tbegin表示规划开始时间，tend表示规划结束时间；设定n个星地直传任务集合DST1～DSTn，分别对应n个节点卫星；设定任务结束时间dEndTime等于规划开始时间tbegin；1.2)以星地时间同步任务集T作为输入，对于星地时间同步任务集T中的每一个任务t，如果满足时间dEndTime大于等于规划开始时间tbegin且小于规划结束时间tend，则将任务t加入到星地直传待规划任务集合PT，且如果时间dEndTime大于规划开始时间tbegin则设定规划开始时间tbegin等于时间dEndTime；本实施例中以t表示星地时间同步任务，每一个星地时间同步任务用以下四元组表示：t＝<m,s,start,end>，分别表示<天线，卫星，开始时间，结束时间>；1.3)对星地直传待规划任务集合PT中的任务按优先级排序；1.4)依次循环遍历星地直传待规划任务集合PT中的每一个任务pt，从初始化设定的n个星地直传任务集合DST1～DSTn依次判断任务pt是否可以插入到集合DSTi中，1≤i≤n；如果任务pt可插入到某一集合DSTi，则将任务pt插入集合DSTi并跳转执行1.5)；否则，继续循环遍历星地直传待规划任务集合PT中的下一个任务；1.5)遍历所有星地直传任务集合DST1～DSTn，得到每个星地直传任务集合中任务的最大结束时间maxEndi，对比得出所有星地直传任务集合DST1～DSTn的的最大结束时间maxEndi的最小值maxEnd，若最小值maxEnd小于等于时间dEndTime，则设定时间dEndTime的值为最小值maxEnd；1.6)判断时间dEndTime小于规划结束时间tend是否成立，如果成立则跳转执行步骤1.2)；否则，将所有星地直传任务集合DST1～DSTn的合集得到星地直接数传任务集合DST。3.根据权利要求2所述的考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于，步骤1.3)对星地直传待规划任务集合PT中的任务按优先级排序时，首先按照天线优先级排序，天线优先级较高的任务具有较高的优先级，然后按照任务时长排序，同等天线优先级下任务时长越长的任务具有较高的优先级。4.根据权利要求1或2或3所述的考虑全时段数传的两阶段规划方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：2.1)从卫星集合S中遍历选择一个未规划卫星s，从星地直接数传任务集合DST中得到卫星s的星地直传任务；2.2)找出规划区间[tbegin,tend]中卫星s的无法直传时段集合UP＝{up1,up2,…,upi,…}，令时间变量t1的值为规划开始时间tbegin；判断卫星s的无法直传时段集合UP为空是否成立，若成立则跳转执行步骤2.6)；若不成立，则跳转执行步骤2.3)；2.3)判断时间变量t1小于规划结束时间tend是否成立，若成立，则根据卫星s的无法直传时段集合UP得到卫星s在中转规划时段[t1,t1+topoPeriod]内的中转规划时段，其中topoPeriod表示拓扑周期；从星地直接数传任务集合DST中得到在该中转规划时段[...

【专利技术属性】
技术研发人员：张忠山，闫俊刚，姚锋，贺仁杰，邢立宁，刘晓路，陈宇宁，王涛，陈成，陈盈果，吕济民，褚骁庚，杨文沅，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43