本發(fā)明涉及一種中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應用領域，特別是關于一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理方法及系統(tǒng)。
背景技術：
：中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是利用地球靜止或高軌道衛(wèi)星對中低軌道航天器和非航天器等用戶目標進行跟蹤測控和數(shù)據(jù)中繼的空間信息傳輸系統(tǒng)。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務具有如下特點：同時存在多類型天線執(zhí)行中繼業(yè)務，并且業(yè)務必須在用戶目標可視窗口范圍內(nèi)進行；用戶目標通常具有高動態(tài)性和一定的軌道特征，業(yè)務時空跨度大；中繼衛(wèi)星提供服務的具體方式是通過單址天線轉動或多址天線數(shù)字波束合成跟蹤指向用戶。隨著我國航天任務復雜度和需求數(shù)量的增大，受限于地面站和同步軌道軌位資源，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將更加廣泛應用于包括載人航天、高分辨率對地觀測、空間快速應急響應、天基預警等任務，用戶需求呈現(xiàn)多樣化特點。系統(tǒng)實際應用表明：對多樣化用戶需求的處理環(huán)節(jié)是影響系統(tǒng)應用效益的關鍵。目前，學術界和衛(wèi)星運控部門限于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務的復雜性和多樣性，關于提升系統(tǒng)效益的研究主要集中在優(yōu)化資源分配算法方面，對用戶需求分析及其中繼業(yè)務特征的研究較少。從可查閱的資料看，研究思路通常是基于給定中繼業(yè)務輸入和業(yè)務不可分解的條件下，針對資源分配算法本身開展優(yōu)化工作，提升中繼衛(wèi)星系統(tǒng)效益。然而，從系統(tǒng)實際運控看，中繼資源分配過程與用戶業(yè)務需求規(guī)劃這兩個環(huán)節(jié)相互影響，如果僅考慮從業(yè)務需求規(guī)劃到資源分配的單向信息傳遞，難以達到資源分配結果與業(yè)務需求規(guī)劃方案的匹配，從而影響全局優(yōu)化效果。技術實現(xiàn)要素：針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理方法及系統(tǒng)，其能夠統(tǒng)一處理多樣化業(yè)務需求和工作約束，為中繼系統(tǒng)分配提供較為完整同時具有一定柔性的輸入信息，從而提升系統(tǒng)應用效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理方法，其特征在于包括以下步驟：1)獲取業(yè)務中心的中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β；2)設定表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件；3)根據(jù)中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β以及約束條件，得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ，完成對中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理。進一步，所述步驟1)中，中繼用戶原始需求集合α包括用戶數(shù)據(jù)量傳輸需求Vd、對用戶跟蹤測量的軌道覆蓋需求Co和業(yè)務發(fā)生在特定時空范圍內(nèi)的需求Dt,s。進一步，所述步驟1)中，中繼用戶主要約束集合β包括業(yè)務開始時刻可延遲的時長約束Ltmax、對數(shù)據(jù)中繼傳輸速率的約束Rbmax、用戶中繼終端載荷工作時長約束最大值Tmax和最小值Tmin、同一用戶所屬相鄰業(yè)務最大時間間隔Tgmax和最小時間間隔Tgmin以及用戶自身任務規(guī)劃周期的時長跨度約束Tp。進一步，所述步驟2)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件為：其中，Tn,d為第n個中繼業(yè)務時長；Rn,b為第n個中繼業(yè)務的傳輸速率；Ln,t為第n個業(yè)務開始時刻的容忍延遲；Tn,g為第(n+1)個業(yè)務開始時刻距第n個業(yè)務結束時刻時間間隔。進一步，所述步驟3)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ具體獲取方法如下：3.1)根據(jù)中繼用戶原始需求集合α中業(yè)務發(fā)生在特定時空范圍內(nèi)的需求Dt,s和中繼用戶主要約束集合β中業(yè)務開始時刻的容忍延遲Ltmax，得到γ中業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布Ptn,z；3.2)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(4)，計算得到業(yè)務容忍延遲Lt；3.3)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(3)，計算得到中繼傳輸速率Rb；3.4)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(2)和中繼傳輸速率Rb，計算得到中繼業(yè)務時長Td；3.5)聯(lián)合表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(1)和(7)，以及中繼業(yè)務時長Td，計算得到用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np；3.6)根據(jù)用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np和表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(6)，計算得到同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg；3.7)判斷同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg和中繼業(yè)務時長Td是否滿足表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(5)，若滿足則輸出中繼傳輸速率Rb、中繼業(yè)務時長Td、用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np和同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg；3.8)根據(jù)上述步驟得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ。進一步，所述步驟3.1)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ中繼業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布Ptn,z分別包括業(yè)務在時間維度的概率分布和在空間維度的概率分布。進一步，所述中繼業(yè)務在時間維度的分布情況由業(yè)務開始時刻落入任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)各時間子區(qū)間的概率分布表征，第n個業(yè)務開始時刻落入時段tn的概率為pn，tn，且：進一步，所述中繼業(yè)務在空間的分布情況由業(yè)務開始點和結束點坐標對應的天線方位角、俯仰角分別落入各角度子區(qū)間的概率分布描述，業(yè)務開始點對應的方位角和俯仰角分別落入角度區(qū)間zα和zβ的概率為和業(yè)務結束點表示方法與業(yè)務開始點相同；且：進一步，所述步驟3)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ包括中繼業(yè)務時長Td、用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np、中繼傳輸速率Rb、中繼業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布情況Ptn,z、中繼業(yè)務開始時刻的容忍延遲Lt和同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg。一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理系統(tǒng)，其特征在于包括：數(shù)據(jù)獲取模塊、約束提交設定模塊和預處理模塊；所述數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取業(yè)務中心的中繼用戶原始需求集合和中繼用戶主要約束集合；所述約束提交設定模塊用于設定表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合的約束條件；所述預處理模塊用于根據(jù)中繼用戶原始需求集合和中繼用戶主要約束集合以及約束條件，得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合，完成預處理。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明從實際中繼業(yè)務數(shù)據(jù)中提取用戶主要需求和工作約束，構建一組能夠表征多樣化業(yè)務需求的參數(shù)，為中繼系統(tǒng)分配提供較為完整同時具有一定柔性的輸入信息，從而提升系統(tǒng)應用效率。2、本發(fā)明較已有方法能提供更高的中繼業(yè)務調(diào)度完成率和更低的中繼天線無效資源占比，從而提升系統(tǒng)應用效益。3、本發(fā)明實現(xiàn)復雜度低，可用于實際工程。本發(fā)明可以廣泛在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)領域應用。附圖說明圖1是本發(fā)明中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明用戶中繼業(yè)務特征參數(shù)集合γ計算流程示意圖；圖3是本發(fā)明中繼衛(wèi)星系統(tǒng)雙星服務場景示意圖；圖4是本發(fā)明調(diào)度業(yè)務完成率示意圖；圖5是本發(fā)明單址天線無效資源占比示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明提供一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理方法，其包括以下步驟：1)獲取業(yè)務中心的中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β；其中，中繼用戶原始需求集合α＝{α1，α2，…，αN}，β＝{β1，β2，…，βN}；2)設定表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件；3)根據(jù)中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β以及約束條件，得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ，γ＝{γ1，γ2，…，γN}，完成對中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理。上述步驟1)中，中繼用戶原始需求集合α包括用戶數(shù)據(jù)量傳輸需求Vd、對用戶跟蹤測量的軌道覆蓋需求Co和業(yè)務發(fā)生在特定時空范圍內(nèi)的需求Dt,s。上述步驟1)中，中繼用戶主要約束集合β包括以下參數(shù)：(1)業(yè)務開始時刻可延遲的時長約束Ltmax，即業(yè)務實際開始時刻距理論開始時刻可推遲最大時間。(2)對數(shù)據(jù)中繼傳輸速率的約束Rbmax，即用戶載荷能夠支持的最高速率。(3)用戶中繼終端載荷工作時長約束最大值Tmax和最小值Tmin，即用戶中繼終端可持續(xù)工作的最大時長和最小時長。(4)同一用戶所屬相鄰業(yè)務最大時間間隔Tgmax和最小時間間隔Tgmin。(5)用戶自身任務規(guī)劃周期的時長跨度約束Tp。上述步驟2)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件為：其中，在表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ基礎上，針對該用戶第n個中繼業(yè)務定義如下具體變量：第n個中繼業(yè)務時長Tn,d；第n個中繼業(yè)務的傳輸速率Rn,b；第n個業(yè)務開始時刻的容忍延遲Ln,t；第(n+1)個業(yè)務開始時刻距第n個業(yè)務結束時刻時間間隔Tn,g，業(yè)務的開始和結束時刻分別為和該業(yè)務開始和結束點在中繼天線k坐標系下對應的空間位置坐標由天線方位角和俯仰角組成，分別表示為和上述步驟3)中，如圖2所示，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ具體獲取方法如下：3.1)根據(jù)中繼用戶原始需求集合α中業(yè)務發(fā)生在特定時空范圍內(nèi)的需求Dt,s和中繼用戶主要約束集合β中業(yè)務開始時刻的容忍延遲Ltmax，得到γ中業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布Ptn,z；為了說明中繼業(yè)務在時間和空間維度的分布定義如下變量：將一個任務周期均勻劃分為TN個時段，用tn代表每個時段的編號，從1開始順序編號。將中繼天線方位角、俯仰角轉動最大范圍分別劃分Zα和Zβ個角度區(qū)間，用zα和zβ分別代表方位角和俯仰角區(qū)間的編號，都從1開始順序編號。3.2)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(4)，計算得到業(yè)務容忍延遲Lt；3.3)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(3)，計算得到中繼傳輸速率Rb；3.4)根據(jù)表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(2)和中繼傳輸速率Rb，計算得到中繼業(yè)務時長Td；3.5)聯(lián)合表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(1)和(7)，以及中繼業(yè)務時長Td，計算得到用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np；3.6)根據(jù)用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np和表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(6)，計算得到同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg；3.7)判斷同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg和中繼業(yè)務時長Td是否滿足表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件(5)，若滿足則輸出中繼傳輸速率Rb、中繼業(yè)務時長Td、用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np和同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg；不滿足則返回步驟3.3)；3.8)根據(jù)上述步驟得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ。上述步驟3.1)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ中繼業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布Ptn,z分別包括業(yè)務在時間維度的概率分布和在空間維度的概率分布，具體計算過程如下：3.1.1)中繼業(yè)務在時間維度的分布情況由業(yè)務開始時刻落入任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)各時間子區(qū)間的概率分布表征，第n個業(yè)務開始時刻落入時段tn的概率為pn,tn，且：3.1.2)采用中繼衛(wèi)星天線坐標系下的業(yè)務開始點和結束點坐標(由中繼天線方位角和俯仰角組成)表示業(yè)務的空間位置信息，故中繼業(yè)務在空間的分布情況由業(yè)務開始點和結束點坐標對應的天線方位角、俯仰角分別落入各角度子區(qū)間的概率分布描述。業(yè)務開始點對應的方位角和俯仰角分別落入角度區(qū)間zα和zβ的概率為和業(yè)務結束點表示方法與業(yè)務開始點相同；且：上述步驟3)中，表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ包括以下參數(shù)：(1)中繼業(yè)務時長Td。(2)用戶任務規(guī)劃周期范圍內(nèi)的中繼業(yè)務次數(shù)Np。(3)中繼傳輸速率Rb。在實際工程中，首先盡量選擇較高速率完成用戶需求，如業(yè)務調(diào)度前估算通信鏈路質(zhì)量不能滿足要求,就可能提前調(diào)低中繼傳輸速率。(4)中繼業(yè)務在時間和空間兩個維度的分布情況Ptn,z。(5)中繼業(yè)務開始時刻的容忍延遲Lt，指業(yè)務實際開始時刻距理論開始時刻可推遲的時間長度，該參數(shù)反映業(yè)務在時間域的急迫程度。(6)同一用戶所屬相鄰中繼業(yè)務的時間間隔Tg，它反映了用戶載荷能源、軟硬件設備狀態(tài)切換以及業(yè)務之間的邏輯關系。本發(fā)明還提供一種中繼衛(wèi)星業(yè)務需求預處理系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)獲取模塊、約束提交設定模塊和預處理模塊。其中：數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取業(yè)務中心的中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β；約束提交設定模塊用于設定表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ的約束條件；預處理模塊用于根據(jù)中繼用戶原始需求集合α和中繼用戶主要約束集合β以及約束條件，得到表征用戶中繼業(yè)務的特征參數(shù)集合γ，完成預處理。實施例：1)采用本發(fā)明對TDRSS的多種業(yè)務需求進行統(tǒng)一處理，檢驗是否具有一定的適用性。2014年美國TDRSS為NASA、美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S.geologicalsurvey,USUG)和美國國家海洋和大氣管理局(nationaloceanicandatmosphericadministration,NOAA)三大機構所屬6大類共41個用戶提供中繼服務，具體信息如表2所示。表2TDRSS2014年主要用戶信息用戶類型標識用戶數(shù)低軌、低速、科學類LEO-Sci-Low21低軌、中速、科學類LEO-Sci-Mod1低軌、高速、科學類LEO-Sci-Mod3大橢圓軌道、中速、科學類LEO-Sci-Low12地軌氣象類LEO-Weather3低軌載人飛船LEO-HSF1將TDRSS用戶主要需求和工作約束作為本系統(tǒng)的輸入信息，輸出結果見表3，說明本方法適用于描述多種類型中繼業(yè)務。其中U(x,y)表示在[x,y]之間均勻分布。表3TDRSS主要用戶中繼業(yè)務特征2)將本發(fā)明用于典型的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)雙星調(diào)度服務場景，分析對于調(diào)度效率的影響。中繼衛(wèi)星雙星服務場景如圖3所示。單顆中繼衛(wèi)星安裝2面單址天線支持S和Ka兩個頻段，1面多址天線支持S頻段多址業(yè)務。2顆中繼衛(wèi)星共計6面天線提供調(diào)度服務，用戶申請調(diào)度服務的業(yè)務總數(shù)為400個，任務規(guī)劃周期為86400s。根據(jù)業(yè)務時長和窗口滑動范圍的不同設計5種業(yè)務數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)隨機生成5組實例，共計25組業(yè)務實例，再在每組實例中引入業(yè)務時空分布信息。采用貪婪算法分2種情況對每組實例進行調(diào)度求解：1)現(xiàn)有方法；3)本發(fā)明方法。為了比對2種情況對應的調(diào)度結果，定義調(diào)度業(yè)務完成率和單址天線無效資源占比這2個指標。調(diào)度業(yè)務完成率表示可以調(diào)度完成的業(yè)務數(shù)與業(yè)務需求總數(shù)的比值，仿真結果如圖4所示。單址天線無效資源占比定義為天線在相鄰業(yè)務間轉動的累積時長與單址天線總的任務規(guī)劃周期比值：其中，Tp和NSA分別表示任務規(guī)劃周期和單址天線個數(shù)，Nk為第k個單址天線上安排調(diào)度的業(yè)務數(shù)，表示單址天線k從第(i-1)個業(yè)務結束點到第i個業(yè)務開始點的轉動時長，仿真結果如圖5所示。仿真結果表明：采用本文方法，中繼業(yè)務調(diào)度完成率平均增加10.65％，天線無效資源占比平均減少12.85％，有效提升了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)調(diào)度效率。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各個步驟及結構都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別步驟進行的改進和等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。當前第1頁1 2 3