基于統計學習的衛星接收資源預規劃方法

宋世杰，劉曉麗，高朝暉，彭會湘，付 偉，孔慶玲

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

現有的遙感衛星運控系統，一般都以天為周期批處理集中式進行多星多站綜合任務規劃，必須等待所有衛星任務都受理完成后才能執行綜合任務規劃[1-3]，有些雖然能夠進行接收資源預規劃，之后進行單星分布式任務規劃，但是接收資源預規劃的前提也是已受理的衛星任務，依據衛星任務進行接收資源需求分析，據此進行接收資源預規劃[4-6]。這種接收資源使用模式能夠有效地解決各衛星接收資源使用沖突，實現接收資源的優化分配[7-8]。在接收資源由一個部門統管并服務于多部門的情況下，接收資源管理部門需要面向不同的資源使用部門，各部門各衛星任務規劃周期不同，無法嚴格按照衛星任務需求進行精確的資源分配。因此接收資源的分配必須根據各衛星歷史資源需求情況進行預測，再根據當天的實際任務情況進行臨時申請與微調。由于各衛星載荷的任務承載能力依據衛星設計指標與使用約束基本可以確定最大額度，任務區域分布不同、載荷模式不同、任務量不同等原因會造成資源使用需求的不同，主要體現在資源時間窗口數量不同、時間窗口分布不同，但一般差別都在有限范圍內。因此可以基于歷史數據中各衛星資源使用情況進行當前資源需求的預測。

1 概述

借鑒智能決策與機器學習領域的統計學習方法[9-12]，分析當前國內各類測控與數傳資源管理部門運行模式[13-17]，考慮未來地面站網發展趨勢，以及各類衛星任務管控部門用戶需求[18-20]，本文提出基于統計學習的衛星數據接收資源預規劃方法，通過統計分析歷史資源使用計劃，通過自學習獲取資源使用概率模型，并可依據每日運行數據自適應更新資源使用概率模型，以周或天為周期基于資源使用概率模型進行各衛星所需接收資源預分配，滿足各衛星基本資源需求。各衛星在任務規劃過程中根據當日任務情況臨時再申請資源，進行資源動態調配。這種接收資源預規劃方法不需要等待所有任務都受理后再進行資源申請協調，預先解決了各衛星對接收資源的使用沖突，各衛星可根據自身任務情況與測控周期隨時進行任務規劃，提升任務規劃的相對獨立性，能夠很好地適應多部門多衛星分布式任務規劃的情況。

2 基于統計學習的衛星數據接收資源預規劃流程設計

基于統計學習的衛星數據接收資源預規劃方法技術流程如圖 1所示。

圖1 技術流程Fig.1 Technical flow chart

具體實施步驟如下：

(1)收集所有衛星壽命期的歷史數據接收計劃，剔除無效數據后統計分析各衛星在一個回歸周期內每天使用的接收資源窗口平均數量、窗口平均間隔時間、各窗口使用概率、資源窗口關聯使用情況以及各衛星地面站使用偏好，形成資源使用概率模型。

(2)按照衛星與地面站天線數傳能力匹配關系，以及可見時間窗口沖突情況，進行衛星與地面站天線可見時間窗口分組，首先計算各衛星與各地面站天線可見時間窗口，依據衛星與地面站天線數傳能力匹配關系進行窗口初步過濾，按照可見時間窗口的時間沖突情況將所有的可見時間窗口進行分組，分為多組沖突的可見時間窗口集。

(3)不存在沖突的時間窗口，直接分配給可接收的衛星。

(4)對于沖突的可見時間窗口集，按照資源預留比例隨機抽取部分可見時間窗口集進行資源預留，并依據近期重大保障任務需求或特殊任務需求對剩余的可見時間窗口集進行特定任務優先預分配。

(5)針對步驟(4)處理完成后剩余的可見時間窗口集分別按照資源使用概率模型進行資源沖突消解，具體方法如下：

① 選取一組窗口集，若該組窗口集中有窗口為其他已分配窗口的關聯使用窗口，則將該窗口進行分配，標記為“已分配”狀態，窗口集中與其沖突的其他窗口被鎖定，標記為“已鎖定”狀態；

② 選取一組窗口集，若該組窗口集中沒有窗口為其他已分配窗口的關聯使用窗口，在資源使用概率模型中選取日常使用該時間窗口概率較高的多個衛星(具體數量可配置)；

③ 統計這幾個衛星已分配的窗口數量，以及已分配窗口與該窗口的間隔時間，基于資源使用概率模型計算這幾個衛星對該窗口的資源需求度；

④ 將該窗口分配給需求度最高的衛星，若需求度相同時，分配給使用概率最高的衛星，將該窗口標記為“已分配”狀態，窗口集中與其沖突的其他窗口被鎖定，標記為“已鎖定”狀態。

(6)基于資源均衡使用原則與各衛星資源滿足度均衡原則，對已分配的所有可見時間窗口進行整體微調，具體方法如下：

① 基于資源均衡使用原則，在所有已分配的可見時間窗口中，查找資源過度使用的地面站天線，獲取該天線所有已分配的沖突窗口集對應的衛星，再搜索包含該衛星的其他地面站天線的沖突窗口集，從中搜索資源使用不足的地面站天線，將該天線的沖突窗口集相對該衛星的時間窗口進行分配；

② 基于各衛星資源滿足度均衡原則，若某個衛星資源滿足度過高，則從其所有已分配窗口中搜索在同一沖突集中其他衛星窗口，查找資源滿足度過低的衛星窗口，進行互換。

(7)在預分配接收資源的基礎上，各衛星任務規劃過程中根據任務滿足情況申請預留的可見時間窗口；根據應急任務需求在所有未使用的可見時間窗口范圍內申請滿足任務需求的可見時間窗口，具體為：在預分配接收資源的基礎上，各衛星任務規劃過程中若資源不足時，在預留的可見時間窗口集內臨時申請使用資源，當進行應急任務快速調整時，在所有未使用的可見時間窗口內應急申請使用接收資源，若申請的可見時間窗口與已分配給其他衛星的可見時間窗口沖突時，在預留的可見時間窗口范圍內進行資源調配，無法調配時，申請失敗。

(8)根據各衛星最終的數據接收計劃定期自適應更新資源使用概率模型；返回步驟(2)，具體方法如下：

① 定期獲取各衛星每天的數據接收計劃，基于已有的資源使用概率模型，重新計算模型中各衛星數據，更新資源使用概率模型；

② 對于新發射衛星早期階段，根據測試任務需要按照步驟(4)進行特定任務優先預分配，轉長期運行階段，先按照同類衛星的平均資源使用概率模型生成該衛星初始資源使用概率模型，進行預分配，然后不斷在運行中根據實際任務情況自適應調整更新資源使用概率模型；

③ 對于新增加的接收天線，按照各衛星對該天線的使用概率均等原則修改各衛星的資源使用概率模型，逐漸在使用過程中學習更新資源使用概率模型。

3 算法設計

3.1 創建資源使用概率模型

本技術方法實施的第一步是獲取資源使用概率模型。收集各衛星壽命期所有的地面站數據接收計劃(不包括在軌測試、軌控以及故障期)，以各衛星的回歸周期劃分數據，按天為單位進行數據統計分析，得到資源使用概率模型中各數據。如圖 2所示，資源使用概率模型包括三部分：資源使用基本信息、資源使用概率與窗口關聯使用概率。其中資源使用基本信息描述了各衛星資源使用的概要情況，包括衛星標識、平均窗口使用數量、平均窗口間隔時間，最大窗口間隔時間、最小窗口間隔時間和偏好地面站；資源使用概率描述了各衛星對各地面站可見時間窗口的使用概率；窗口關聯使用概率描述了各衛星時間窗口關聯使用概率。

圖2 資源使用概率模型示意Fig.2 Schematic diagram of resource usage probability model

資源使用概率模型獲取方法如下：

(1)設num(i,j)為衛星i第j天的接收計劃數量，N為接收計劃總天數，則衛星i的平均每天窗口使用數量為：

(1)

(2)設pan(i,j)為衛星i第j個接收計劃與第j+1個接收計劃的時間間隔，M為接收計劃總數，則衛星i的最大窗口間隔時間為：

(2)

(3)設pan(i,j)為衛星i第j個接收計劃與第j+1個接收計劃的時間間隔，M為接收計劃總數，則衛星i的最小窗口間隔時間為：

(3)

(4)設pan(i,j)為衛星i第j個接收計劃與第j+1個接收計劃的時間間隔，M為接收計劃總數，則衛星i的平均窗口間隔時間為：

(4)

(5)

(6)

(6)設num(i,j,s,k)為衛星i在第j個回歸周期中對地面站s的第k個時間窗口的使用數量，N為壽命期回歸周期個數，則衛星i對地面站s第k個時間窗口的使用概率為：

(7)

(7)設Pi(an)為衛星i在一個回歸周期中對地面站a的第n個時間窗口的使用概率，Pi(bm)為衛星i在一個回歸周期中對地面站b的第m個時間窗口的使用概率，則衛星i對窗口an與窗口bm的關聯使用概率為Pi(bm|an)，即衛星i在使用窗口an前提下，使用窗口bm的條件概率：

(8)

3.2 可視時間窗口分組

按照衛星與地面站天線數傳能力匹配關系，以及時間窗口沖突情況進行衛星與地面站天線可見時間窗口分組示意如圖3所示，圖中根據各地面站可見時間窗口時間間隔，以虛線分隔沖突窗口組。

圖3 可見時間窗口分組示意Fig.3 Schematic diagram of visible time window grouping

首先計算各衛星與各地面站天線可見時間窗口，依據衛星與地面站天線數傳能力匹配關系進行窗口初步過濾，按照可見時間窗口的時間沖突情況將所有的可見時間窗口進行分組，分為多組可見時間窗口集。

3.3 基于資源使用概率模型進行可見時間窗口分配

對于以上生成的可見時間窗口集，剔除設備維修等特殊情況需要占用的時間窗口。對于不存在沖突的時間窗口，可直接分配給可接收的衛星。對于沖突的可見時間窗口集，首先依據近期重大保障任務需求或特殊任務需求對剩余的可見時間窗口集進行特定任務優先預分配，然后按照資源預留比例隨機抽取部分可見時間窗口集進行資源預留。

針對以上處理完成后剩余的可見時間窗口集，分別按照資源使用概率模型進行資源沖突消解：

(1)選取時間窗口集W={w1,w2，…，wn}進行沖突消解，從W選取一個窗口wi，判斷該窗口是否其他已分配窗口的關聯使用窗口，判斷方法：基于資源使用概率模型，從其他已分配窗口的關聯使用概率模型中查找該窗口，若關聯使用概率大于設定的值，則將窗口進行分配；若沒有關聯窗口或關聯使用概率小于設定的值，按照以下方法進行處理。

(2)若該窗口與相應衛星已分配窗口間隔時間大于等于衛星資源使用概率模型中最大窗口間隔時間，則窗口wi直接分配；從W中選取m個使用概率最高的窗口，并且該窗口與相應衛星已分配的窗口間隔時間大于衛星資源使用概率模型中最小窗口間隔時間，m可根據實際情況進行配置，按照式(9)計算各窗口的資源需求度Q，選取Q值最大即資源需求度最高的窗口進行分配，分配到具體的天線，該天線在該時間窗口集的相應其他衛星的窗口被鎖定。

(9)

式中，p為衛星對某個接收時間窗口的資源使用概率；N為衛星資源平均需求數量；n為當前衛星已分配窗口數量；S為衛星接收時間窗口平均間隔時間；s為當前窗口與已分配臨近窗口的間隔時間。

3.4 資源均衡微調

基于資源均衡使用原則與各衛星資源滿足度均衡原則，對已分配的所有可見時間窗口進行整體微調。

(1)基于資源均衡使用原則，在所有已分配窗口中，查找資源過度使用的地面站天線(標記為天線A)，從天線A所有已分配窗口的沖突窗口集中搜索資源使用不足的地面站天線(標記為天線B)時間窗口，將天線B相對該衛星的時間窗口進行分配，將該窗口標記為“已分配”狀態，將與之沖突的天線A時間窗口鎖定，標記為“未分配”，此過程可反復多次執行，直到天線資源的使用大體均衡。

(2)基于各衛星資源滿足度均衡原則，在所有已分配窗口中，查找資源滿足度過高的衛星(標記為衛星A)，從衛星A所有已分配窗口所在的沖突窗口集中搜索資源滿足度過低的衛星B窗口，將衛星B相應的時間窗口進行分配，將該窗口標記為“已分配”狀態，將與之沖突的衛星A相應的時間窗口釋放，標記為“未分配”，此過程可反復多次執行，直到各衛星資源滿足度大體均衡。

3.5 資源應急申請

在預分配接收資源的基礎上，各衛星任務規劃過程中根據任務滿足情況申請預留的可見時間窗口；根據應急任務需求在所有未使用的可見時間窗口范圍內申請滿足任務需求的可見時間窗口。具體方法如下：

在預分配接收資源的基礎上，各衛星任務規劃過程中若資源不足時，在預留的可見時間窗口集內臨時申請使用資源，當進行應急任務快速調整時，在所有未使用的可見時間窗口內應急申請使用接收資源，若申請的可見時間窗口與已分配給其他衛星的可見時間窗口沖突時，在預留的可見時間窗口范圍內進行資源調配，無法調配時，申請失敗。

3.6 自適應更新資源使用概率模型

根據各衛星最終的數據接收計劃定期自適應更新資源使用概率模型。具體方法如下：

(1)定期獲取各衛星每天的數據接收計劃，基于已有的資源使用概率模型，重新計算模型中各衛星資源使用數據，更新資源使用概率模型，若某顆衛星經常額外申請更多的資源，則調整該衛星的資源預分配模型，增加資源窗口；若某衛星對預分配的資源最終未使用，則調整該衛星的資源預分配模型，減少資源窗口；若某衛星常使用的資源窗口發生變化，或者檢測到資源窗口使用的關聯性，則更新該衛星資源預分配模型；若某顆衛星經常額外申請更多的資源，但預分配的資源多數未使用，則重新統計學習形成新的資源使用概率模型。

(2)對于新發射衛星早期階段，可以根據測試任務需要進行特定任務優先預分配，轉長期運行階段，先按照同類衛星的平均資源模型進行預分配，然后不斷在運行中根據實際任務情況自適應調整更新資源預分配模型。

(3)對于新增加的接收天線，預先配置各衛星的使用概率均等，逐漸在使用過程中學習更新概率模型。

4 結束語

本文針對航天地面系統運控領域，基于各衛星歷史資源使用情況預測當前資源使用需求的衛星數據接收資源預規劃方法，適用于在衛星所有任務下達之前預先進行地面站接收資源分配，可解決各衛星接收資源使用沖突，剝離單星任務規劃的耦合性，為各衛星分布式異步任務規劃模式建立基礎。這種接收資源預規劃方法在上層進行集中資源統籌預分配基礎上，提升各衛星任務規劃的相對獨立性和對應急任務的快速動態調整能力，能夠很好地適應多部門多衛星分布式任務規劃的情況，提高系統任務規劃效率，并且能夠適應應急任務快速調整對接收資源的需求，適應滾動式動態任務管控模式。采用本文方法，接收資源管理部門可為多個不同的衛星管控部門提供資源服務，改變目前接收資源分別由各自獨占使用的現狀，接收資源可共享使用，提高資源綜合使用效能。本文研究的方法經過改進后也可應用于測控資源的預規劃，以及接收與測控資源的綜合分配，以實現資源的統籌使用。