一种基于随遇接入任务的分布式协同调度方法及系统与流程

本公开涉及航天测控网调度，尤其涉及一种基于随遇接入任务的分布式协同调度方法及系统。

背景技术：

1、相比于传统通信卫星，低轨星座（low earth orbit，leo）系统能够提供更大的通信容量，且很低的通信时延。因此，近年来，世界范围内掀起了发展低轨卫星系统的热潮。国外众多公司先后提出了低轨星座计划，计划要发射成千上万颗卫星，构造覆盖全球的低轨星座系统。我国的低轨星座计划，例如“鸿雁计划”、“虹云星座计划”等也在稳步推进中。

2、这种规模化、小型化和智能化的卫星部署给现有的航天测控网络带来重大挑战。首先，leo计划部署的卫星数量巨大，采用目前的基于点对点的星地链路与全弧度测控的模式难以满足海量测控的需求；其次，卫星智能化水平的提升使其去中心化，能够独立发起资源请求，即随遇接入的能力，而当前的按需分配、计划驱动的航天测控调度模式无法适应新的变化；另外，根据我国的情况，在未来一段时间内，集中预分配和随遇接入并存的测控模式是我国航天测控新常态，但就目前来说，尚缺乏成熟可利用的调度框架。因此，有必要提出一种方案改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本公开实施例的第一方面提供一种基于随遇接入任务的分布式协同调度方法，包括以下步骤：

2、针对某一随遇接入任务的特征，利用资源转让理论，建立所述随遇接入任务的表达模型；其中，所述资源转让理论中包含不同类型的多个功能窗口，所述表达模型中包含所述随遇接入任务的插入模式和路径转让模式；

3、根据所述插入模式和所述路径转让模式，采用知识图谱技术，构建多个所述功能窗口之间的关联关系，形成某一区域的图网络；

4、根据所述图网络中当前时刻的多波束资源的占用情况，对所述多波束资源的转让能力进行评估，形成该区域的多波束虚拟资源池；

5、迭代进行上述所有步骤，分别形成多个区域的所述多波束虚拟资源池；

6、根据每个所述区域的所述多波束虚拟资源池的所述多波束资源的占用情况和所述多波束资源的转让能力，利用中心调度子系统分别对多个所述区域进行分布式协同调度；

7、其中，每个所述区域均至少包含一颗卫星和一个多波束设备，所述多波束设备能够产生所述多波束虚拟资源池。

8、本公开的一示例性实施例中，多个所述功能窗口包括：多个所述功能窗口包括：随遇接入任务窗口、调度任务窗口、冲突窗口、备选窗口、空闲资源窗口和并联窗口；其中，多个所述调度任务窗口和多个所述空闲资源窗口交叉设置。

9、本公开的一示例性实施例中，所述插入模式包括1:1插入类型、1:2插入类型和1:3插入类型；其中，

10、所述1:1插入类型包括：所述随遇接入任务包含在1个所述调度任务窗口，以及和这个所述调度任务窗口的一侧相邻的所述空闲资源窗口内；

11、所述1:2插入类型包括：所述随遇接入任务包含在2个所述调度任务窗口，以及与这2个所述调度任务窗口相关联的多个所述空闲资源窗口内；

12、所述1:3插入类型包括：所述随遇接入任务包含在3个所述调度任务窗口，以及与这3个所述调度任务窗口相关联的多个所述空闲资源窗口内；

13、根据所述资源转让理论，所述插入模式的每种类型中的所述随遇接入任务窗口、所述空闲资源窗口和所述调度任务窗口之间均存在5种情况：

14、第一种情况：所述随遇接入任务窗口与所述调度任务窗口完全重合，资源转让后，所述空闲资源窗口保持不变；

15、第二种情况：所述随遇接入任务窗口完全占用所述调度任务窗口，且占用部分所述空闲资源窗口，资源转让后，所述空闲资源窗口的长度减小；

16、第三种情况：所述随遇接入任务窗口与所述调度任务窗口部分重叠，且完全占用所述调度任务窗口左侧的所述空闲资源窗口，资源转让后，所述空闲资源窗口的数量和长度均发生变化；

17、第四种情况：所述随遇接入任务窗口与所述调度任务窗口部分重叠，且完全占用所述调度任务窗口右侧的所述空闲资源窗口，资源转让后，所述空闲资源窗口的数量和长度均发生变化；

18、第五种情况：所述随遇接入任务窗口完全占用所述调度任务窗口和全部所述空闲资源窗口，资源转让后，不存在所述空闲资源窗口。

19、本公开的一示例性实施例中，所述路径转让模式包括1:1转让类型、1:2转让类型和1:3转让类型；其中，

20、每种所述转让类型中均包含单路径转让类型和多路径转让类型；

21、所述多路径转让类型的转让层数与所述调度任务窗口的数量相等。

22、本公开的一示例性实施例中，所述根据所述插入模式和所述路径转让模式，采用知识图谱技术，构建多个所述功能窗口之间的关联关系，形成某一区域的图网络的步骤包括：

23、定义所述调度任务窗口的集合为：

24、，；其中，任一所述调度任务窗口对应的所述冲突窗口的集合为，对应的所述备选窗口的集合为；

25、定义所述空闲资源窗口的集合为；

26、其中，表示所述多波束设备的编号；表示相对圈号；表示当前功能窗口的开始时间；表示当前功能窗口的结束时间；表示前序功能窗口的开始时间；表示前序功能窗口的结束时间；表示后续功能窗口的开始时间；表示后续功能窗口的结束时间；则，表示任一所述调度任务窗口的多波束设备的编号、相对圈号、当前功能窗口的开始时间、当前功能窗口的结束时间、前序功能窗口的开始时间、前序功能窗口的结束时间、后续功能窗口的开始时间以及后续功能窗口的结束时间；表示任一所述调度任务窗口对应的第个冲突窗口的多波束设备的编号、相对圈号、当前功能窗口的开始时间以及当前功能窗口的结束时间；表示任一所述调度任务窗口对应的第个备选窗口的多波束设备的编号、相对圈号、当前功能窗口的开始时间以及当前功能窗口的结束时间；表示第个空闲资源窗口的多波束设备的编号、当前功能窗口的开始时间以及当前功能窗口的结束时间；

27、构建所述图网络包括如下7个子步骤：

28、第一子步骤：对于任一所述调度任务窗口，从某一所述冲突窗口开始，，当且，，为真时，则所述冲突窗口包含在调度任务窗口和相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，属于1:1插入类型；则和之间存在转让关系，建立有向关联关系，，转到第七子步骤，反之，继续进行第二子步骤；

29、其中，表示任一所述调度任务窗口对应的第个冲突窗口的相对圈号；表示任一所述调度任务窗口的相对圈号；表示任一所述调度任务窗口对应的第个冲突窗口的多波束设备的编号；表示第个调度任务窗口的多波束设备的编号；表示任一所述调度任务窗口对应的第个冲突窗口的当前功能窗口的开始时间；表示第个调度任务窗口的前序功能窗口的开始时间；表示任一所述调度任务窗口对应的第个冲突窗口的当前功能窗口的结束时间；表示第个调度任务窗口的后续功能窗口的结束时间；contain表示包含关系；friend表示朋友关系；

30、第二子步骤：当且，，为真时，所述冲突窗口包含在所述调度任务窗口和前一个调度任务窗口与相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，属于1:2插入类型；则与和组成连续调度任务之间存在转让关系，创建存储和的信息的第一并联窗口p1，建立有向关联关系，，，；转到第七子步骤，反之，转到第四子步骤；其中，表示第个调度任务窗口的前一个调度任务窗口的多波束设备的编号；表示第个调度任务窗口的前一个调度任务窗口的前序功能窗口的开始时间；

31、第三子步骤：当且，，为真时，所述冲突窗口包含在所述调度任务窗口和后一个调度任务窗口与相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，属于1:3插入类型；则与和组成连续调度任务之间存在转让关系，创建存储和的信息的第二并联窗口p2，建立有向关联关系，，，；转到第七子步骤，反之，转到第四子步骤；其中，表示第个调度任务窗口的后一个调度任务窗口的多波束设备的编号；表示第个调度任务窗口的后一个调度任务窗口的后续功能窗口的结束时间；

32、第四子步骤：当且，，为真时，所述冲突窗口包含在所述调度任务窗口和前两个所述调度任务窗口、与相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，则与、和组成连续调度任务之间存在转让关系，创建存储、和的信息的第三并联窗口p3，建立有向关联关系，，，，；转到第七子步骤，反之，转到第一子步骤；其中，表示第个调度任务窗口的前两个调度任务窗口的多波束设备的编号；表示第个调度任务窗口的前两个调度任务窗口的前序功能窗口的开始时间；

33、第五子步骤：当且，，为真时，所述冲突窗口包含在所述调度任务窗口和后两个所述调度任务窗口、与相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，与、和组成连续调度任务之间存在转让关系，创建存储、和的信息的第四关联窗口p4，建立有向关联关系，，，，；转到第七子步骤，反之，转到第一子步骤；其中，表示第个调度任务窗口的后两个调度任务窗口的多波束设备的编号；表示第个调度任务窗口的后两个调度任务窗口的后续功能窗口的结束时间；

34、第六子步骤：当且，，为真时，所述冲突窗口包含在所述调度任务窗口和前后两个所述调度任务窗、与相邻所述空闲资源窗口组成的窗口内，与、和组成连续调度任务之间存在转让关系，创建存储、和的信息的第五并联窗口p5，建立有向关联关系，，，，；转到第七子步骤，反之转到第一子步骤；

35、第七子步骤：对于任一调度成功的所述调度任务窗口，从某一所述备选窗口开始，，当且，为真时，所述备选窗口包含在所述空闲资源窗口中，和之间存在转让关系，建立有向关联关系和，其中，表示任一所述调度任务窗口对应的第个备选窗口的相对圈号；表示任一所述调度任务窗口对应的第个备选窗口的多波束设备的编号；表示第个空闲资源窗口的多波束设备的编号；表示任一所述调度任务窗口对应的第个备选窗口的当前功能窗口的开始时间；表示第个空闲资源窗口的当前功能窗口的开始时间；表示任一所述调度任务窗口对应的第个备选窗口的当前功能窗口的结束时间；表示第个空闲资源窗口的当前功能窗口的结束时间；belong表示隶属关系。

36、本公开的一示例性实施例中，所述根据所述图网络中当前时刻的多波束资源的占用情况，对所述多波束资源的转让能力进行评估，形成该区域的多波束虚拟资源池的步骤中，

37、所述多波束资源的占用情况包括空闲资源、可转让资源和不可转让资源；其中，

38、所述空闲资源是指未被占用的所述多波束资源；

39、所述可转让资源是指转让层数小于6的所述多波束资源；

40、所述不可转让资源是指转让层数大于等于6的所述多波束资源或较高优先级不能转让的所述多波束资源。

41、本公开的一示例性实施例中，所述根据所述图网络中当前时刻的多波束资源的占用情况，对所述多波束资源的转让能力进行评估，形成该区域的多波束虚拟资源池的步骤包括：

42、定义某一区域的设备的集合为，其中，表示多波束设备，y表示其他设备，所述多波束设备的所述多波束集合为；所述多波束资源的占用情况的集合为；所述多波束资源的占用情况的最优转让路径的集合为；所述中心调度子系统提供的所述不可转让资源的集合为；所述空闲资源窗口的集合为；某一区域内所述调度任务窗口的集合为；

43、构建所述多波束虚拟资源池包括如下7个子步骤：

44、第一子步骤：从所述多波束集合中的波束开始，当所述波束为空闲波束时，则，；当所述波束时，则，；当所述波束时，选取占用所述波束的调度任务窗口为起点，以任一所述空闲资源窗口ji，为终点，提取所述起点和所述终点之间关联的图网络g；

45、第二子步骤：设所述图网络g的各条边的权重均为1，从所述起点开始，搜索与其存在转让关系的调度任务窗口t，加入到搜索序列中；

46、第三子步骤：以所述调度任务窗口t为新起点，搜索与其存在转让关系的调度任务窗口，直至首次出现终点，即得到所述起点到所述终点在所述图网络g中的最短路径；当所述最优转让路径的集合中不包含所述最短路径，则定义转让路径的集合为，将所述最短路径添加到所述集合中；

47、第四子步骤：继续判断所述起点与其他所述空闲资源窗口之间的最短转让路径，并继续将其添加到所述集合中，之后按照路径节点的区域分布差异，进一步划分为第一区域内集合和第二区域间集合；

48、第五子步骤：当所述区域内集合的最短路径的转让层数小于6时，得到，并根据所述转让层数对进行赋值；当所述第一区域内集合的最短路径的转让层数大于等于6时，作进一步判断；

49、第六子步骤：当所述第二区域间集合的最短路径的转让层数小于6时，得到，并根据所述转让层数对进行赋值；当所述第二区域间集合的最短路径转让层数大于等于6时，得到，；

50、第七子步骤：重复进行上述所有步骤，直至当前时刻所述集合中的所有波束的转让能力分析完毕，继续进行下一时刻的评估。

51、本公开的一示例性实施例中，所述根据每个所述区域的所述多波束虚拟资源池中所述多波束资源的占用情况和所述多波束资源的转让能力，利用中心调度子系统分别对多个所述区域进行分布式协同调度的步骤包括：

52、所述多波束资源的占用情况集合为；所述多波束资源的占用类型集合为，其中，表示空闲多波束资源的集合；表示区域内可转让多波束资源的集合；表示区域间可转让多波束资源的集合；表示不可转让多波束资源的集合；

53、定义所述多波束设备的波束资源转让概率的集合为，表示所述空闲多波束资源的数量；表示所述区域内可转让多波束资源的数量；表示所述区域间可转让多波束资源的数量；表示不可转让多波束资源的数量，则，

54、当时，存在所述空闲多波束资源，所述多波束资源转让概率的计算公式包括：

55、            （1）

56、当时，且时，不存在所述空闲多波束资源，所述多波束资源转让概率的计算公式包括：

57、        （2）

58、当，时，不存在所述空闲多波束资源和所述可转让多波束资源，所述多波束资源转让概率的计算公式包括：

59、         （3）

60、当，时，所有多波束资源均不可转让，所述多波束资源转让概率的值为0，表示多波束转让层内可转让多波束资源的集合。

61、本公开实施例的第二方面提供一种基于随遇接入任务的分布式协同调度系统，所述该系统包括：

62、中心调度子系统，用于对所有随遇接入任务进行分布式协同调度；

63、多个区域，每个区域均受所述中心调度子系统的调控；其中，每个所述区域均包含至少一颗卫星和一个多波束设备，所述多波束设备能够产生多波束虚拟资源池。

64、本公开的一个示例性实施例中，每个区域的所述多波束设备能够与其他区域和所述中心调度子系统进行双向信息交互和调度。

65、本公开提供的技术方案可以包括以下有益效果：

66、本公开实施例中提出了一种基于随遇接入任务的分布式协同调度方法，该方法通过建立随遇接入任务的插入模式和路径转让模式，基于资源转让理论，将多波束引入虚拟资源池，并通过中心调度子系统进行调控，不仅提高了随遇接入任务的响应速度，也提高了多波束资源的利用效率。