卫星—地面站数传调度模型及算法研究

论文摘要

卫星数传调度问题是指在地面资源有限的情况下,如何为卫星数传需求合理分配有限地面资源。本论文对卫星数传调度模型及算法进行了研究,主要研究工作如下:卫星数传需求及数传任务是研究卫星数传调度问题的基础,是调度的基本对象。本文提出了卫星数传需求及数传任务概念,建立了卫星数传需求及数传任务模型,规范了卫星数传需求及数传任务的形式化描述。针对可用时间窗口,建立了其基本指标体系,并对不同可用时间窗口间的覆盖关系进行了分析,提出了覆盖度等概念。可用时间窗口概念的提出降低了卫星数传调度问题的求解难度,其基本指标体系及覆盖度等概念为调度过程中可用时间窗口的合理选择提供了依据。本文分析了单数传任务间的冲突,提出了可能冲突等概念,设计了单数传任务集分割算法,给出了可用时间窗口冲突评估指标。可能冲突是针对卫星数传任务特点提出的一个概念,基于可能冲突的单数传任务集分割算法为降低问题规模、降低算法运行时间提供了一种有效方法。可用时间窗口冲突评估指标为调度过程中降低任务之间的相互影响、尽可能调度更多任务提供了支持。本文对卫星数传调度问题中的约束进行了形式化描述,给出了问题模型的一般表示形式及调度目标函数,建立了卫星数传调度问题模型。根据卫星数传调度问题中调度任务集的特点,提出了两阶段调度的问题求解思路,为调度算法的设计提供了基本框架。在对基于综合优先度的卫星数传两阶段调度算法研究过程中,首先提出了综合优先度的概念,并给出了计算公式;然后设计了基于双综合优先度的卫星实拍实传数传调度算法和基于综合优先度的卫星存储转发数传调度算法。这种基于综合优先度的两阶段调度算法实现了两类任务的两阶段调度。基于免疫遗传算法的卫星数传两阶段调度算法是针对卫星数传调度问题设计的另一调度算法。在该算法中,利用免疫遗传算法实现了存储转发数传任务的调度,而对实拍实传数传任务的调度采用了与前一个两阶度调度算法中相同的算法。本文设计了卫星数传调度软件系统,通过设定的调度场景对本文提出的两阶段调度算法的性能及效率进行了验证。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 调度模型
• 1.2.2 调度算法
• 1.2.3 调度软件
• 1.2.4 发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容、创新点和组织结构
• 1.3.1 论文主要研究内容和创新点
• 1.3.2 论文的组织结构
• 第二章 卫星数传需求及数传任务研究
• 2.1 卫星数传方式及数传过程
• 2.1.1 卫星数传的概念
• 2.1.2 卫星数传方式
• 2.1.3 卫星数传过程
• 2.2 卫星数传需求
• 2.2.1 用户对卫星数传的基本要求
• 2.2.2 卫星数传需求的基本概念
• 2.2.3 卫星数传需求的相关性
• 2.2.4 卫星数传需求建模
• 2.3 卫星数传任务
• 2.3.1 卫星数传任务的基本概念
• 2.3.2 可用地面资源及可用时间窗口判定依据
• 2.3.3 卫星数传任务建模
• 2.4 本章小结
• 第三章 可用时间窗口及单数传任务间的冲突分析
• 3.1 可用时间窗口分析
• 3.1.1 可用时间窗口的基本指标体系
• 3.1.2 可用时间窗口间的关系分析
• 3.1.3 单数传任务的可用时间窗口平均覆盖度
• 3.2 单数传任务间的冲突分析
• 3.2.1 单数传任务间的冲突与可能冲突
• 3.2.2 可用时间窗口的冲突评估指标
• 3.3 本章小结
• 第四章 卫星数传调度问题建模研究
• 4.1 卫星数传调度问题概述
• 4.1.1 卫星数传调度问题的基本特点
• 4.1.2 卫星的多阶段数传
• 4.2 卫星数传调度问题约束分析
• 4.2.1 资源约束
• 4.2.2 时间约束
• 4.2.3 单数传任务间的相关性约束
• 4.2.4 卫星数传过程中的状态约束
• 4.3 卫星数传调度问题建模过程
• 4.3.1 卫星数传调度问题的基本假设
• 4.3.2 卫星数传调度问题的数学模型
• 4.4 卫星数传调度问题求解的基本思路
• 4.5 本章小结
• 第五章 卫星数传调度的启发式算法
• 5.1 数传任务的综合优先度
• 5.1.1 单数传任务的综合优先度
• 5.1.2 卫星数传任务的综合优先度
• 5.2 实拍实传数传任务的启发式调度算法
• 5.2.1 基于双综合优先度的卫星实拍实传数传调度算法
• 5.2.2 实拍实传数传任务资源分配算法
• 5.3 存储转发数传任务的启发式调度算法
• 5.3.1 基于综合优先度的卫星存储转发数传调度算法
• 5.3.2 存储转发数传任务资源分配算法
• 5.4 基于综合优先度的卫星数传两阶段调度算法（CPS）
• 5.5 其他卫星数传调度算法
• 5.5.1 基于FCFS的调度算法
• 5.5.2 基于优先级的调度算法
• 5.5.3 基于 MPA的调度算法
• 5.6 本章小结
• 第六章 卫星数传调度的免疫遗传算法
• 6.1 免疫遗传算法基本原理
• 6.2 存储转发数传任务调度的免疫遗传算法
• 6.2.1 基本符号定义
• 6.2.2 免疫遗传算法基本应用设计
• 6.2.3 免疫算子
• 6.2.4 基于免疫遗传算法的卫星存储转发数传调度算法
• 6.3 基于免疫遗传算法的卫星数传两阶段调度算法（IGA）
• 6.4 本章小结
• 第七章 卫星数传调度系统分析设计及算法验证
• 7.1 卫星数传调度系统分析与设计
• 7.1.1 系统功能需求设计
• 7.1.2 系统结构组成及运行过程
• 7.2 调度算法验证
• 7.2.1 调度算法验证目的、内容及准则
• 7.2.2 调度场景设计
• 7.2.3 调度算法特点
• 7.2.4 卫星数传需求生成规则
• 7.2.5 调度参数设定
• 7.2.6 调度结果及其分析
• 7.3 调度算法总结
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与进一步研究的思路
• 8.1 论文总结
• 8.2 进一步研究的思路
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 基本符号
• 附录B 缩略词
• 附录C 卫星及地面站参数表
• 附录D 算例调度结果表
• 附录E 卫星数传任务统计及算法运行时间表