航天測控網(wǎng)數(shù)傳資源優(yōu)化策略研究

張虹 陳林 薛嘉 李怡 康良

(西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043)

航天測控網(wǎng)資源分配主要是根據(jù)各類衛(wèi)星用戶需求,使用資源分配策略對有限的資源合理分配,做到資源利用率最高,最大限度滿足各用戶需求。隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展,衛(wèi)星數(shù)量迅速增加,測控網(wǎng)資源調(diào)度面臨著大量衛(wèi)星同時過境進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求,使得測運控資源的緊張情況日趨凸顯,為衛(wèi)星提供數(shù)傳服務(wù)的地面資源也越來越緊張,導(dǎo)致資源沖突大量存在,傳統(tǒng)解決資源沖突的方法是建立測站增加設(shè)備,但這將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)投入,無論是國內(nèi)還是國外,面臨高昂的地面站建設(shè)、維護(hù)成本,全球布站難度都很大[1-5]。基于現(xiàn)有測控資源基礎(chǔ),提高資源利用率是解決資源沖突的一種小投入、大收益的有效方法,也是在原有設(shè)備數(shù)量不變的基礎(chǔ)上,解決航天測控系統(tǒng)資源分配和衛(wèi)星用戶需求矛盾的主要途徑。資源調(diào)度過程就是各類約束滿足問題,在滿足各類約束同時提高設(shè)備利用率最大化地發(fā)揮地面資源使用效益,是當(dāng)前航天測控網(wǎng)資源分配首要關(guān)注點[6-10]。本文立足現(xiàn)有航天測控網(wǎng)數(shù)傳資源基礎(chǔ),開展數(shù)傳資源優(yōu)化策略研究,通過一系列策略組合運用,在原有設(shè)備數(shù)量不變的基礎(chǔ)上,有效提升資源利用率,提高任務(wù)滿足率。

1 數(shù)傳資源使用模式分析

1.1 數(shù)傳資源使用模式

當(dāng)前的數(shù)傳資源在遵循一定優(yōu)先級的基礎(chǔ)上采用“誰先申請、誰先使用”模式,衛(wèi)星用戶根據(jù)需要進(jìn)行資源申請,資源調(diào)度中心完成計劃編排,同時向衛(wèi)星用戶和設(shè)備發(fā)送計劃,設(shè)備在計劃驅(qū)動下完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收;若因為資源緊張導(dǎo)致資源沖突,申請不滿足時,用戶根據(jù)需要可進(jìn)行資源協(xié)調(diào),資源協(xié)調(diào)是人工參與的多次交互,其時效性不高,有高時效性要求的申請,采用協(xié)調(diào)交互不能滿足用戶需求。

傳統(tǒng)的資源管理模式下,資源粗放式管理一直存在,隨著技術(shù)的發(fā)展測控設(shè)備與數(shù)傳設(shè)備在功能上趨于一致,呈現(xiàn)一體化特性,但當(dāng)前的數(shù)傳資源與測控資源仍然分開規(guī)劃,一套設(shè)備能完成的工作用兩套設(shè)備完成;設(shè)備跟蹤模式采用全弧段跟蹤,其實數(shù)傳任務(wù)有些圈次不需要設(shè)備全程跟蹤,有些圈次的數(shù)傳量僅需2～3min可完成工作,這種情況若衛(wèi)星完成工作,可直接斷開與設(shè)備聯(lián)系,設(shè)備轉(zhuǎn)入空閑或下次任務(wù)準(zhǔn)備,一定程度可緩解資源緊張情況,但當(dāng)前系統(tǒng)申請只支持按圈號申請,不支持按弧段時長進(jìn)行申請,一定程度浪費了數(shù)傳資源,降低了設(shè)備利用率。

1.2 問題研究

在數(shù)傳資源日趨緊張的情況下,采用當(dāng)前的數(shù)傳資源使用模式存在數(shù)傳資源大量浪費,在數(shù)傳設(shè)備數(shù)量不變的基礎(chǔ)上,將不能很好地完成衛(wèi)星的數(shù)傳任務(wù),主要包括以下問題。

(1)“誰先申請、誰先使用”原則,在一定程度導(dǎo)致用戶隨意進(jìn)行資源“搶占”,可能衛(wèi)星用戶在臨近任務(wù)開始時刻會將多申請的資源進(jìn)行釋放,但對其他用戶來說,時間緊急來不及進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,導(dǎo)致這部分資源浪費,同時降低其他用戶申請滿足率。

(2)數(shù)傳資源僅支持按圈號申請,可見即跟蹤模式,如圖1所示,衛(wèi)星進(jìn)入設(shè)備可見范圍(t1～t2),達(dá)到設(shè)備跟蹤條件開始跟蹤,即跟蹤的最低仰角(t3～t4),開始跟蹤,衛(wèi)星飛離設(shè)備可見范圍,停止跟蹤;申請模式不能靈活匹配,導(dǎo)致小于全弧段的設(shè)備空閑資源不能完全利用,同時存在“無目的”跟蹤,為做好精細(xì)化管理,把資源充分利用起來,支持用戶按滑動窗口靈活匹配模式進(jìn)行資源申請,可有效提高任務(wù)滿足率。

(3)測控數(shù)傳分開規(guī)劃模式,這種資源規(guī)劃模式導(dǎo)致數(shù)傳和測控資源不能有效地合并,造成資源浪費。

(4)系統(tǒng)運行無有效評估,無法對資源運行情況進(jìn)行反饋,導(dǎo)致各種問題長期累積,不利于資源更好的使用;良好的評估系統(tǒng)對系統(tǒng)的運行有促進(jìn)作用,因此完整的評估系統(tǒng)研究也是有必要的。

圖1 可見即跟蹤模式示意圖Fig.1 Schematic of the visible trace mode

2 數(shù)傳資源沖突解決方法

隨著衛(wèi)星數(shù)量增加,衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸需求也隨之增加,為衛(wèi)星提供數(shù)傳服務(wù)的資源越來越緊張,一般解決數(shù)傳資源沖突的方法如下。

(1)增加測控站,增加測控設(shè)備。此方法運維、人員管理等都需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入,時效性不高,同時因為國際關(guān)系等原因,不可能在全球范圍內(nèi)建立合適的測控站。

(2)資源協(xié)調(diào)。主要是人工參與的多次交互,通過資源的挪動、轉(zhuǎn)讓完成重要任務(wù)的數(shù)傳資源調(diào)整;人工協(xié)調(diào)在衛(wèi)星數(shù)量少,設(shè)備少的情況下,有一定的作用,但隨著衛(wèi)星數(shù)量迅速增加,調(diào)整難度大幅增加,且時效低,調(diào)整結(jié)果很難達(dá)到局部最優(yōu)。

(3)資源調(diào)度算法研究。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對調(diào)度算法進(jìn)行了一系列的研究,取得了豐碩的研究成果[10],算法研究極大提高了資源利用率及任務(wù)申請滿足率。

(4)資源優(yōu)化策略研究。主要是基于算法研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)運行情況,對算法進(jìn)行更細(xì)化、更深入的研究,使算法功能實現(xiàn)更加合理、有效,進(jìn)一步提升資源利用率、提高任務(wù)滿足率。

相比之下,資源優(yōu)化策略研究是節(jié)約成本,提高資源利用率最有效的途徑,基于此,開展航天測控網(wǎng)數(shù)傳資源優(yōu)化策略研究是非常有必要的。

3 數(shù)傳資源優(yōu)化策略

文章通過研究分析,主要探討滑動窗口靈活匹配策略、算法智能轉(zhuǎn)讓策略、測控數(shù)傳一體化策略,通過以上策略組合應(yīng)用,在節(jié)省資源的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高資源利用率,提高應(yīng)急申請響應(yīng)時效。

3.1 滑動窗口靈活匹配策略

在數(shù)傳資源日趨緊張的情況下,為保證數(shù)傳任務(wù)申請的成功率,用戶進(jìn)行資源申請時根據(jù)任務(wù)需要可采用全弧段、最小弧段、窗口滑動等組合模式進(jìn)行資源申請,具體窗口組合模式申請見圖2。任務(wù)按3種組合窗口模式發(fā)送申請,當(dāng)用戶申請全弧段模式,設(shè)備無可用空閑資源,用戶可根據(jù)任務(wù)需要選擇最小弧段模式或窗口可滑動模式進(jìn)行申請,從圖2可知最小弧段模式下,設(shè)備3空閑資源可完成任務(wù),窗口滑動模式下設(shè)備1與設(shè)備2空閑資源均滿足任務(wù),系統(tǒng)按用戶的優(yōu)先級模式,對可滿足用戶需求的3種解進(jìn)行排序,最終輸出優(yōu)先級高的解。

圖2 窗口組合模式示意圖Fig.2 Schematic of the window composition mode

3種窗口模式申請過程如下。

(1)全弧段跟蹤模式,即衛(wèi)星和設(shè)備互相可視模式。衛(wèi)星飛入設(shè)備可視范圍即跟蹤,直至衛(wèi)星飛離設(shè)備可視范圍,跟蹤結(jié)束,這也是傳統(tǒng)的任務(wù)跟蹤模式,此模式用戶申請不夠靈活,存在資源浪費情況,同時導(dǎo)致大量小于全弧段的空閑資源被浪費。

(2)最小弧段模式,即完成該任務(wù)需要最短的時間模式,也是指定時間的一種申請模式。用戶根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)量基于設(shè)備可見弧段,指定開始時刻或結(jié)束時刻,設(shè)置完成該任務(wù)的最短時間進(jìn)行資源申請,最小弧段模式可極大提高設(shè)備空閑碎片時段的利用率,進(jìn)而提高任務(wù)滿足率。

(3)窗口滑動模式,滿足跟蹤時長的基礎(chǔ)上,開始跟蹤時間和結(jié)束跟蹤時間可根據(jù)資源空閑情況進(jìn)行自動調(diào)整模式,對跟蹤開始時刻或結(jié)束時刻無約束需求,同時多個弧段可滿足時,根據(jù)任務(wù)需要選擇弧段最長的設(shè)備或最先完成任務(wù)的弧段,此模式靈活性最高,在資源申請中,成功率也最高。

用戶進(jìn)行資源申請時,根據(jù)任務(wù)需要,可對申請模式進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)置,申請窗口滑動靈活匹配策略,是在資源緊張情況下,提高數(shù)傳資源申請滿足率的一種有效途徑,同時可極大提高數(shù)傳資源利用率;使用窗口滑動靈活匹配策略需要與用戶在接口、申請內(nèi)容、申請模式等方面進(jìn)行溝通。

3.2 算法智能轉(zhuǎn)讓策略

算法的應(yīng)急調(diào)整是基于空閑資源及優(yōu)先級模式下的應(yīng)急資源調(diào)整,優(yōu)先級模式下的資源調(diào)整可能引起其他多個衛(wèi)星的計劃調(diào)整,計劃調(diào)整將導(dǎo)致衛(wèi)星指令、載荷上注等一系列錯綜復(fù)雜的調(diào)整,不利于衛(wèi)星運行的安全,風(fēng)險較大。算法智能化轉(zhuǎn)讓策略是在應(yīng)急調(diào)整的模式下盡量做到“影響域最小”,是基于單個任務(wù)的挪動,只調(diào)整一顆星的跟蹤設(shè)備,不調(diào)整跟蹤圈次,既保證了計劃的穩(wěn)定性,又提高了應(yīng)急任務(wù)滿足率,提高任務(wù)申請響應(yīng)時效。算法智能轉(zhuǎn)讓策略示意如圖3所示,設(shè)備1與設(shè)備2在時間相近時刻執(zhí)行不同任務(wù)。從圖3可知,設(shè)備1執(zhí)行任務(wù)3與任務(wù)4,設(shè)備2執(zhí)行任務(wù)1與任務(wù)2,每套設(shè)備兩圈任務(wù)之間均有空閑時間(設(shè)備執(zhí)行完一個任務(wù)后,進(jìn)入下一個任務(wù)需要一定的切換時間,因此兩圈次中間空閑時間若可以加入一個新計劃,空閑時間需滿足衛(wèi)星跟蹤時間和設(shè)備切換時間之和),當(dāng)新任務(wù)5到來時,執(zhí)行步驟如下。

(1)新任務(wù)5申請到來,任務(wù)5跟蹤開始時間與設(shè)備2跟蹤的任務(wù)1沖突,同時任務(wù)5跟蹤結(jié)束時間與設(shè)備1跟蹤的任務(wù)4沖突,正常情況下新任務(wù)5的申請發(fā)生沖突,系統(tǒng)進(jìn)入優(yōu)先級模式下的資源調(diào)整,若該任務(wù)優(yōu)先級高,導(dǎo)致其他任務(wù)資源被搶占;若該任務(wù)優(yōu)先級低,申請被拒絕,即申請不滿足。

(2)若用戶確實需要該資源,自動系統(tǒng)無法完成時,需要人工進(jìn)行干預(yù),通過資源來回挪動、轉(zhuǎn)讓等方法完成資源的調(diào)配,人工干預(yù)模式導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間增加,同時影響域比較大,不利于計劃的穩(wěn)定,影響衛(wèi)星運行安全。

(3)算法智能轉(zhuǎn)讓模式下,當(dāng)新任務(wù)到來時,系統(tǒng)優(yōu)先查找單任務(wù)可挪動資源,在△t1與△t2滿足設(shè)備切換時間的情況下,設(shè)備1執(zhí)行的任務(wù)4挪至設(shè)備2執(zhí)行的任務(wù)1與任務(wù)2之間,設(shè)備1的資源釋放。

(4)系統(tǒng)將新任務(wù)5的計劃調(diào)整至設(shè)備1,計劃滿足,向用戶發(fā)布計劃調(diào)整結(jié)果。

此類情況在衛(wèi)星數(shù)量迅速增加、設(shè)備數(shù)量多的情況大量存在,但現(xiàn)有的系統(tǒng)采取優(yōu)先級模式進(jìn)行資源調(diào)整,算法不夠智能,若不能滿足要求時,由人工干預(yù)完成,但設(shè)備數(shù)量多,依靠工作人員進(jìn)行查找,反復(fù)比對,耗時長,也存在查找不到的情況;因此采用智能轉(zhuǎn)讓策略,新任務(wù)到來時因沖突不能滿足時,算法優(yōu)先查找單任務(wù)可挪動資源,不按優(yōu)先級模式,可進(jìn)一步提高任務(wù)響應(yīng)時效。

圖3 算法智能轉(zhuǎn)讓示意圖Fig.3 Algorithm intelligent transfer schematic

3.3 測控數(shù)傳一體化策略

測控數(shù)傳一體化策略是最大限度提高資源利用率、節(jié)省資源的一種方法,當(dāng)新任務(wù)到來時,不再優(yōu)先查找空閑資源,而是優(yōu)先查找可合并執(zhí)行的任務(wù),即數(shù)傳和測控任務(wù)同由一套設(shè)備來執(zhí)行的情況,若無可一體化執(zhí)行的任務(wù),再查找其他可用資源。執(zhí)行過程見圖4。

一體化資源申請的執(zhí)行步驟如下。

(1)新任務(wù)到來時,算法優(yōu)先查找可“影隨”資源,檢測任務(wù)在申請圈次或時間段內(nèi)是否存在已分配的計劃,如果能向已分配計劃“影隨”,優(yōu)先進(jìn)行“影隨”,不獨立分配資源。

(2)當(dāng)申請圈次或時間段內(nèi)無可“影隨”資源,查找空閑資源,依據(jù)申請內(nèi)容匹配得到空閑可用弧段集合后,優(yōu)先選用設(shè)備功能較為單一的弧段,盡量預(yù)留設(shè)備功能強的資源用于后續(xù)應(yīng)急申請。(隨著應(yīng)急任務(wù)增加,可用資源逐漸減少,為保證后續(xù)應(yīng)急申請盡可能滿足,盡量預(yù)留“好用”資源)。

圖4 一體化資源申請流程Fig.4 Integrated resource application process

(3)無可“影隨”資源及空閑資源時,查找可轉(zhuǎn)讓資源,同樣,在轉(zhuǎn)讓過程中查找資源補償時,優(yōu)先選用功能較為單一的設(shè)備。

(4)以上流程都不能滿足任務(wù)需求時,算法按優(yōu)先級設(shè)置了可搶占資源,優(yōu)先級高的任務(wù)在應(yīng)急情況下可直接搶占優(yōu)先級低的任務(wù),被搶占的資源進(jìn)行資源補償時,依照以上流程。

采用測控數(shù)傳一體化策略,可發(fā)揮設(shè)備最大潛能,盡可能節(jié)省資源,提高資源利用率,同時提高任務(wù)響應(yīng)時間,可更好的滿足用戶需求,在當(dāng)前數(shù)傳資源緊張的情況下,對資源更精細(xì)的管理是提高任務(wù)滿足率的有效途徑。

4 策略應(yīng)用

4.1 滑動窗口靈活匹配策略應(yīng)用結(jié)果

選取40顆衛(wèi)星和分布在不同點位的5套設(shè)備,在滑動窗口靈活匹配策略引入的情況下進(jìn)行3次驗證,按每顆星升降軌各3圈、4圈、5圈進(jìn)行驗證。在實際工程上,每個點位部署設(shè)備較多,衛(wèi)星軌道高低不同,與地面設(shè)備可見時間不同,因此此次驗證結(jié)果和選取的衛(wèi)星型號有關(guān),為充分驗證該策略的有效性,本次驗證選取軌道高度為1000km左右的40顆衛(wèi)星,軌道高度接近,衛(wèi)星與地面設(shè)備可見時間也比較接近,衛(wèi)星資源爭用情況比較突出,驗證結(jié)果見表1。

表1 滑動窗口靈活匹配驗證結(jié)果Table 1 Sliding Windows match the results flexibly

從表1可看出:在申請圈次不斷增加的情況下,采用滑動窗口靈活匹配策略,可有效提高任務(wù)滿足率;在申請數(shù)量少的情況下,系統(tǒng)能力提升較少;隨著申請數(shù)量增加,滑動窗口靈活匹配策略優(yōu)勢較為明顯。

4.2 算法智能轉(zhuǎn)讓策略應(yīng)用結(jié)果

通過對設(shè)備可使用時間禁用,保證3套設(shè)備冗余度接近50%的情況下,發(fā)送應(yīng)急申請分別為10圈、20圈、30圈,驗證結(jié)果見表2。

從表2可看出:使用算法智能轉(zhuǎn)讓策略可顯著提高系統(tǒng)平均響應(yīng)時間,提高任務(wù)滿足率;尤其申請圈數(shù)逐漸增加的情況下,算法智能轉(zhuǎn)讓策略系統(tǒng)響應(yīng)時間優(yōu)勢較為明顯。

表2 算法智能轉(zhuǎn)讓驗證結(jié)果Table 2 Algorithm intelligent transfer verification results

4.3 測控數(shù)傳一體化策略應(yīng)用結(jié)果

表3給出了某一周3套設(shè)備任務(wù)數(shù)量,3套設(shè)備均具備測控數(shù)傳一體化功能,分布點位不同,按可見數(shù)傳接收衛(wèi)星“圈圈分配資源”的最高數(shù)傳接收需求,3套設(shè)備當(dāng)周可見數(shù)傳圈見表3,采用數(shù)傳一體化策略后,系統(tǒng)成功融合圈次即為可節(jié)約的測控任務(wù)圈次。

表3 測控數(shù)傳一體化驗證結(jié)果Table 3 Test and control data transmission integration verification results

從表3可看出:采用測控數(shù)傳一體化策略后,當(dāng)周各設(shè)備可釋放較多空閑資源,隨著任務(wù)量的增加,測控數(shù)傳成功融合數(shù)量將進(jìn)一步增加,采用此策略可極大提高任務(wù)滿足率,提高資源利用率,并增加設(shè)備冗余度。

5 結(jié)束語

數(shù)傳資源優(yōu)化策略是有效提高資源利用率的主要途徑,文章對傳統(tǒng)的數(shù)傳資源使用模式及解決資源沖突的方法進(jìn)行分析,并對其存在的問題進(jìn)行了探討,在此基礎(chǔ)上,提出窗口可滑動靈活匹配、算法智能轉(zhuǎn)讓、測控數(shù)傳一體化等數(shù)傳使用優(yōu)化策略,通過對策略的深入研究并經(jīng)過方法驗證,以上策略可有效提高資源利用率及系統(tǒng)響應(yīng)時間;同時測站設(shè)備資源動態(tài)重組可極大挖掘設(shè)備潛力,完善的評估機制可有效提高整個系統(tǒng)運行效率,進(jìn)而提高資源使用效率,這些策略還需進(jìn)一步探討,本文的研究為后續(xù)工程應(yīng)用提供了借鑒。