張虹 陳林 薛嘉 李怡 康良

(西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043)

航天測控網資源分配主要是根據各類衛(wèi)星用戶需求,使用資源分配策略對有限的資源合理分配,做到資源利用率最高,最大限度滿足各用戶需求。隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展,衛(wèi)星數量迅速增加,測控網資源調度面臨著大量衛(wèi)星同時過境進行數據傳輸的應用要求,使得測運控資源的緊張情況日趨凸顯,為衛(wèi)星提供數傳服務的地面資源也越來越緊張,導致資源沖突大量存在,傳統(tǒng)解決資源沖突的方法是建立測站增加設備,但這將帶來巨大的經濟投入,無論是國內還是國外,面臨高昂的地面站建設、維護成本,全球布站難度都很大[1-5]?；诂F有測控資源基礎,提高資源利用率是解決資源沖突的一種小投入、大收益的有效方法,也是在原有設備數量不變的基礎上,解決航天測控系統(tǒng)資源分配和衛(wèi)星用戶需求矛盾的主要途徑。資源調度過程就是各類約束滿足問題,在滿足各類約束同時提高設備利用率最大化地發(fā)揮地面資源使用效益,是當前航天測控網資源分配首要關注點[6-10]。本文立足現有航天測控網數傳資源基礎,開展數傳資源優(yōu)化策略研究,通過一系列策略組合運用,在原有設備數量不變的基礎上,有效提升資源利用率,提高任務滿足率。

1 數傳資源使用模式分析

1.1 數傳資源使用模式

當前的數傳資源在遵循一定優(yōu)先級的基礎上采用“誰先申請、誰先使用”模式,衛(wèi)星用戶根據需要進行資源申請,資源調度中心完成計劃編排,同時向衛(wèi)星用戶和設備發(fā)送計劃,設備在計劃驅動下完成衛(wèi)星數據的接收;若因為資源緊張導致資源沖突,申請不滿足時,用戶根據需要可進行資源協調,資源協調是人工參與的多次交互,其時效性不高,有高時效性要求的申請,采用協調交互不能滿足用戶需求。

傳統(tǒng)的資源管理模式下,資源粗放式管理一直存在,隨著技術的發(fā)展測控設備與數傳設備在功能上趨于一致,呈現一體化特性,但當前的數傳資源與測控資源仍然分開規(guī)劃,一套設備能完成的工作用兩套設備完成;設備跟蹤模式采用全弧段跟蹤,其實數傳任務有些圈次不需要設備全程跟蹤,有些圈次的數傳量僅需2～3min可完成工作,這種情況若衛(wèi)星完成工作,可直接斷開與設備聯系,設備轉入空閑或下次任務準備,一定程度可緩解資源緊張情況,但當前系統(tǒng)申請只支持按圈號申請,不支持按弧段時長進行申請,一定程度浪費了數傳資源,降低了設備利用率。

1.2 問題研究

在數傳資源日趨緊張的情況下,采用當前的數傳資源使用模式存在數傳資源大量浪費,在數傳設備數量不變的基礎上,將不能很好地完成衛(wèi)星的數傳任務,主要包括以下問題。

(1)“誰先申請、誰先使用”原則,在一定程度導致用戶隨意進行資源“搶占”,可能衛(wèi)星用戶在臨近任務開始時刻會將多申請的資源進行釋放,但對其他用戶來說,時間緊急來不及進行任務規(guī)劃,導致這部分資源浪費,同時降低其他用戶申請滿足率。

(2)數傳資源僅支持按圈號申請,可見即跟蹤模式,如圖1所示,衛(wèi)星進入設備可見范圍(t1～t2),達到設備跟蹤條件開始跟蹤,即跟蹤的最低仰角(t3～t4),開始跟蹤,衛(wèi)星飛離設備可見范圍,停止跟蹤;申請模式不能靈活匹配,導致小于全弧段的設備空閑資源不能完全利用,同時存在“無目的”跟蹤,為做好精細化管理,把資源充分利用起來,支持用戶按滑動窗口靈活匹配模式進行資源申請,可有效提高任務滿足率。

(3)測控數傳分開規(guī)劃模式,這種資源規(guī)劃模式導致數傳和測控資源不能有效地合并,造成資源浪費。

(4)系統(tǒng)運行無有效評估,無法對資源運行情況進行反饋,導致各種問題長期累積,不利于資源更好的使用;良好的評估系統(tǒng)對系統(tǒng)的運行有促進作用,因此完整的評估系統(tǒng)研究也是有必要的。

圖1 可見即跟蹤模式示意圖Fig.1 Schematic of the visible trace mode

2 數傳資源沖突解決方法

隨著衛(wèi)星數量增加,衛(wèi)星的數據傳輸需求也隨之增加,為衛(wèi)星提供數傳服務的資源越來越緊張,一般解決數傳資源沖突的方法如下。

(1)增加測控站,增加測控設備。此方法運維、人員管理等都需要巨大的經濟投入,時效性不高,同時因為國際關系等原因,不可能在全球范圍內建立合適的測控站。

(2)資源協調。主要是人工參與的多次交互,通過資源的挪動、轉讓完成重要任務的數傳資源調整;人工協調在衛(wèi)星數量少,設備少的情況下,有一定的作用,但隨著衛(wèi)星數量迅速增加,調整難度大幅增加,且時效低,調整結果很難達到局部最優(yōu)。

(3)資源調度算法研究。近年來國內外學者針對調度算法進行了一系列的研究,取得了豐碩的研究成果[10],算法研究極大提高了資源利用率及任務申請滿足率。

(4)資源優(yōu)化策略研究。主要是基于算法研究的基礎上,結合系統(tǒng)運行情況,對算法進行更細化、更深入的研究,使算法功能實現更加合理、有效,進一步提升資源利用率、提高任務滿足率。

相比之下,資源優(yōu)化策略研究是節(jié)約成本,提高資源利用率最有效的途徑,基于此,開展航天測控網數傳資源優(yōu)化策略研究是非常有必要的。

3 數傳資源優(yōu)化策略

文章通過研究分析,主要探討滑動窗口靈活匹配策略、算法智能轉讓策略、測控數傳一體化策略,通過以上策略組合應用,在節(jié)省資源的基礎上,進一步提高資源利用率,提高應急申請響應時效。

3.1 滑動窗口靈活匹配策略

在數傳資源日趨緊張的情況下,為保證數傳任務申請的成功率,用戶進行資源申請時根據任務需要可采用全弧段、最小弧段、窗口滑動等組合模式進行資源申請,具體窗口組合模式申請見圖2。任務按3種組合窗口模式發(fā)送申請,當用戶申請全弧段模式,設備無可用空閑資源,用戶可根據任務需要選擇最小弧段模式或窗口可滑動模式進行申請,從圖2可知最小弧段模式下,設備3空閑資源可完成任務,窗口滑動模式下設備1與設備2空閑資源均滿足任務,系統(tǒng)按用戶的優(yōu)先級模式,對可滿足用戶需求的3種解進行排序,最終輸出優(yōu)先級高的解。

圖2 窗口組合模式示意圖Fig.2 Schematic of the window composition mode

3種窗口模式申請過程如下。

(1)全弧段跟蹤模式,即衛(wèi)星和設備互相可視模式。衛(wèi)星飛入設備可視范圍即跟蹤,直至衛(wèi)星飛離設備可視范圍,跟蹤結束,這也是傳統(tǒng)的任務跟蹤模式,此模式用戶申請不夠靈活,存在資源浪費情況,同時導致大量小于全弧段的空閑資源被浪費。

(2)最小弧段模式,即完成該任務需要最短的時間模式,也是指定時間的一種申請模式。用戶根據任務數據量基于設備可見弧段,指定開始時刻或結束時刻,設置完成該任務的最短時間進行資源申請,最小弧段模式可極大提高設備空閑碎片時段的利用率,進而提高任務滿足率。

(3)窗口滑動模式,滿足跟蹤時長的基礎上,開始跟蹤時間和結束跟蹤時間可根據資源空閑情況進行自動調整模式,對跟蹤開始時刻或結束時刻無約束需求,同時多個弧段可滿足時,根據任務需要選擇弧段最長的設備或最先完成任務的弧段,此模式靈活性最高,在資源申請中,成功率也最高。

用戶進行資源申請時,根據任務需要,可對申請模式進行優(yōu)先級設置,申請窗口滑動靈活匹配策略,是在資源緊張情況下,提高數傳資源申請滿足率的一種有效途徑,同時可極大提高數傳資源利用率;使用窗口滑動靈活匹配策略需要與用戶在接口、申請內容、申請模式等方面進行溝通。

3.2 算法智能轉讓策略

算法的應急調整是基于空閑資源及優(yōu)先級模式下的應急資源調整,優(yōu)先級模式下的資源調整可能引起其他多個衛(wèi)星的計劃調整,計劃調整將導致衛(wèi)星指令、載荷上注等一系列錯綜復雜的調整,不利于衛(wèi)星運行的安全,風險較大。算法智能化轉讓策略是在應急調整的模式下盡量做到“影響域最小”,是基于單個任務的挪動,只調整一顆星的跟蹤設備,不調整跟蹤圈次,既保證了計劃的穩(wěn)定性,又提高了應急任務滿足率,提高任務申請響應時效。算法智能轉讓策略示意如圖3所示,設備1與設備2在時間相近時刻執(zhí)行不同任務。從圖3可知,設備1執(zhí)行任務3與任務4,設備2執(zhí)行任務1與任務2,每套設備兩圈任務之間均有空閑時間(設備執(zhí)行完一個任務后,進入下一個任務需要一定的切換時間,因此兩圈次中間空閑時間若可以加入一個新計劃,空閑時間需滿足衛(wèi)星跟蹤時間和設備切換時間之和),當新任務5到來時,執(zhí)行步驟如下。

(1)新任務5申請到來,任務5跟蹤開始時間與設備2跟蹤的任務1沖突,同時任務5跟蹤結束時間與設備1跟蹤的任務4沖突,正常情況下新任務5的申請發(fā)生沖突,系統(tǒng)進入優(yōu)先級模式下的資源調整,若該任務優(yōu)先級高,導致其他任務資源被搶占;若該任務優(yōu)先級低,申請被拒絕,即申請不滿足。

(2)若用戶確實需要該資源,自動系統(tǒng)無法完成時,需要人工進行干預,通過資源來回挪動、轉讓等方法完成資源的調配,人工干預模式導致系統(tǒng)響應時間增加,同時影響域比較大,不利于計劃的穩(wěn)定,影響衛(wèi)星運行安全。

(3)算法智能轉讓模式下,當新任務到來時,系統(tǒng)優(yōu)先查找單任務可挪動資源,在△t1與△t2滿足設備切換時間的情況下,設備1執(zhí)行的任務4挪至設備2執(zhí)行的任務1與任務2之間,設備1的資源釋放。

(4)系統(tǒng)將新任務5的計劃調整至設備1,計劃滿足,向用戶發(fā)布計劃調整結果。

此類情況在衛(wèi)星數量迅速增加、設備數量多的情況大量存在,但現有的系統(tǒng)采取優(yōu)先級模式進行資源調整,算法不夠智能,若不能滿足要求時,由人工干預完成,但設備數量多,依靠工作人員進行查找,反復比對,耗時長,也存在查找不到的情況;因此采用智能轉讓策略,新任務到來時因沖突不能滿足時,算法優(yōu)先查找單任務可挪動資源,不按優(yōu)先級模式,可進一步提高任務響應時效。

圖3 算法智能轉讓示意圖Fig.3 Algorithm intelligent transfer schematic

3.3 測控數傳一體化策略

測控數傳一體化策略是最大限度提高資源利用率、節(jié)省資源的一種方法,當新任務到來時,不再優(yōu)先查找空閑資源,而是優(yōu)先查找可合并執(zhí)行的任務,即數傳和測控任務同由一套設備來執(zhí)行的情況,若無可一體化執(zhí)行的任務,再查找其他可用資源。執(zhí)行過程見圖4。

一體化資源申請的執(zhí)行步驟如下。

(1)新任務到來時,算法優(yōu)先查找可“影隨”資源,檢測任務在申請圈次或時間段內是否存在已分配的計劃,如果能向已分配計劃“影隨”,優(yōu)先進行“影隨”,不獨立分配資源。

(2)當申請圈次或時間段內無可“影隨”資源,查找空閑資源,依據申請內容匹配得到空閑可用弧段集合后,優(yōu)先選用設備功能較為單一的弧段,盡量預留設備功能強的資源用于后續(xù)應急申請。(隨著應急任務增加,可用資源逐漸減少,為保證后續(xù)應急申請盡可能滿足,盡量預留“好用”資源)。

圖4 一體化資源申請流程Fig.4 Integrated resource application process

(3)無可“影隨”資源及空閑資源時,查找可轉讓資源,同樣,在轉讓過程中查找資源補償時,優(yōu)先選用功能較為單一的設備。

(4)以上流程都不能滿足任務需求時,算法按優(yōu)先級設置了可搶占資源,優(yōu)先級高的任務在應急情況下可直接搶占優(yōu)先級低的任務,被搶占的資源進行資源補償時,依照以上流程。

采用測控數傳一體化策略,可發(fā)揮設備最大潛能,盡可能節(jié)省資源,提高資源利用率,同時提高任務響應時間,可更好的滿足用戶需求,在當前數傳資源緊張的情況下,對資源更精細的管理是提高任務滿足率的有效途徑。

4 策略應用

4.1 滑動窗口靈活匹配策略應用結果

選取40顆衛(wèi)星和分布在不同點位的5套設備,在滑動窗口靈活匹配策略引入的情況下進行3次驗證,按每顆星升降軌各3圈、4圈、5圈進行驗證。在實際工程上,每個點位部署設備較多,衛(wèi)星軌道高低不同,與地面設備可見時間不同,因此此次驗證結果和選取的衛(wèi)星型號有關,為充分驗證該策略的有效性,本次驗證選取軌道高度為1000km左右的40顆衛(wèi)星,軌道高度接近,衛(wèi)星與地面設備可見時間也比較接近,衛(wèi)星資源爭用情況比較突出,驗證結果見表1。

表1 滑動窗口靈活匹配驗證結果Table 1 Sliding Windows match the results flexibly

從表1可看出:在申請圈次不斷增加的情況下,采用滑動窗口靈活匹配策略,可有效提高任務滿足率;在申請數量少的情況下,系統(tǒng)能力提升較少;隨著申請數量增加,滑動窗口靈活匹配策略優(yōu)勢較為明顯。

4.2 算法智能轉讓策略應用結果

通過對設備可使用時間禁用,保證3套設備冗余度接近50%的情況下,發(fā)送應急申請分別為10圈、20圈、30圈,驗證結果見表2。

從表2可看出:使用算法智能轉讓策略可顯著提高系統(tǒng)平均響應時間,提高任務滿足率;尤其申請圈數逐漸增加的情況下,算法智能轉讓策略系統(tǒng)響應時間優(yōu)勢較為明顯。

表2 算法智能轉讓驗證結果Table 2 Algorithm intelligent transfer verification results

4.3 測控數傳一體化策略應用結果

表3給出了某一周3套設備任務數量,3套設備均具備測控數傳一體化功能,分布點位不同,按可見數傳接收衛(wèi)星“圈圈分配資源”的最高數傳接收需求,3套設備當周可見數傳圈見表3,采用數傳一體化策略后,系統(tǒng)成功融合圈次即為可節(jié)約的測控任務圈次。

表3 測控數傳一體化驗證結果Table 3 Test and control data transmission integration verification results

從表3可看出:采用測控數傳一體化策略后,當周各設備可釋放較多空閑資源,隨著任務量的增加,測控數傳成功融合數量將進一步增加,采用此策略可極大提高任務滿足率,提高資源利用率,并增加設備冗余度。

5 結束語

數傳資源優(yōu)化策略是有效提高資源利用率的主要途徑,文章對傳統(tǒng)的數傳資源使用模式及解決資源沖突的方法進行分析,并對其存在的問題進行了探討,在此基礎上,提出窗口可滑動靈活匹配、算法智能轉讓、測控數傳一體化等數傳使用優(yōu)化策略,通過對策略的深入研究并經過方法驗證,以上策略可有效提高資源利用率及系統(tǒng)響應時間;同時測站設備資源動態(tài)重組可極大挖掘設備潛力,完善的評估機制可有效提高整個系統(tǒng)運行效率,進而提高資源使用效率,這些策略還需進一步探討,本文的研究為后續(xù)工程應用提供了借鑒。