本發(fā)明屬于空間信息技術領域，主要涉及空間信息網(wǎng)絡資源管理方法，可用于空間信息信息網(wǎng)絡的任務規(guī)劃與調度過程。

背景技術：

空間信息網(wǎng)絡是我國重要的基礎設施，是支持對地觀測、遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸、航天測控的重要平臺。然而，由于衛(wèi)星、地面站等空間信息網(wǎng)絡設施造價高、衛(wèi)星發(fā)射周期長等缺點，我國空間信息網(wǎng)絡長期面臨資源緊張、供不應求的局面。為了緩解資源緊張和業(yè)務發(fā)展的矛盾，研究適用于空間信息網(wǎng)絡的高效資源管理方法十分重要。

空間信息網(wǎng)絡中完成同一任務往往需要多種資源,但由于衛(wèi)星的運動特性，網(wǎng)絡中的資源具有時變性。同時，由于星載能量有限、維持衛(wèi)星姿態(tài)等原因，空間信息網(wǎng)絡中的部分資源若同時被調度可能會發(fā)生沖突，且由于星載能量和天線擺動時間等導致資源沖突的因素具有時變性，使得空間信息網(wǎng)絡中的資源沖突同樣具有時變性。繁多的資源種類、不同的任務對需求的多樣性、網(wǎng)絡資源以及資源之間沖突的時變性給空間信息網(wǎng)絡資源的管理帶來極大的挑戰(zhàn)。

以往對空間信息網(wǎng)絡的研究中，大多數(shù)把空間信息網(wǎng)絡的資源管理問題轉化為并行機調度問題。例如在Laura Barbulescu的文章“Scheduling Space–Ground Communications for the Air Force Satellite Control Network”中，把空間信息網(wǎng)絡中的任務調度問題建模為帶時間窗的并行機調度問題。這類方法無法建模由于星體運動特性所帶來的資源沖突的時變性問題。而且，并行機調度模型限制每個任務只能被調度一次，且只能被統(tǒng)一機器執(zhí)行，然而，在實際的空間信息網(wǎng)絡中，當一個任務的數(shù)據(jù)較多時，其往往會分多次并經(jīng)由不同的中繼衛(wèi)星或者地面站傳回地面數(shù)據(jù)中心，因而現(xiàn)實工作無法運用這一模式，從而影響了空間信息網(wǎng)絡資源的高效利用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種面向任務的空間信息網(wǎng)絡資源管理方法，以降低空間信息網(wǎng)絡資源管理的復雜度，提高空間信息網(wǎng)絡的資源的利用率。

實現(xiàn)本發(fā)明目的技術方案是：通過使用時變資源沖突圖建模網(wǎng)絡中的資源沖突，將空間信息網(wǎng)絡中資源調度問題轉化為求解圖的獨立集的問題，同時，將空間信息網(wǎng)絡中的任務規(guī)劃問題建模為無沖突資源時變圖的多商品流問題，其實現(xiàn)方法如下：

1、一種面向任務的空間信息網(wǎng)絡資源管理方法，其特征在于：包括：

(1)初始化步驟：

(1a)初始化空間信息網(wǎng)絡的觀測衛(wèi)星集合OS＝{os₁,os₂,...,os_n,...}，中繼衛(wèi)星集合RS＝{rs₁,rs₂,...,rs_n,...}，地面站集合GS＝{gs₁,gs₂,...,gs_n,...}，網(wǎng)絡中的任務集合OM＝{om₁,om₂,...,om_n,...}，其中os_n表示第n顆觀測衛(wèi)星，rs_n表示第n顆中繼衛(wèi)星，gs_n表示第n個地面站，om_n表示第n個任務；

將每個任務用一個四維向量描述，即om_n＝(ob_n,st_n,et_n,w_n)，其中ob_n表示第n項任務的待觀測目標，st_n表示第n項任務的最早開始時間，et_n表示第n項任務的最晚結束時間，w_n表示第n項任務需要采集的數(shù)據(jù)量；

(1b)將空間信息網(wǎng)絡的規(guī)劃周期[0,T]劃分為M個等長的時間間隔，每個時間間隔的長度為τ＝T/M；

(1c)根據(jù)星歷表中星體的運動軌跡，計算觀測目標是否在觀測衛(wèi)星的觀測范圍內，計算中繼衛(wèi)星和地面站是否在觀測衛(wèi)星的通信范圍內；

(2)構建資源時變圖：

(2a)初始化一張空白的M層有向圖，其中的時隙用k表示，k∈1,2,…,M；

(2b)在(2a)中的M層有向圖中依次添加觀測衛(wèi)星頂點、中繼衛(wèi)星頂點、地面站頂點和待觀測點頂點；

(2c)繼續(xù)在(2b)中得到的圖上再依次添加觀測弧、存儲弧和傳輸弧，以從空間和時間兩個維度上表征觀測、存儲和傳輸三種資源，得到所需的資源時變圖；

(3)構建資源時變沖突圖，表征網(wǎng)絡中資源的沖突情況：

(3a)初始化一張空白的M層有向圖，其中的時隙用k表示，k∈1,2,…,M；

(3b)在步驟(2)構建的資源時變圖中選出與其他弧發(fā)生沖突的弧，并用這些弧作為資源時變沖突圖中的頂點，構成資源時變沖突圖的頂點集合；

(3c)根據(jù)星載能量和衛(wèi)星姿態(tài)的調整情況確定資源時變沖突圖中的頂點所代表的資源兩兩之間是否沖突，若存在沖突，則將對應的兩個頂點連接起來，即添加邊；

(3d)根據(jù)(3b)的規(guī)則，遍歷資源時變圖中的弧，決定是否在資源時變沖突圖中添加頂點，并根據(jù)(3c)的規(guī)則，決定是否在資源時變沖突圖中添加相應的邊，直至遍歷完資源時變圖中所有的弧，完成頂點與邊的添加，得到所需的資源時變沖突圖；

(4)從資源時變沖突圖的頂點集合中選擇出一個無沖突的頂點集合，得到資源時變沖突圖的一個獨立集；

(5)對照獨立集，刪除資源時變圖中的弧，使得資源時變圖中剩余的弧所代表的資源是無沖突的，得到一個無沖突的資源時變圖；

(6)將空間信息網(wǎng)絡中的任務映射為無沖突的資源時變圖中的流，通過求解資源時變圖的多商品流問題，得到一組最優(yōu)的流組合，即得到最優(yōu)的任務調度方案。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：

1)本發(fā)明通過構造資源時變圖從空間、時間兩個維度表征空間信息網(wǎng)絡中的觀測、存儲、傳輸資源，既刻畫了衛(wèi)星運動對網(wǎng)絡中資源分布的影響，又能夠描述不同資源間的承接轉換關系。

2)本發(fā)明通過構造資源時變沖突圖中表征空間信息網(wǎng)絡中不同資源間的沖突的相關性和時變性，并且將空間信息網(wǎng)絡的資源無沖突調度問題轉化為圖論中的求解獨立問題，從而降低了問題的求解難度。

3)本發(fā)明通過將空間信息網(wǎng)絡中的任務調度問題轉化為無沖突資源時變圖中的多商品流問題，不但可以多次完成建模任務和多資源調度過程，而且大大簡化了空間信息網(wǎng)絡中資源管理問題的計算復雜度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明使用的場景示意圖；

圖2是本發(fā)明的整體流程示意圖；

圖3是本發(fā)明網(wǎng)絡每個時隙中的觀測衛(wèi)星與待觀測目標、觀測衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星以及觀測衛(wèi)星與地面站之間的可見情況示意圖；

圖4是本發(fā)明中的資源時變圖。

圖5是本發(fā)明中的資源時變沖突圖。

圖6是本發(fā)明中的資源時變沖突圖的獨立集。

圖7是本發(fā)明中的無沖突資源時變圖。

圖8是本發(fā)明中的資源分配方案。

具體實施方式

本實例從一個空間信息網(wǎng)絡出發(fā)，來說明本發(fā)明的實施過程。

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

參照圖1，本實例使用的空間信息網(wǎng)絡包含兩顆低軌觀測衛(wèi)星os₁、os₂，一顆位于同步軌道的中繼衛(wèi)星rs₁，一個地面站gs₁，兩個待觀測點ob₁、ob₂。網(wǎng)絡中有兩個任務，分別為om₁＝(ob₁,0,4τ,2rτ)、om₂＝(ob₂,0,4τ,2rτ)。網(wǎng)絡的規(guī)劃周期為[0,4τ]。其中網(wǎng)絡規(guī)劃周期分為4個等長的時間間隔，每個時間間隔的長度用τ表示，另外r表示網(wǎng)絡中觀測衛(wèi)星觀測過程中的數(shù)據(jù)收集速率。以任務om₁為例，表示待觀測目標為ob₁，任務最早開始時間為0，任務的最晚結束時間為4τ，任務需要采集的數(shù)據(jù)量為2rτ。同時觀測衛(wèi)星到中繼衛(wèi)星鏈路的傳輸速率為2r，觀測衛(wèi)星到地面站鏈路的傳輸速率為2r，中繼衛(wèi)星到地面站鏈路的傳輸速率為2r。觀測衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星和地面站的存儲容量均為4r·τ。

參見圖2，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，初始化待表征空間信息網(wǎng)絡的衛(wèi)星、地面站、待觀測點集合及規(guī)劃周期等參量：

(1a)初始化理空間信息網(wǎng)絡的衛(wèi)星、地面站、待觀測點集合，具體為：觀測衛(wèi)星集合OS＝{os₁,os₂}，中繼衛(wèi)星集合RS＝{rs₁}，地面站集合GS＝{gs₁}，任務集合OM＝{om₁,om₂}；

(1b)將待管理空間信息網(wǎng)絡的規(guī)劃周期[0,4τ]劃分為4個等長的時間間隔，每個時間間隔的長度為τ；

(1c)根據(jù)星歷表中星體的運動軌跡，輸入衛(wèi)星軌道高度、衛(wèi)星軌道傾角、地面站的位置三個參量，利用衛(wèi)星工具包STK直接計算觀測目標是否在觀測衛(wèi)星的觀測范圍內，以及中繼衛(wèi)星和地面站是否在觀測衛(wèi)星的通信范圍內：

如果觀測目標在觀測衛(wèi)星的觀測范圍內，就代表觀測衛(wèi)星和觀測目標之間可見，否則為不可見；

如果中繼衛(wèi)星在觀測衛(wèi)星的通信范圍內，代表中繼衛(wèi)星和觀測衛(wèi)星之間可見，否則為不可見；

如果地面站在觀測衛(wèi)星的通信范圍內，代表地面站和觀測衛(wèi)星之間可見，否則為不可見；

根據(jù)衛(wèi)星工具包STK計算輸出的是否可見的結果，最終得到如圖3所示的觀測衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、地面站和觀測目標兩兩之間的可見情況，其中橫軸是表示時間，縱軸表示是否可見，每條藍線表示一對節(jié)點間的可見關系，高狀態(tài)表示可見，低狀態(tài)表示不可見。

可見情況主要分為四類：

第一類為觀測目標與觀測衛(wèi)星之間的可見情況，包括ob₁-os₁，ob₁-os₂，ob₂-os₁，ob₂-os₂這四種，其中ob₁-os₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₁在第1個時隙和第2個時隙可以看見待觀測目標ob₁，在第3個時隙和第4個時隙不可見；ob₁-os₂的可見情況為觀測衛(wèi)星os₂在第4個時隙可以看見待觀測目標ob₁，在第1個、第2個和第3個時隙不可見；ob₂-os₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₁在第2個和第3個時隙可以看見待觀測目標ob₂，在第1個和第4個時隙不可見；ob₂-os₂的可見情況為觀測衛(wèi)星os₂在第1個和第2個時隙可以看見待觀測目標ob₂，在第3個和第4個時隙不可見；

第二類為觀測衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星之間的可見情況，包括os₁-rs₁，os₂-rs₁這兩種，其中os₁-rs₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₁在第3個和第4個時隙可以看見中繼衛(wèi)星rs₁，在第1個和第2個時隙不可見；os₂-rs₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₂在第1個、第2個和第3個時隙可以看見中繼衛(wèi)星rs₁，在第4個時隙不可見；

第三類為觀測衛(wèi)星與地面站之間的可見情況，包括os₁-gs₁，os₂-gs₁這兩種，其中os₁-gs₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₁在所有時隙均看不見地面站gs₁；os₂-gs₁的可見情況為觀測衛(wèi)星os₂在第4個時隙可以看見地面站gs₁，在第1個、第2個和第3個時隙不可見；

第四類為中繼衛(wèi)星與地面站之間的可見情況為rs₁-gs₁這一種，且rs₁-gs₁的可見情況為中繼衛(wèi)星rs₁在所有時隙均可以看見地面站gs₁。

步驟2，繪制資源時變圖，分別從時間、空間兩個維度表征網(wǎng)絡中的資源。

(2a)初始化一張空白的4層有向圖，如圖4(a)所示；

(2b)在(2a)中的4層有向圖中依次添加三類頂點，分別為觀測衛(wèi)星頂點、中繼衛(wèi)星頂點、地面站頂點和待觀測點頂點，如圖4(b)所示：

(2b1)在4層有向圖中添加觀測衛(wèi)星頂點頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的觀測衛(wèi)星os₁；頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的觀測衛(wèi)星os₂；

(2b2)在4層有向圖中添加中繼衛(wèi)星頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的中繼衛(wèi)星rs₁；

(2b3)在4層有向圖中添加地面站頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的地面站gs₁；

(2b4)在4層有向圖中添加待觀測點頂點待觀測點頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的待觀測點ob₁；待觀測點頂點分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中的待觀測點ob₂；

(2c)繼續(xù)在(2b)中得到的圖上再依次添加觀測弧、存儲弧和傳輸弧，以從空間和時間兩個維度上表征觀測、存儲和傳輸三種資源，得到所需的資源時變圖，如圖4(c)所示；

(2c1)在(2b)中得到的4層有向圖中添加觀測弧其中觀測弧分別表示觀測衛(wèi)星os₁在第1個、第2個時隙能夠觀測到待觀測點ob₁；觀測弧表示觀測衛(wèi)星os₂在第4個時隙能夠觀測到待觀測點ob₁；觀測弧表示觀測衛(wèi)星os₂在第1個、第2個時隙能夠觀測到待觀測點ob₂；觀測弧表示觀測衛(wèi)星os₁在第2個、第3個時隙能夠觀測到待觀測點ob₂；且每個觀測弧在一個時隙能夠觀測到的數(shù)據(jù)至多為r·τ。

(2c2)在資源時變圖中添加三種存儲?。?/p>

在資源時變圖中添加觀測存儲弧其中觀測存儲弧表示在t＝τ、t＝2τ、t＝3τ時刻觀測衛(wèi)星os₁至多能夠存儲的數(shù)據(jù)量為4r·τ；觀測存儲弧表示在t＝τ、t＝2τ、t＝3τ時刻觀測衛(wèi)星os₂至多能夠存儲的數(shù)據(jù)量為4r·τ；

在資源時變圖中添加中繼存儲弧分別表示在t＝τ、t＝2τ、t＝3τ時刻觀測衛(wèi)星rs₁至多能夠存儲的數(shù)據(jù)量為4r·τ；

在資源時變圖中添加地面站存儲弧分別表示在t＝τ、t＝2τ、t＝3τ時刻觀測衛(wèi)星gs₁至多能夠存儲的數(shù)據(jù)量為4r·τ。

(2c3)在資源時變圖中添加三種傳輸?。?/p>

在資源時變圖中添加觀測-中繼傳輸弧其中觀測-中繼傳輸弧分別表示在第3個、第4個時隙觀測衛(wèi)星os₁到中繼衛(wèi)星rs₁的鏈路至多能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2r·τ；觀測-中繼傳輸弧分別表示在第1個、第2個和第3個時隙觀測衛(wèi)星os₂到中繼衛(wèi)星rs₁的鏈路至多能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2r·τ；

在資源時變圖中添加觀測-地面站傳輸弧觀測-地面站傳輸弧表示在第4個時隙觀測衛(wèi)星os₂到地面站gs₁的鏈路至多能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2r·τ；

在資源時變圖中添加中繼-地面站傳輸弧分別表示在第1個、第2個、第3個和第4個時隙中繼衛(wèi)星rs₁到地面站gs₁的鏈路至多能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2r·τ。

步驟3，繪制資源時變沖突圖表征網(wǎng)絡中資源的沖突。

(3a)初始化一張空白的4層有向圖，其中的時隙用k表示，k∈1,2,3,4；

(3b)在步驟(2)構建的資源時變圖中選出與其他弧發(fā)生沖突的弧，選出的弧為并用這些弧作為資源時變沖突圖中的頂點，構成資源時變沖突圖的頂點集合，即對應頂點V_o(1,1,1)、V_o(2,2,1)、V_o(1,1,2)、V_o(2,1,2)、V_o(2,2,2)、V_o(2,1,3)、V_tr(1,1,3)、V_tr(1,1,4)、V_tr(2,1,2)、V_tr(2,1,3)、V_tg(2,1,4)，其中，下標o代表觀測動作，下標tr代表到中繼衛(wèi)星的傳輸動作，下標tg代表到地面站的傳輸動作；

以V_o(1,1,1)為例，第一個1代表待觀測目標ob₁，第二個1代表觀測衛(wèi)星os₁，第三個1代表第一個時隙，整體表示觀測衛(wèi)星在第一個時隙對待觀測目標進行觀測所需的資源；以V_tr(1,1,3)為例，第一個1代表觀測衛(wèi)星os₁，第二個1代表中繼衛(wèi)星rs₁，3代表第三個時隙，整體表示觀測衛(wèi)星os₁向中繼衛(wèi)星rs₁傳輸數(shù)據(jù)所需的資源；以V_tg(2,1,4)為例，2代表觀測衛(wèi)星os₂，1代表地面站gs₁，4代表第四個時隙，整體表示觀測衛(wèi)星os₂向中繼衛(wèi)星gs₁傳輸數(shù)據(jù)所需的資源；

(3c)根據(jù)星載能量和衛(wèi)星姿態(tài)的調整情況確定資源時變沖突圖中的頂點所代表的資源兩兩之間是否沖突，將存在沖突的兩個頂點連接起來，即添加邊V_o(1,1,2)-V_o(2,1,2)、V_o(1,1,2)-V_o(2,1,3)、V_o(1,1,2)-V_tr(1,1,3)、V_o(2,1,2)-V_tr(1,1,3)、V_o(2,1,3)-V_tr(1,1,3)、V_o(2,1,3)-V_tr(2,1,3)、V_o(2,1,3)-V_tr(1,1,4)、V_o(2,2,1)-V_tr(2,1,2)、V_o(2,2,2)-V_tr(2,1,2)、V_o(2,2,2)-V_tr(2,1,3)、V_tr(1,1,3)-V_tr(2,1,2)、V_tr(1,1,3)-V_tr(2,1,3)、V_tr(1,1,4)-V_tr(2,1,3)、V_tr(2,1,3)-V_tg(2,1,4)，如圖5所示，最終得到所需的資源時變沖突圖。

步驟4，從資源時變沖突圖中選出無沖突的資源集合。

(4a)對照步驟(3c)中所添加的邊，選出兩兩之間均不存在邊的頂點，構成資源時變沖突圖的一個無沖突的頂點集合，即一個獨立集；

(4b)根據(jù)頂點V_o(1,1,1)、V_o(1,1,2)、V_o(2,2,1)、V_o(2,2,2)、V_tr(1,1,4)、V_tg(2,1,4)兩兩之間均沒有相互連接的邊，構成一個無沖突的頂點集合，即將頂點V_o(1,1,1)、V_o(1,1,2)、V_o(2,2,1)、V_o(2,2,2)、V_tr(1,1,4)、V_tg(2,1,4)作為一個獨立集，如圖6所示。

步驟5，對照獨立集，得到一個無沖突的資源時變圖。

對照獨立集，刪除資源時變圖中的部分可能與其他資源發(fā)生沖突的資源的弧，從而得到一個無沖突的資源時變圖，該無沖突的資源時變圖中包括的弧有如圖7所示。

步驟6，將任務規(guī)劃問題轉化為無沖突的資源時變圖中多商品流問題，求解得到最優(yōu)的資源分配和任務調度方案。

(6a)將空間信息網(wǎng)絡中的任務映射為無沖突的資源時變圖中的流，即將任務om₁映射為將任務om₂映射為

(6b)將任務規(guī)劃問題轉化為無沖突的資源時變圖中多商品流問題，使用最大流最小割定理和Edmond-Karp算法進行計算，求解出多商品流問題，得到最優(yōu)的資源分配和任務調度方案，最終的結果為：任務om₁分配到的資源為任務om₂分配到的資源為如圖8所示。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結構的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變仍在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。