張虹 陳林 薛嘉 李怡 康良
(西安衛(wèi)星測(cè)控中心,西安 710043)
航天測(cè)控網(wǎng)資源分配主要是根據(jù)各類(lèi)衛(wèi)星用戶需求,使用資源分配策略對(duì)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(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展,衛(wèi)星數(shù)量迅速增加,測(cè)控網(wǎng)資源調(diào)度面臨著大量衛(wèi)星同時(shí)過(guò)境進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求,使得測(cè)運(yùn)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(lái)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(cè)站增加設(shè)備,但這將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)投入,無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)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]?;诂F(xiàn)有測(cè)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(cè)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(guò)程就是各類(lèi)約束滿足問(wèn)題,在滿足各類(lèi)約束同時(shí)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(cè)控網(wǎng)資源分配首要關(guān)注點(diǎn)[6-10]。本文立足現(xiàn)有航天測(cè)控網(wǎng)數(shù)傳資源基礎(chǔ),開(kāi)展數(shù)傳資源優(yōu)化策略研究,通過(guò)一系列策略組合運(yùn)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。
當(dāng)前的數(shù)傳資源在遵循一定優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)上采用“誰(shuí)先申請(qǐng)、誰(shuí)先使用”模式,衛(wèi)星用戶根據(jù)需要進(jìn)行資源申請(qǐng),資源調(diào)度中心完成計(jì)劃編排,同時(shí)向衛(wèi)星用戶和設(shè)備發(fā)送計(jì)劃,設(shè)備在計(jì)劃驅(qū)動(dòng)下完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收;若因?yàn)橘Y源緊張導(dǎo)致資源沖突,申請(qǐng)不滿足時(shí),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(shí)效性不高,有高時(shí)效性要求的申請(qǐng),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(cè)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(cè)控資源仍然分開(kāi)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(shí)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?jī)H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(kāi)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(qǐng)只支持按圈號(hào)申請(qǐng),不支持按弧段時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行申請(qǐng),一定程度浪費(fèi)了數(shù)傳資源,降低了設(shè)備利用率。
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(fèi),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(wèn)題。
(1)“誰(shuí)先申請(qǐng)、誰(shuí)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(kāi)始時(shí)刻會(huì)將多申請(qǐng)的資源進(jìn)行釋放,但對(duì)其他用戶來(lái)說(shuō),時(shí)間緊急來(lái)不及進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,導(dǎo)致這部分資源浪費(fèi),同時(shí)降低其他用戶申請(qǐng)滿足率。
(2)數(shù)傳資源僅支持按圈號(hào)申請(qǐng),可見(jiàn)即跟蹤模式,如圖1所示,衛(wèi)星進(jìn)入設(shè)備可見(jiàn)范圍(t1~t2),達(dá)到設(shè)備跟蹤條件開(kāi)始跟蹤,即跟蹤的最低仰角(t3~t4),開(kāi)始跟蹤,衛(wèi)星飛離設(shè)備可見(jiàn)范圍,停止跟蹤;申請(qǐng)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(shí)存在“無(wú)目的”跟蹤,為做好精細(xì)化管理,把資源充分利用起來(lái),支持用戶按滑動(dòng)窗口靈活匹配模式進(jìn)行資源申請(qǐng),可有效提高任務(wù)滿足率。
(3)測(cè)控?cái)?shù)傳分開(kāi)規(guī)劃模式,這種資源規(guī)劃模式導(dǎo)致數(shù)傳和測(cè)控資源不能有效地合并,造成資源浪費(fèi)。
(4)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)有效評(píng)估,無(wú)法對(duì)資源運(yùn)行情況進(jìn)行反饋,導(dǎo)致各種問(wèn)題長(zhǎng)期累積,不利于資源更好的使用;良好的評(píng)估系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有促進(jìn)作用,因此完整的評(píng)估系統(tǒng)研究也是有必要的。
圖1 可見(jiàn)即跟蹤模式示意圖Fig.1 Schematic of the visible trace mode
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(lái)越緊張,一般解決數(shù)傳資源沖突的方法如下。
(1)增加測(cè)控站,增加測(cè)控設(shè)備。此方法運(yùn)維、人員管理等都需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入,時(shí)效性不高,同時(shí)因?yàn)閲?guó)際關(guān)系等原因,不可能在全球范圍內(nèi)建立合適的測(cè)控站。
(2)資源協(xié)調(diào)。主要是人工參與的多次交互,通過(guò)資源的挪動(dòng)、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(shí)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(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(qǐng)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(yùn)行情況,對(duì)算法進(jìn)行更細(xì)化、更深入的研究,使算法功能實(shí)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(kāi)展航天測(cè)控網(wǎng)數(shù)傳資源優(yōu)化策略研究是非常有必要的。
文章通過(guò)研究分析,主要探討滑動(dòng)窗口靈活匹配策略、算法智能轉(zhuǎn)讓策略、測(cè)控?cái)?shù)傳一體化策略,通過(guò)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(qǐng)響應(yīng)時(shí)效。
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(qǐng)的成功率,用戶進(jìn)行資源申請(qǐng)時(shí)根據(jù)任務(wù)需要可采用全弧段、最小弧段、窗口滑動(dòng)等組合模式進(jìn)行資源申請(qǐng),具體窗口組合模式申請(qǐng)見(jiàn)圖2。任務(wù)按3種組合窗口模式發(fā)送申請(qǐng),當(dāng)用戶申請(qǐng)全弧段模式,設(shè)備無(wú)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(dòng)模式進(jìn)行申請(qǐng),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(dòng)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(jí)模式,對(duì)可滿足用戶需求的3種解進(jìn)行排序,最終輸出優(yōu)先級(jí)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(qǐng)過(guò)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(qǐng)不夠靈活,存在資源浪費(fèi)情況,同時(shí)導(dǎo)致大量小于全弧段的空閑資源被浪費(fèi)。
(2)最小弧段模式,即完成該任務(wù)需要最短的時(shí)間模式,也是指定時(shí)間的一種申請(qǐng)模式。用戶根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)量基于設(shè)備可見(jiàn)弧段,指定開(kāi)始時(shí)刻或結(jié)束時(shí)刻,設(shè)置完成該任務(wù)的最短時(shí)間進(jìn)行資源申請(qǐng),最小弧段模式可極大提高設(shè)備空閑碎片時(shí)段的利用率,進(jìn)而提高任務(wù)滿足率。
(3)窗口滑動(dòng)模式,滿足跟蹤時(shí)長(zhǎng)的基礎(chǔ)上,開(kāi)始跟蹤時(shí)間和結(jié)束跟蹤時(shí)間可根據(jù)資源空閑情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整模式,對(duì)跟蹤開(kāi)始時(shí)刻或結(jié)束時(shí)刻無(wú)約束需求,同時(shí)多個(gè)弧段可滿足時(shí),根據(jù)任務(wù)需要選擇弧段最長(zhǎng)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(qǐng)中,成功率也最高。
用戶進(jìn)行資源申請(qǐng)時(shí),根據(jù)任務(wù)需要,可對(duì)申請(qǐng)模式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置,申請(qǐng)窗口滑動(dòng)靈活匹配策略,是在資源緊張情況下,提高數(shù)傳資源申請(qǐng)滿足率的一種有效途徑,同時(shí)可極大提高數(shù)傳資源利用率;使用窗口滑動(dòng)靈活匹配策略需要與用戶在接口、申請(qǐng)內(nèi)容、申請(qǐng)模式等方面進(jìn)行溝通。
算法的應(yīng)急調(diào)整是基于空閑資源及優(yōu)先級(jí)模式下的應(yīng)急資源調(diào)整,優(yōu)先級(jí)模式下的資源調(diào)整可能引起其他多個(gè)衛(wèi)星的計(jì)劃調(diào)整,計(jì)劃調(diào)整將導(dǎo)致衛(wèi)星指令、載荷上注等一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的調(diào)整,不利于衛(wèi)星運(yùn)行的安全,風(fēng)險(xiǎn)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(gè)任務(wù)的挪動(dòng),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(jì)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(qǐng)響應(yīng)時(shí)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(shí)間相近時(shí)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(shí)間(設(shè)備執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后,進(jìn)入下一個(gè)任務(wù)需要一定的切換時(shí)間,因此兩圈次中間空閑時(shí)間若可以加入一個(gè)新計(jì)劃,空閑時(shí)間需滿足衛(wèi)星跟蹤時(shí)間和設(shè)備切換時(shí)間之和),當(dāng)新任務(wù)5到來(lái)時(shí),執(zhí)行步驟如下。
(1)新任務(wù)5申請(qǐng)到來(lái),任務(wù)5跟蹤開(kāi)始時(shí)間與設(shè)備2跟蹤的任務(wù)1沖突,同時(shí)任務(wù)5跟蹤結(jié)束時(shí)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(qǐng)發(fā)生沖突,系統(tǒng)進(jìn)入優(yōu)先級(jí)模式下的資源調(diào)整,若該任務(wù)優(yōu)先級(jí)高,導(dǎo)致其他任務(wù)資源被搶占;若該任務(wù)優(yōu)先級(jí)低,申請(qǐng)被拒絕,即申請(qǐng)不滿足。
(2)若用戶確實(shí)需要該資源,自動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法完成時(shí),需要人工進(jìn)行干預(yù),通過(guò)資源來(lái)回挪動(dòng)、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(shí)間增加,同時(shí)影響域比較大,不利于計(jì)劃的穩(wěn)定,影響衛(wèi)星運(yùn)行安全。
(3)算法智能轉(zhuǎn)讓模式下,當(dāng)新任務(wù)到來(lái)時(shí),系統(tǒng)優(yōu)先查找單任務(wù)可挪動(dòng)資源,在△t1與△t2滿足設(shè)備切換時(shí)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(jì)劃調(diào)整至設(shè)備1,計(jì)劃滿足,向用戶發(fā)布計(jì)劃調(diào)整結(jié)果。
此類(lèi)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(jí)模式進(jìn)行資源調(diào)整,算法不夠智能,若不能滿足要求時(shí),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(duì),耗時(shí)長(zhǎng),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(lái)時(shí)因沖突不能滿足時(shí),算法優(yōu)先查找單任務(wù)可挪動(dòng)資源,不按優(yōu)先級(jí)模式,可進(jìn)一步提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)效。
圖3 算法智能轉(zhuǎn)讓示意圖Fig.3 Algorithm intelligent transfer schematic
測(cè)控?cái)?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(lái)時(shí),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(cè)控任務(wù)同由一套設(shè)備來(lái)執(zhí)行的情況,若無(wú)可一體化執(zhí)行的任務(wù),再查找其他可用資源。執(zhí)行過(guò)程見(jiàn)圖4。
一體化資源申請(qǐng)的執(zhí)行步驟如下。
(1)新任務(wù)到來(lái)時(shí),算法優(yōu)先查找可“影隨”資源,檢測(cè)任務(wù)在申請(qǐng)圈次或時(shí)間段內(nèi)是否存在已分配的計(jì)劃,如果能向已分配計(jì)劃“影隨”,優(yōu)先進(jìn)行“影隨”,不獨(dú)立分配資源。
(2)當(dāng)申請(qǐng)圈次或時(shí)間段內(nèi)無(wú)可“影隨”資源,查找空閑資源,依據(jù)申請(qǐng)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(qiáng)的資源用于后續(xù)應(yīng)急申請(qǐng)。(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(qǐng)盡可能滿足,盡量預(yù)留“好用”資源)。
圖4 一體化資源申請(qǐng)流程Fig.4 Integrated resource application process
(3)無(wú)可“影隨”資源及空閑資源時(shí),查找可轉(zhuǎn)讓資源,同樣,在轉(zhuǎn)讓過(guò)程中查找資源補(bǔ)償時(shí),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(shí),算法按優(yōu)先級(jí)設(shè)置了可搶占資源,優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)在應(yīng)急情況下可直接搶占優(yōu)先級(jí)低的任務(wù),被搶占的資源進(jìn)行資源補(bǔ)償時(shí),依照以上流程。
采用測(cè)控?cái)?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(shí)提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)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(duì)資源更精細(xì)的管理是提高任務(wù)滿足率的有效途徑。
選取40顆衛(wèi)星和分布在不同點(diǎn)位的5套設(shè)備,在滑動(dòng)窗口靈活匹配策略引入的情況下進(jìn)行3次驗(yàn)證,按每顆星升降軌各3圈、4圈、5圈進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際工程上,每個(gè)點(diǎn)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(jiàn)時(shí)間不同,因此此次驗(yàn)證結(jié)果和選取的衛(wèi)星型號(hào)有關(guān),為充分驗(yàn)證該策略的有效性,本次驗(yàn)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(jiàn)時(shí)間也比較接近,衛(wèi)星資源爭(zhēng)用情況比較突出,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 滑動(dòng)窗口靈活匹配驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Sliding Windows match the results flexibly
從表1可看出:在申請(qǐng)圈次不斷增加的情況下,采用滑動(dòng)窗口靈活匹配策略,可有效提高任務(wù)滿足率;在申請(qǐng)數(shù)量少的情況下,系統(tǒng)能力提升較少;隨著申請(qǐng)數(shù)量增加,滑動(dòng)窗口靈活匹配策略?xún)?yōu)勢(shì)較為明顯。
通過(guò)對(duì)設(shè)備可使用時(shí)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(qǐng)分別為10圈、20圈、30圈,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)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(shí)間,提高任務(wù)滿足率;尤其申請(qǐng)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(shí)間優(yōu)勢(shì)較為明顯。
表2 算法智能轉(zhuǎn)讓驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Algorithm intelligent transfer verification results
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(cè)控?cái)?shù)傳一體化功能,分布點(diǎn)位不同,按可見(jiàn)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(jiàn)數(shù)傳圈見(jiàn)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(cè)控任務(wù)圈次。
表3 測(cè)控?cái)?shù)傳一體化驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Test and control data transmission integration verification results
從表3可看出:采用測(cè)控?cái)?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(cè)控?cái)?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。
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(duì)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(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討,在此基礎(chǔ)上,提出窗口可滑動(dòng)靈活匹配、算法智能轉(zhuǎn)讓、測(cè)控?cái)?shù)傳一體化等數(shù)傳使用優(yōu)化策略,通過(guò)對(duì)策略的深入研究并經(jīng)過(guò)方法驗(yàn)證,以上策略可有效提高資源利用率及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;同時(shí)測(cè)站設(shè)備資源動(dòng)態(tài)重組可極大挖掘設(shè)備潛力,完善的評(píng)估機(jī)制可有效提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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。