中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法及装置，该方法在构建模型时，针对天基骨干网中继卫星系统的前向链路，即地面站——中继卫星——用户航天器，或者地面站——中继卫星——中继卫星——用户航天器，在存在多颗中继卫星，且中继卫星之间存在通信链路的情况下，综合考虑了可见时间窗口、任务属性、资源有限用户任务调度的传播时延受限以及通信延迟受限等约束条件，从而使得基于该模型得到的任务调度方案能够在满足上述约束条件的情况下完成中继卫星任务的规划，尽可能地保证优先级更高的任务能够被成功调度，进而提高了任务调度的效率。

【技术实现步骤摘要】
中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法及装置
本专利技术实施例涉及通信
，具体涉及一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法及装置。
技术介绍
由于中继卫星数量有限，数据服务能力有限，并且与需要中继卫星服务的用户航天器之间存在可见时间窗的约束，因此如何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，进而提高整个空间信息网络的效率的关键技术。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，由于中继卫星任务调度问题的复杂性，现有的中继卫星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。第一种算法利用人工蜂群算法解决任务规划问题，其首先建立了中继卫星调度的数学模型，给出了适应度函数以及各种约束条件，并且利用人工蜂群算法来搜索并得到较优的任务调度方案。第二种算法建立了存在多中继卫星条件下的任务调度模型，并且利用基于种群联合进化的资源分配算法进行求解。然而，在实现专利技术创造的过程中，专利技术人发现，原有的中继卫星调度算法在建模中大多只考虑存在单一中继卫星时的场景，例如第一种算法。第二种算法考虑存在多中继卫星的场景，但是其忽略了中继卫星之间存在通信链路的情况，实际上由于中继卫星间存在通信链路，因此当某个用户航天器任务需要某个特定中继卫星为其服务时，其不但可以直接与这个中继卫星联系，而且能通过中继卫星中继的方法与这个中继卫星间接的联系。同样，现有的建模中(例如上述第一种以及第二种算法)并未考虑任务的时延要求，由于中继卫星间，中继卫星与用户星间距离漫长，因此数据传输时延明显，许多时延敏感类任务，例如测控信号的传输对数据传输时延有着严格的要求，这使得现有的模型无法满足这一要求。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种用于中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法及装置。第一方面，本专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，包括：获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以及各中继卫星上为各任务服务的可用时间窗；根据所述各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大传播时延以及可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件；其中，所述可用时间窗，为在满足中继卫星与用户航天器的可见性基础上，符合执行预设任务的时间段；所述模型的适应度函数，为用于在指定的所述优先级、所述最早开始时间以及所述最大传播时延下、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更高优先级、传播时延更小的最多任务能够被成功执行的方案。第二方面，本专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建装置，包括：获取单元，获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以及各中继卫星上为各任务服务的可用时间窗；构建单元，用于根据所述各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大传播时延以及可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件；其中，所述可用时间窗，为在满足中继卫星与用户航天器的可见性基础上，符合执行预设任务的时间段；所述模型的适应度函数，为用于在指定的所述优先级、所述最早开始时间以及所述最大传播时延下、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更高优先级、传播时延更小的最多任务能够被成功执行的方案。第三方面，本专利技术的又一实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以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程序时实现上述第一方面所述方法的步骤。第四方面，本专利技术的又一实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。本专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，该方法在构建模型时，针对天基骨干网中继卫星系统的前向链路，即地面站——中继卫星——用户航天器，或者地面站——中继卫星——中继卫星——用户航天器，在存在多颗中继卫星，且中继卫星之间存在通信链路的情况下，综合考虑了可见时间窗口、任务属性、资源有限用户任务调度的传播时延受限以及通信延迟受限等约束条件，从而使得基于该模型得到的任务调度方案能够在满足上述约束条件的情况下完成中继卫星任务的规划，尽可能地保证优先级更高的任务能够被成功调度，进而提高了任务调度的效率。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法流程图；图2是本专利技术提供的一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建装置实施例结构示意图；图3是本专利技术提供的一种计算机设备实施例结构框图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。第一方面，本专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，如图1所示，包括：S101、获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以及各中继卫星上为各任务服务的可用时间窗；S102、根据所述各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大传播时延以及可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件；其中，所述可用时间窗，为在满足中继卫星与用户航天器的可见性基础上，符合执行预设任务的时间段；所述模型的适应度函数，为用于在指定的所述优先级、所述最早开始时间以及所述最大传播时延下、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更高优先级、传播时延更小的最多任务能够被成功执行的方案。本专利技术实施例提供了一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，该方法在构建模型时，针对天基骨干网中继卫星系统的前向链路，即地面站——中继卫星——用户航天器，或者地面站——中继卫星——中继卫星——用户航天器，在存在多颗中继卫星，且中继卫星之间存在通信链路的情况下，综合考虑了可见时间窗口、任务属性、资源有限用户任务调度的传播时延受限以及通信延迟受限等约束条件，从而使得基于该模型得到的任务调度方案能够在满足上述约束条件的情况下完成中继卫星任务的规划，尽可能地保证优先级更高的任务能够被成功调度，进而提高了任务调度的效率。在具体实施时，可以理解的是，上述步骤S102中构建模型的适应度函数以及约束条件可以通过多种方式来实施，下面对其中一种可选的实施方式进行介绍。(一)模型的适应度函数的构建模型的适应度函数表达式为：其中，ρi＝Pmax-pi，pi为用户指定的任务i的优先级，Pmax表示任务优先级加权值的最大值加一，取Pmax＝11，pi∈{1,2,3,...,10}，则ρi表示任务i的优先级的加权值，用户指定的任务i的优先级越高，即pi越小，则得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，其特征在于，包括：获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以及各中继卫星上为各任务服务的可用时间窗；根据所述各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大传播时延以及可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件；其中，所述可用时间窗，为在满足中继卫星与用户航天器的可见性基础上，符合执行预设任务的时间段；所述模型的适应度函数，为用于在指定的所述优先级、所述最早开始时间以及所述最大传播时延下、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更高优先级、传播时延更小的最多任务能够被成功执行的方案。

【技术特征摘要】
1.一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建方法，其特征在于，包括：获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以及各中继卫星上为各任务服务的可用时间窗；根据所述各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大传播时延以及可用时间窗，构建所述模型的适应度函数及约束条件；其中，所述可用时间窗，为在满足中继卫星与用户航天器的可见性基础上，符合执行预设任务的时间段；所述模型的适应度函数，为用于在指定的所述优先级、所述最早开始时间以及所述最大传播时延下、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更高优先级、传播时延更小的最多任务能够被成功执行的方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述适应度函数如公式一所示：maxf＝∑∑(ρiβi)χim公式一其中，ρi表示任务i的优先级的加权值；ρi＝Pmax-pi，pi为用户指定的任务i的优先级，Pmax为所有任务的优先级的最大值加1；βi表示任务i的延时时间的加权值；βi＝Dmax-|Ti-ei|，Dmax表示预设的所有任务的最大延迟，Ti表示任务i调度成功的开始执行时间，ei表示预设的任务i被成功执行的最早开始时间，|Ti-ei|表示任务i的延迟时间；χim表示任务i被执行的情况；χim＝{0,1},i∈J,m∈M；若χim＝1，表明任务i被中继卫星m调度成功；否则，表明任务i调度失败。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括：且i≠j公式三且i≠j,j≠z公式四公式六且i≠j,其中i,j∈J且i≠j,δij＝1其中，公式二用于约束若一个任务调度成功，则该任务只能在一颗中继卫星上调度成功，否则认为该任务调度失败；公式三中，χijm＝{0,1},i,j∈J,m∈M，若χijm＝1，表明中继卫星m执行完任务i后立即执行任务j；公式三用于约束若任意两个任务在被一颗中继卫星调度到用户航天器上，则中继卫星在同一时间只能为一个任务服务；公式四用于约束在同一颗中继卫星上执行的任务能够有序执行，同时也约束一颗中继卫星在同一时刻只能执行一个任务；公式五中，Wim＝Bi∩Aim，Bi表示用户指定的任务i被成功执行的最早开始时间与最晚结束时间构成的时间窗，Aim表示能够为任务i服务的中继卫星m的可见时间窗的集合，Wim表示中继卫星m上能为任务i服务的所有可用时间窗的集合；表示任务i是否在中继卫星m的可用时间窗w内，i∈J,m∈M,w∈Wim，若则表明任务i在中继卫星m的可用时间窗w内；公式五用于约束任务只有在满足可见时间窗约束时，才可能被调度成功，且调度成功的任务执行时仅能在一个可用时间窗口内进行；公式六中，di表示任务i的持续时间，di＝d0+d′i，d0为中继卫星服务开始和终止阶段消耗的时间，d′i为任务i实际的数据通信时间；εijm表示中继卫星m执行完任务i后立即执行任务j的交换时间；i,j∈J且i≠j，表示任务j被成功执行的最早开始时间与任务i被成功执行的最晚结束时间之间的时间段；Ti表示任务i调度成功的开始执行时间；公式六用于约束若任务i、任务j在同一颗中继卫星上执行时，且任务j在任务i之后执行，则任务j的开始执行时间Tj必须在任务i执行完Ti+di+εijm之后；公式七中，οij表示任务i与任务j的执行顺序，οij＝{0,1},i,j∈J，若οij＝1，则表明任务i在任务j之前执行；公式七用于约束一颗中继卫星上的两个任务i,j发生资源冲突时，任务i,j的执行时间不能重叠；公式八以及公式九中，为任务i在中继卫星m的可用时间窗w上的开始时间，为任务i在中继卫星m的可用时间窗w上的结束时间，其中，i∈J，m∈M，w∈Wim。公式八以及公式九用于约束任务要想被调度成功，就必须在一个可用时间窗内执行，其中公式八表示任务的开始执行时间必须大于或等于该可用时间窗的开始时间；公式九表示任务的结束时间必须小于或等于该可用时间窗的结束时间；公式十中，ti表示用户指定的任务i被调度到用户航天器所经历的最大传播时延；v表示电磁波传播的速率，v＝3.0×108km/s；si表示任务i被调度到用户航天器所经历的总的传播距离，其中，sn表示地面站与中继卫星n之间的距离，smn表示中继卫星m与n之间的距离，表示中继卫星m在可用时间窗w上与用户航天器的距离；φi表示任务i是否满足传播时延的情况，φi＝{0,1},i∈J，若φi＝1，则表明任务i满足传播时延要求；公式十用于约束任务i被调度到用户航天器所经历的最大传播时延不大于用户指定的最大传播时延；公式十一中，表明任务要想被成功调度的可执行时间必须在某一中继卫星与用户航天器之间的可用时间窗内。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于得到的所述模型，利用预设的优化算法求取所述模型的最优解，其中所述最优解为使得所述适应度函数取值最大且满足所述约束条件的解，并将所述最优解作为所述最优任务调度方案输出。5.一种中继卫星任务调度约束规划模型的构建装置，其特征在于，包括：获取单元，获取预设的各调度任务的优先级、各任务被成功执行的最早开始时间、所有任务的最大延迟时间以...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡欣岳，马楠，开彩虹，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34