通信衛星動態調度問題研究

近年來，在抗震救災、遠洋貿易、反恐維穩等通信中暴露出我國衛星通信保障能力有限、衛星通信資源調度緩慢等問題，衛星通信在全球通信、國防通信、應急通信以及邊海疆通信中的重要作用日益突出。國家高度重視并加快了專用衛星通信系統的建設與發展，我國在軌通信衛星數量，天線波束和轉發器類型、帶寬、功率、工作頻段，多址接入技術及地面終端類型、性能等將大幅提升，衛星通信保障能力將進一步增強。

通信衛星調度是指衛星調度中心根據資源狀態及任務請求，依據任務優先級、時間窗口需求及資源任務匹配規則，以完成任務的優先級之和最大為優化目標，科學合理地利用衛星通信資源。當前多樣化任務及應急任務對衛星通信應用提出了更高的要求，現有的人工調度方法無法解決大規模動態調度的突出問題。因此，通過研究建立通信衛星動態調度系統，能夠有效提高衛星通信資源的利用效率。

一、通信衛星動態調度框架

通信衛星調度問題主要包括衛星通信資源、地面站資源、任務需求及調度約束條件等，通過通信任務場景的假設，對于上述資源及約束條件進行數學抽象，根據調度策略生成目標優化函數，建立調度模型，最后進行優化算法求解。通信衛星調度的目標就是要選擇需要保障的通信任務、確定完成通信保障的衛星轉發器資源及任務執行時間窗口。對于多顆衛星、多種轉發器、多個通信任務需求的情況下，如何生成一個優化的衛星資源調度方案，合理分配衛星資源保障更多的通信任務，對充分發揮衛星通信系統效能是至關重要的。通信衛星動態調度總體框架如圖1所示，通信衛星動態調度主要考慮新任務插入和資源變化兩種擾動。

（1）新增任務而導致的動態調度

通信衛星調度過程中，新增任務的到達需要對初始調度方案進行調整，按照優先級高低盡可能滿足所有任務需求，尤其當新增任務優先級相對比較高時，如果在資源有限且不能滿足所有任務需求的情況下進行重新調度，那么需要中斷某些低優先級任務的調度，滿足新增高優先級任務的需求。

（2）通信衛星資源狀態變化導致的動態調度

通信衛星調度過程中，通信資源狀態變化是不確定的。衛星通信資源狀態主要變化情況是衛星故障或者特殊情況下被敵方干擾，導致可用衛星通信資源的減少，如果衛星通信資源發生重大變化，則初始調度方案是無法繼續執行的，需要進行初始調度方案調整。通常情況是資源的有限性造成了多任務調度問題的困難，因此對于衛星通信資源增加情況，即使存在部分任務沒有被調度的情況，可以用初始調度模型對新任務與新資源重新進行求解匹配。

二、通信衛星動態調度流程

通信衛星動態調度流程如圖2所示，通過對任務需求和衛星資源狀態分析，為調度模型求解進行數據準備，確定可以滿足通信任務需求的衛星及轉發器資源。如果某個通信任務需求具有滿足其要求的衛星通信資源（通過分析任務所屬地面終端類型、所需通信資源），則需要計算該通信需求的可見時間窗口（衛星同地面站的可見時間段，主要是衛星點波束覆蓋范圍限制）。只有當通信需求同時具有可用資源和可用時間窗口，才認為該通信任務需求可能被完成，需要通過按照優先級調度原則來確定其是否被執行及執行該通信任務的衛星資源。然后，根據確定的通信需求、時間窗口等基本數據，建立通信衛星調度模型，采用優化算法對模型進行求解，分配通信任務的資源需求和時間窗口，獲得初始調度方案。

在初始方案執行過程中，可能會出現各種擾動因素。需要根據擾動類型，對問題進行重新建模求解，以滿足擾動需求。如果沒有擾動發生，則執行初始方案；當有擾動發生時（主要指衛星資源狀態變化或者新任務插入），則作相應的方案調整，這是一個根據實際需要重復執行的過程，當擾動發生時，如新任務插入，則需對新增任務進行調度預處理，即進行數據分析工作。

三、通信衛星動態調度模型分析

動態約束滿足問題（Dynamic Constraint Satisfaction Problems，DCSP）能夠很好地描述智能領域的調度、規劃和組合等復雜問題，適用于表示和求解大規模組合優化問題，動態體現在變量、變量值域和約束條件的變化，如圖3所示。根據動態變化狀態，動態約束滿足問題分為變量狀態變化、約束條件動態變化和兩者均有的混合變化。

調度問題一直是系統工程中的難點熱點問題，通信衛星動態調度包括資源約束、時間窗口約束等通常的約束條件，還包括地面終端類型及任務時效性等復雜約束條件。通信衛星調度問題可視為一個基于DCSP的優化問題，可以將通信衛星動態調度問題中的任務、衛星資源與時間窗口、約束規則分別映射到DCSP中的變量集合、變量集合值域以及限制變量取值的約束集合。DCSP求解目標是確保原調度方案與新調度方案之間空間距離變化最小的情況下，完成任務優先級之和最大。

3.1新增任務的動態調度模型

當增加或減少CSP問題的變量數目時，將引發原問題發生改變，使之變成一個新的CSP問題。對于此類問題，需要考慮解的穩定性，即獲得的初始解盡量能夠繼續使用。例如：調度問題中，用戶在某時刻的需求是m，CSP根據用戶需求進行求解得到了調度方案，在下一時刻用戶的需求發生變化，又增加了n個需求，如果CSP在此時對該問題進行重新求解，其前面的解決方案會遭到破壞，這對于調度問題是很不利的。基于新任務到達的通信衛星調度模型就可以視為增加變量數目的CSP問題，即基于數量變化的DCSP問題。

基于新任務到達的動態調度可以簡單表示為如圖4所示，新任務的到達造成了變集合任務數量在tn時刻發生變化，約束集合新增了動態約束條件，變量的值域集合即衛星資源沒有發生變化，tn時刻需要進行最小化地調整任務到資源的映射關系。

3.3動態調度遵循的原則

在動態調度過程中，必須充分考慮約束規則的變化，最大化保障任務需求。對于動態調度要遵循以下原則。

（1）優先級調度原則

在通信任務保障過程中，根據調度優化的目標，要按照優先級高低進行調度，高優先級的任務必須優先保障完成。針對某些突發事件帶來的應急任務，是要求優先保障完成的，以確保突發事件的情況處置能力。在優先保障高優先級任務的條件下，最大化保障時效性強的低優先級通信任務。

（2）方案變化最小原則

由于擾動因素導致初始調度方案進行整時，應確保調整后方案與初始方案相比變化最小。對于衛星資源來說，衛星通信應用過程復雜，工作指令需要專門的時間和設備進行上傳，大規模改變衛星指令浪費通信資源和時間；對于用戶來說，初始調度方案確定后，可能相關用戶根據調度方案中的需求安排，制定了相應的工作計劃，如果對任務規劃進行大規模調整，必定會影響用戶的下一步工作和決策，導致較大的損失，故應該將這種影響降到最低。

（3）快速調整原則

在實際應用中，在通信任務或衛星資源發生變化時，需要對初始調度方案進行動態調整，對于方案調整的時間性要求較高，需要在原有方案基礎上進行快速調整，以快速滿足資源與任務變化的需求。

四、結語

通信衛星調度問題屬于航天領域亟需解決的重點問題之一，對于該問題的研究具有重要意義，能夠有效提高衛星通信系統的服務保障能力和資源利用效率。通過對通信衛星動態調度問題的研究，利用優化算法生成動態調度方案，可以為實際衛星通信規劃方案提供參考依據，為解決星上通信資源和任務需求的供需矛盾提供技術支持。