靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配分析與建模研究*

賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學院通信系，大連116018

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靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配分析與建模研究*

賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學院通信系，大連116018

針對相對有限的靜止軌道衛(wèi)星通信資源與不斷增多的通信任務需求之間的矛盾日益突出的問題，通過分析靜止軌道衛(wèi)星通信的特點和工作過程，研究提出了多衛(wèi)星、多任務通信環(huán)境背景下，靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的約束規(guī)則，建立優(yōu)化調度的目標函數(shù)，構建靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配問題的模型，給出解決該問題的基本思路，并進行了實際仿真。為探索靜止軌道衛(wèi)星通信資源的調度管理方法提供了理論依據(jù)和基礎支撐。

靜止軌道衛(wèi)星；資源任務匹配；分析建模

衛(wèi)星通信由于具有傳輸容量大、抗干擾能力強、使用靈活、不受地理條件限制和可靠性高等優(yōu)點[1]，已成為現(xiàn)代通信領域不可缺少的通信手段，在寬帶多媒體通信、移動通信、應急通信和軍事通信中得到廣泛應用。隨著衛(wèi)星通信應用范圍的擴展，衛(wèi)星通信資源相對有限與衛(wèi)星通信任務需求不斷增多的矛盾日益突出，如何根據(jù)任務需求制定科學合理的衛(wèi)星通信資源分配方案成為一個研究熱點。近年來，國內外學者對偵察衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星、多星聯(lián)合調度問題進行了細致深入的研究[2-5]，但對于面向通信任務的靜止軌道衛(wèi)星通信資源調度問題的研究相對較少。

本文以多衛(wèi)星、多任務的通信環(huán)境為背景，研究提出靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的約束規(guī)則，構建靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配問題的數(shù)學模型，建立優(yōu)化調度的目標函數(shù)，給出解決該問題的基本思路，并進行實際仿真。

1 靜止軌道衛(wèi)星通信特點分析

自1963年美國成功發(fā)射第一顆靜止軌道衛(wèi)星SynCom-2以來，目前全世界有近300顆靜止軌道衛(wèi)星，擔負著通信、導航和中繼等任務[6]。目前，多數(shù)通信衛(wèi)星運行在地球同步軌道，該軌道特別適合在地球上2個或多個點間通過空間一個相對地球固定的“中繼點”進行信息傳輸[7]。

1顆靜止軌道通信衛(wèi)星和2個地球站就能組成最簡單的衛(wèi)星通信，如圖1所示。

圖1 單跳衛(wèi)星通信鏈路

靜止軌道衛(wèi)星通信的工作過程可以描述為：衛(wèi)星無線電通信發(fā)信端(固定站或者移動站)使用發(fā)射天線發(fā)出上行載波信號，經過大氣傳輸，到達衛(wèi)星，經過衛(wèi)星轉發(fā)器處理(信號變頻和放大)后，利用衛(wèi)星天線向地面發(fā)射下行載波信號，再經過大氣傳輸，由衛(wèi)星無線電通信接收端(固定站或者移動站)天線接收，達成通信目的。靜止軌道衛(wèi)星由于始終保持在相對地球空間中的固定位置，在衛(wèi)星通信中具有巨大優(yōu)勢[8]。

2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配約束分析

靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配就是根據(jù)通信任務需求，綜合考慮各種約束條件，按照一定規(guī)則對衛(wèi)星資源進行優(yōu)化配置，制定出滿足衛(wèi)星應用任務需求的資源分配調度方案[9]。衛(wèi)星任務規(guī)劃方案的合理性和正確性直接關系到任務的完成效果[10]。因此，要實現(xiàn)規(guī)劃調度的目標，必須對靜止軌道衛(wèi)星通信資源調度問題中涉及到的約束條件進行詳細分析。

靜止軌道衛(wèi)星通信資源調度問題的約束規(guī)則，可分為2大類共6項,如圖2所示。

圖2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的約束規(guī)則

2.1 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的硬性約束

硬性約束是指完成衛(wèi)星通信必須具備的最基本的條件。包括3項內容，具體為：

1)通信資源調度的范圍約束

衛(wèi)星通信首先要求衛(wèi)星能被衛(wèi)星無線電通信使用終端“看到”，而這是由衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍決定的，即當衛(wèi)星無線電通信使用終端處于衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內時，才能進行通信；否則無法達成通信。

2)通信資源調度的時間約束

①任務的時間約束。針對某一任務的資源調度時間不能晚于該任務的開始時間，資源調度結束時間不能早于任務的結束時間，且任務對于資源的占用時間不能小于任務執(zhí)行的持續(xù)時間。

②資源的時間約束。在春分和秋分期間，靜止軌道衛(wèi)星由于處在太陽和地球之間，此時太陽帶來的強噪聲將引起通信中斷，即日凌中斷[11]。

3)通信資源調度的頻段約束

不同衛(wèi)星、衛(wèi)星使用終端的工作頻段通常是確定值，而只有處于同工作頻段的衛(wèi)星和使用終端之間才能建立通信鏈路，提供通信服務，這是衛(wèi)星通信資源調度問題中的一個硬約束。

2.2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的軟性約束

軟性約束是指對衛(wèi)星通信的質量、取得效益具有影響的約束條件。包括3項內容，具體為：

1)通信資源調度的能力約束

資源具備的能力(比如帶寬等)必須達到完成任務的最低要求，才能被分配執(zhí)行任務。

2)通信資源調度的質量約束

在衛(wèi)星通信中，無線電波要先后穿越對流層、平流層、電離層等，不可避免的會受到多種因素影響，產生自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗和雨衰損耗等，導致通信質量下降，甚至出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，特別是降雨對Ku，Ka頻段信號產生衰耗較大[12]。而目前，實際應用中的通信衛(wèi)星工作頻段大都在C，Ku和Ka頻段。因此，在調度過程中要考慮通信鏈路載噪比、損耗、誤碼率等的影響。

3)通信資源調度的優(yōu)先級約束

①任務的優(yōu)先級約束。任務的價值(重要程度)、緊迫度和執(zhí)行順序等屬性決定了每項任務具備不同的優(yōu)先級。

②資源的優(yōu)先級約束。資源的價值、能力和稀缺程度等屬性決定了每個資源也具備不同的優(yōu)先級。

3 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配問題模型

在一個多任務的通信環(huán)境下，通信資源分配問題可以描述為一個由通信資源和通信任務所構成的數(shù)學規(guī)劃問題[13]。基于以上對靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配的約束分析，建立數(shù)學模型如下。

3.1 問題假設

為簡化問題，便于建立數(shù)學模型，在不改變問題性質的前提下，做出如下假設：

1)所有資源都絕對可靠，即不考慮出現(xiàn)資源性能降低或者故障的情況；

2)一個通信資源某一時刻只能為一個通信任務提供服務；

3)衛(wèi)星轉發(fā)器均為透明轉發(fā)器，不考慮衛(wèi)星具備星上處理功能；

4)所有任務在進行匹配調度前已經確定，不考慮有新任務動態(tài)更新的情況；

5)任務一旦開始就必須完成，不考慮自然或人為干涉的任務中斷；

6)各個任務之間是相對獨立任務，不存在邏輯上的先后關系；

7)匹配調度過程中不考慮決策者或者事件固有經驗的偏好因素。

3.2 問題要素定義

1)Ti為任務集合。若靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)要保障m個通信任務需求，則記Ti={Num,D,tib,tie,F,λ，NRi}，(i=1,2,···,m)；

Num為任務編號，Num=1,2,3,...,m；

D為任務區(qū)域，用經緯度范圍DJD和DWD表征；

tib為任務開始時刻；

tie為任務完成時刻；

F為任務工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

λ為任務優(yōu)先級；

NRi為任務的資源能力需求。

2)Rj為資源集合。若擁有n個通信資源，則記Rj={num,d,f,θ,tuj，Bj，tijb，tije}，(j=1,2,···,n)；

num為資源編號，其取值為num=1,2,3,...,n；

d為衛(wèi)星覆蓋區(qū)域，用經緯度范圍dJD和dWD表征；

f為衛(wèi)星工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

θ為衛(wèi)星資源優(yōu)先級；

tuj為衛(wèi)星資源Rj可用時間；

Bj為衛(wèi)星資源具備的能力；

tijb為資源Rj執(zhí)行任務Ti的起始時刻；

tije為資源Rj執(zhí)行任務Ti的結束時刻。

3)ωij為資源-任務的分配變量

4)δilj為資源-任務的轉移變量

3.3 變量約束條件描述

1)覆蓋范圍約束

衛(wèi)星覆蓋區(qū)域d由波束決定，對于全球波束，覆蓋區(qū)域為地球南北緯75°之間與以星下點為中心對地球邊緣張角17.34°所圍成的部分。對于點波束，覆蓋區(qū)域d可以通過模型計算得到[14-15]。若任務區(qū)域為D，任務區(qū)域必須在覆蓋范圍之內，即

(1)

2)工作頻段約束

衛(wèi)星與地面站必須處于同一工作頻段，即

F=f

(2)

3)執(zhí)行時間約束

資源調度起始時間不能晚于任務的開始時間，即

tijb≤tib

(3)

資源調度結束時間不能早于任務的結束時間，即

tije≥tie

(4)

任務持續(xù)時間必須在資源可用時間之內，即

(tie～tib)?tuj

(5)

其中，考慮日凌中斷的衛(wèi)星資源可用時間tuj可通過計算得到[16]。

4)資源能力約束

衛(wèi)星資源具備的能力不小于任務的資源能力需求，即

Bj≥NRi

(6)

5)分配過程約束

資源Rj每次只能處理一個任務，在完成后，只能被分配處理某一個任務，即

(7)

6)通信質量約束

載噪比C/N是衡量衛(wèi)星通信鏈路性能的唯一重要參數(shù)，該值越大，則鏈路性能越好。一般通信鏈路的載噪比需要達到至少6～10dB，系統(tǒng)的性能才能接受[7]，即

(8)

3.4 目標函數(shù)

衛(wèi)星資源調度相關研究中，通常根據(jù)任務完成情況確定目標函數(shù)[17]。一般的資源-任務調度多數(shù)是以產生的綜合收益最大為目標，本文從任務收益和衛(wèi)星資源使用兩方面考慮調度目標。

(9)

(10)

記資源Rj承擔的任務數(shù)量為ERj，資源使用均衡度為E

(11)

minE

(12)

綜上所述，資源-任務匹配過程可以描述為

(13)

4 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配問題求解思路

根據(jù)以上分析可知，靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配是一個多目標組合優(yōu)化問題，結合靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配規(guī)則，給出求解該問題的思路，如圖3所示。

圖3 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配流程圖

匹配過程可以描述為：

步驟1 數(shù)據(jù)初始化。根據(jù)通信任務和衛(wèi)星資源的描述，進行數(shù)據(jù)預處理，主要是編號、計算資源覆蓋區(qū)域和可用時間，得到任務集合T和資源集合R，進入步驟2；

步驟2 匹配可行性檢測。對照資源-任務匹配的“硬約束”條件，篩選出可調度任務集Tk。如果Tk為空，則無法進行匹配，終止流程，否則進入步驟3；

步驟3 選擇任務。從可調度任務集Tk中選出優(yōu)先級最大的任務Ti，并將Ti移出Tk，進入步驟4。如果已完成的任務數(shù)量等于可調度任務總數(shù)，則結束整個流程；

步驟4 選擇資源。根據(jù)資源優(yōu)先級，為選定的任務Ti分配資源Rj，如果資源能夠滿足任務需求，進入步驟5；否則進入步驟6；

步驟5 資源分配。將資源Rj從R中移出，設置Rj狀態(tài)為已調用，并將Rj的處理任務結束時間設為tie，返回步驟3進行循環(huán)操作；

步驟6 資源釋放。選擇剛完成的任務，將其占用的資源狀態(tài)設置為可調用，并放回R中，返回步驟4進行循環(huán)操作。

5 數(shù)據(jù)仿真

人工智能算法是求解多目標組合優(yōu)化問題的有效手段，本文采用蟻群算法進行仿真分析。

衛(wèi)星資源與通信任務如表1和2所示。

表1 靜止軌道衛(wèi)星通信資源

表2 待調度的衛(wèi)星通信任務

蟻群算法基本參數(shù)取值如表3所示

表3 蟻群算法基本參數(shù)

采用Matlab R2010a編程，在Win7系統(tǒng)(硬件配置Core二代2.2GHz，1G內存)計算完成，調度總收益19，經驗證其結果正確，運行時間2.775756s。運行結果如表4所示。

表4 資源-任務匹配結果

6 結束語

結合靜止軌道衛(wèi)星通信的工作過程和軌道特點，系統(tǒng)分析了在多衛(wèi)星和多任務通信環(huán)境背景下，靜止軌道衛(wèi)星通信資源與衛(wèi)星通信任務需求進行匹配調度的約束規(guī)則，并提出了問題的優(yōu)化目標函數(shù)，建立了靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務匹配調度的模型，最后，給出了求解該問題的基本思路，進行了實際仿真，為開展靜止軌道衛(wèi)星通信資源分配調度算法研究奠定了基礎。

[1] 王琳，師義民，袁修國.衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的可靠性評估 [J].計算機仿真，2011,28(9):75- 78.(WANG Lin, SHI Yimin , YUAN Xiuguo. Evaluation for Satellite Communications System Reliability [J]. Computer Simulation, 2011, 28(9): 75- 78.)

[2] 賀仁杰.成像偵察衛(wèi)星調度問題研究 [D].長沙:國防科學技術大學,2004.(HE Renjie. Research on Imaging Reconnaissance Satellite Scheduling Problem [D]. Chang Sha: National University of Defense Technology, 2004.)

[3] 劉偉.對地觀測衛(wèi)星任務規(guī)劃模型與算法研究 [D].北京:中國科學院,2008.(LIU Wei. Model and Algorithm Research on Earth Observing Satellite Mission Planning [D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2008.)

[4] 王智勇，王鈞，李軍，等.多星聯(lián)合任務規(guī)劃方法 [J].中國空間科學技術，2012,1:8- 14.(WANG Zhiyong, WANG Jun, LI Jun，et al. New Multi- Satellite Scheduling Method [J]. Chinese Space Science and Technology, 2012, 1: 8- 14.)

[5] 王軍民，譚躍進.多星聯(lián)合動態(tài)調度問題的啟發(fā)式算法研究 [J].計算機工程與應用，2007,43(21):21- 25.(WANG Junmin, TAN Yuejin. Research on Heuristic Algorithm for Problem of Multi- Satellites Dynamic Scheduling [J]. Computer Engineering and Applications, 2007, 43(21): 21- 25.)

[6] 李恒年.地球靜止衛(wèi)星軌道與共位控制技術 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.(LI Hengnian. Geostationary Satellite Orbital Analysis and Collocation Strategies [M]. Beijing： National Defense Industry Press, October, 2010.)

[7] 孫寶升.衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程 [M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.(SUN Baosheng. Satellite Communications Systems Engineering [M].Beijing： National Defense Industry Press, March, 2012.)

[8] 井慶豐.微波與衛(wèi)星通信技術 [M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.(JING Qingfeng. Microwave and Satellite Communication [M]. Beijing： National Defense Industry Press, September, 2011.)

[9] 陳英武，方炎申，李菊芳,等.衛(wèi)星任務調度問題的約束規(guī)劃模型 [J].國防科技大學學報，2006,28(5):126- 132.(CHEN Yingwu, FANG Yanshen, LI Jufang,et al. Constraint Programming Model of Satellite Misssion Scheduling [J]. Journal of National University of Defense Technology, 2006, 28(5): 126- 132.)[10] 何川東，郭玉華，李軍,等.衛(wèi)星任務規(guī)劃可視化仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J].計算機仿真，2007,24(6):45- 48.(HE Chuandong, GUO Yuhua, LI Jun,et al. Design and Realization of Visual Simulation System for Task Planning of Satellites [J].Computer Simulation, 2007, 24(6): 45- 48.)

[11] 汪春霆, 張俊祥, 潘申富,等.衛(wèi)星通信系統(tǒng) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.(WANG Chunting, ZHANG Junxiang, PAN Shenfu,et al. Satellite Communication Systems [M]. Beijing： National Defense Industry Press, September, 2012.)

[12] 文江平.衛(wèi)星軍事應用技術 [M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.(WEN Jiangping. Satellite Military Technology [M]. Beijing： National Defense Industry Press, December, 2007.)

[13] 黃紅選, 韓繼業(yè).數(shù)學規(guī)劃 [M].北京: 清華大學出版社, 2006.(HUANG Hongxuan, HAN Jiye. Mathematical Programming [M]. Beijing： Tsinghua University Press, October, 2006.)

[14] 徐慨，鮑凱，何愛林.衛(wèi)星通信點波束覆蓋算法研究 [J].艦船電子對抗，2013,36(2):66- 68.(XU Kai, BAO Kai, HE Ailin. Research into Satellite Communication Spot Beam Covering Algorithm [J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2013, 36(2): 66- 68.)

[15] 李德治，竇朝輝.衛(wèi)星點波束覆蓋區(qū)域算法研究 [J].載人航天，2009 (4):53- 55.(LI Dezhi, DOU Chaohui. The Algorithm for Coverage Scope of Satellite Point Beams [J]. Manned Space Flight, 2009(4): 53- 55.)

[16] 田兆平，趙乾宏.一種改進的日凌預報程序原理及實現(xiàn)方法 [J].衛(wèi)星與網絡，2012(6):62- 67.(TIAN Zhaoping, ZHAO Qianhong. An Improved Sun Transit Forecast Program Theory and Methods [J]. Satellite & Network, 2012(6): 62- 27.)

[17] 陳祥國.衛(wèi)星數(shù)傳調度的蟻群優(yōu)化模型及算法研究 [D].長沙:國防科學技術大學,2010.(CHEN Xiangguo. Research on Model Algorithm of Ant Colony Optimization for Satellite Data Transmission Scheduling [D].Chang Sha: National University of Defense Technology, 2010.)

ResearchonGEOSatelliteCommunicationResources-TaskAnalysisandModelingMatch

HE Yin ZHANG Haiyong REN Zhong
Department of Communication, Dalian 116018, China

AimedattheincreasingprominentcontradictionbetweenGEOsatellitecommunicationresourcesrelativelylimitedandthedemandforincreasingcommunicationtasks,thefeaturesandoperationoftheGEOsatellitecommunicationsareanalysisedinthispaper.Withthemulti-satellitemulti-taskingcommunicationsenvironmentbackground,theGEOsatellitecommunicationresources-taskmatchingconstraintrulesaresystematicallypointedout,theobjectivefunctionoptimizationschedulingismaded,themodelofGEOsatellitecommunicationresources-taskmatchingisestablished,thebasicideaforsolvingthisproblemisprovidedandthesimulationisperformed.AtheoreticalbasisandfoundationsupportfortheschedulingmanagementofGEOsatellitecommunicationresourcesareprovided.

GEOsatellitecommunication;Resource-taskmatch;Analysisandmodeling

* 國家自然科學基金(No.11374001)

2013- 03- 12

賀寅(1986-)，男，甘肅莊浪人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為信息與通信工程；張海勇(1966-)，男，遼寧朝陽人，博士后，教授，主要研究方向為軍事通信；任重(1982-)，男，江西九江人，碩士，講師，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

TN927+.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0044- 06