卫星地面站测控资源调度CSP模型

关键词：测控；资源调度；约束满足问题
中图分类号：Ｖ５７
文献标志码：Ａ
ＣＳＰ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｉｏｎ ＴＴ＆Ｃ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ
ＪＩＮ Ｇｕａｎｇ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖ．ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
（１）事件窗 事件窗又称时间窗。卫星下传数据或接收地面指令要 求它首先是可视的，可视的开始和结束时间由卫星轨道决 定，它定义了“任务——资源”对的事件窗。工程上对任务 最早开始时间和最晚结束时间的要求也是一种事件窗。 （２）状态约束 状态约束表示资源的允许状态及状态转移。如地面站 测控设备允许状态包括准备、捕获、跟踪、释放等，允许状态 转移为“准备一捕获一跟踪一释放”。状态决定设备能否参 与任务，如设备处于跟踪状态时只能参与一个测控任务，处 于释放状态时可参与其他测控任务。 （３）时间约束 时间约束表示一个活动的开始和结束时间与另一个活 动的开始和结束时问的关系，这里活动可以是一般的任务 或子任务。 为保证用户航天器状态正常和任务完成，对测控服务 的质量、次数、频率、时间等会提出一些具体要求，包括以下 几方面。 （１）周期性任务 典型的周期性任务包括维护检查、通信保障等，其中周 期性维护检查与特定卫星有关，周期性通信保障任务一般 与特定卫星无关。周期性任务可以是基于时间或事件的， 还可能是相对于其他任务执行而言的。 （２）抢先式任务 抢先式任务具有固定长度的持续时间，但可划分成具 有最短持续时间要求的子任务（其和相当于原任务）的集 合。构成抢先式任务的子任务可以在不同的资源上调度， 但要满足最短持续时间要求。抢先式任务调度需要确定最 优子任务数和各子任务最优持续时间。 （３）变长任务 变长任务具有变长持续时间，有最短持续时间要求，同 时希望任务时间尽量长。变长任务可划分成具有较短持续 时间的子任务集合，子任务可以在不同的资源上调度。变 长任务调度除确定子任务数和持续时间外，还要在任务时 间最长和调度其他任务之间权衡。 （４）相关性任务 有时不同任务之间具有相互依赖性或相关性，比如在
收稿日期：２００６—０５—０９；修回日期：２００７—０１—１５。 作者简介：金光（１９７３一），男，教授，主要研究方向为试验鉴定理论、资源调度优化、系统建模与仿真。Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｉｎｇｂａｙｅｓ＠２１ｃｎ．ｃｏｍ
万方数据
·１１１８。
系统工程与电子技术
第２９卷
１ 问题描述
综合航天测控网包括地基和天基测控网两个部分。地 基由地面站、发射控制中心、测控中心和通信网络组成，天 基由中继卫星、地面终端站和通信网络组成。测控任务可 分为遥测、遥控、测定轨三类，任务优先级按遥控、遥测、测 定轨顺序递减，遥控任务进一步细分为优先级递减的轨道 控制、数据注入、其他三类任务，遥测源自文库分为实时遥测和延 时遥测两种类型。测控资源调度或执行测控服务时，需要 满足多种类型的约束条件，包括以下几方面。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＴ＆Ｃ；ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｓｃｈｅｄｕｌｅ；ＣＳＰ
０引 言
随着航天技术在国民经济和军事上的重要性日益提 高，许多国家投入大量资源用于航天系统建设，由此导致有 限的天地通信资源与不断增长的用户航天器任务需求之间 的矛盾，包括航天测控服务在内的资源冲突问题越来越突 出。评估现有测控系统服务能力，合理调度和优化配置资 源，为顶层论证规划提供决策信息，成为亟待解决的重要 问题。
ｒｐ．ｇ．ＩＩ（ｐ．口）
以ｍｏ÷以ｍｌ＋以ｍ ２＋… ＋ 以，洲（Ⅲ） ＋吼ｍ ｏ
其中Ｈ（ｐ，ｑ）为仅与资源和任务类型有关的常数。以。ｏ为
资源空闲状态；以。帅神垒以，。为资源服务状态，这里ｈ（ｐ，
ｑ）是仅与资源和任务类型有关的常数，状态持续时间
邱。ｍ神垒ｂ，。由调度方案确定；Ｖ ｋ≠０，ｈ（ｐ，ｑ），状态以。＊
为准备或事后处理状态，状态持续时间黾Ⅲ或为常数，或
为弘。的已知函数。 迸一步，设测控资源集合为Ｉ＂１一｛ｍ，，ｗｚ，…，ｍｒ），测控
任务集合为Ｅ一（￡，＇ｃ２，…，ｅ，），其中诸￡，都不可再分。设ｅ，
为届∽类型的测控任务，ｎⅢ一｛ｑ，¨，，ｃｏｊ，Ⅲ，…，哟＾叫ｍ） 是完成￡，的一种资源配置，Ｄ（ｊ，是）为资源数量。假设测控 资源服务是串行的（即毗。，。。服务结束后姊。。开始服务，
摘 要：研究了测控系统资源调度问题的描述与建模问题。在系统阐述综合航天测控网资源调度中涉及的
资源、任务、事件、约束基础上，使用变结构半环ＣＳＰ模型，描述测控调度中涉及的事件窗、时问约束、状态约束、周
期性任务、抢先式任务、变长任务等硬、软约束，提出处理任务优先级和不确定性因素的途径。提出的模型对测控
系统效能评价及资源调度算法研究也有一定的参考价值。
设包括固定地面站、移动地面站、中继星在内的综合测 控网可提供的测控资源（天线）类型的集合为三一｛ａ。，ａｚ，
…，ａ，），测控任务类型的集合为ｒ一｛岛，胺，…，＆｝。设任意 类型测控资源ａ，∈三执行某种类型测控任务俄∈ｒ的过程 中，具有唯一定义的状态时序
ｒｐ，ｑ．１
ｒｐ，ｑ，２
Ｔｐ．ｑ，Ｈｆｐ，口）ｉ
ｖｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ，ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，ｓｔａｔｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，ｐｅｒｉｏｄ ｔａｓｋ，ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ ｔａｓｋ，ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｔａｓｋ，ｅｔｃ．Ｓｏｍｅ ｕｓｅｆｕｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔａｓｋ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ａｎｄ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｓ ｗｅｌｔ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｄｅｆｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａ— ｐｅｒ ｉｓ ａｌｓｏ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＴ＆Ｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＴＴ＆Ｃ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ．
Ｄ一¨Ｄ，，Ｃ是约束的集合。用经典ＣＳＰ描述卫星测控
资源调度问题是很困难的，因为除了事件窗、时问约束、状 态约束等硬约束以外，还存在周期性任务、抢先式或变长任 务、任务间隔时间等软约束，以及卫星或测控设备故障等随 机事件和天基（中继星）测控资源调度问题，因而需要对经 典ＣＳＰ进行扩展。迄今已提出多种扩展ＣＳＰ模型，如半环 ＣＳＰ、模糊ＣＳＰ、机会ＣＳＰ、概率ＣＳＰ、加权ＣＳＰ、偏序ＣＳＰ、 赋值ＣＳＰ、混合ＣＳＰ等。由于变长任务问题、天基测控资源 调度问题等需要划分子任务和子弧段，这些扩展模型也无 法满足要求。本文认为，可采用变结构半环ＣＳＰ（ｓｅｍｉｒｉｎｇ ＣＳＰ ｗｉｔｈ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＳＣＳＰＣＳ）描述卫星测控资源 调度涉及的资源、任务、事件、约束和过程。所谓变结构半
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＴＴ＆Ｃ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ＴＴ＆Ｃ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｔａｓｋｓ，ｅｖｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｔｈｅｎ ａ ｓｅｍｉｒｉｎｇ ＣＳＰ ｗｉｔｈ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｅｔ，ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｈａｒｄ ａｎｄ ｓｏｆｔ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅ—
与一般资源调度问题如ｊｏｂ—ｓｈｏｐ问题、ｆｌｏｗ—ｓｈｏｐ问题 相比，卫星测控资源调度问题更复杂，规模更大，各种类型 的资源、任务、事件、约束和过程的描述和求解困难，系统评 价指标多，指标体系复杂。由于实践与认识上的局限性，国 内外有关研究并不充分，目前工程上的模型和算法都比较
简单，生成的调度方案还需进行大量的人工干预调整，资源 利用率低，人员负担重，能解决的问题规模有限。这方面的 典型工作有：Ｇｏｏｌｅｙ和Ｓｃｈａｌｃｋ综合采用混合整数规划与 启发式算法、Ｐａｒｉｓｈ采用遗传算法对美国空军卫星控制网 （ＡＦＳＣＮ）资源调度问题的研究，Ｐｅｍｂｅｒｔｏｎ，Ｗ０１ｆｅ，Ｒｏｊａｎａ— ｓｏｏｎｔｈｏｎ等采用启发式方法和智能搜索算法对地基（地面 站）和天基（中继星）测控资源调度问题的研究，以及郑晋 军、李元新、王远振等从工程角度对地基测控资源调度与测 控系统能力评价问题的研究。总之，目前卫星测控资源调 度问题的研究还很不够，需要在评价指标体系、调度模型与 算法、资源配置优化等多个方面深入研究。本文研究测控 系统资源调度模型问题，在系统阐述综合航天测控网资源 调度中涉及的资源、任务、事件、约束等元素的基础上，采用 扩展ＣＳＰ模型描述测控资源调度问题。
实施遥控的弧段必然同时进行遥测；不同地面站测控设备 不能同时对一颗卫星提供遥控服务；对测定轨弧段，当多个 地面站有共视弧段时，只能有一个地面站进行全功能测控 （距离、速度、加速度、仰角），其他地面站若提供测控服务， 只能测量后两项参数。
（５）任务的优先级 测控任务具有优先级，而且任务优先级可能随时间、事 件动态变化。比如，应急测控任务优先；对一般性卫星故障 要求排除措施在当圈或下一圈实施，对重大故障需经认真 分析和报上级准后尽快实施；如果数据注入不成功，必需在 下一圈或由备用站执行。 此外，为保证测控任务质量，还会对测控资源调度提出 一些要求，比如： ·可视条件或最短服务时间要求。比如数据注入型遥 控任务要求卫星进站仰角１０。至出站仰角１０。之间的可视弧 段不小于１２０ Ｓ。 ·任务间隔时间要求。比如连续两次轨道控制之间的 间隔时间应足够长，以确保对轨道控制的结果有足够时间 的监测和评价；测控中心以透明方式通过地面站全双工收 发处理测站信息时，不能同时对多星遥控，不同地面站测控 开始时间存在最小间隔。 ·轨道控制的圈次最好选择至少有两个测站同时可视 的弧段，遵循“一测控中心＋两地面站”的模式，最好有后续 的备份弧段。 ·测定轨要求测控时间越长越好，测控站数量越多 越好。
但允许不同资源的准备、事后处理等活动并行），幼＾一为类
型ａ刈。。的测控资源。设ｅ，在配置ｎ¨下开始接受服务的
时刻为ｅ。，定义如下变量：
（１）资源‰。∈ｎｍ开始为任务￡，服务的时刻ｆ沁一为
”，ｃ掣≯。 ￡；，¨一￡．±，￡；＾ｄ—ｆ；＾｝。１＋∑Ｙｐ（ｊ＾｝１ｍ∥ｄ一２，…，
ｆ＝ｌ
Ｄ（ｊ，女）．哟，州∈Ｄ卅结束为任务￡，服务的时刻ｆＡａ由￡沁ａ
第２９卷第７期 ２００７年７月
文章编号：】００１ ５０６Ｘ（２００７）０７—１１１７－０４
系统工程与电子技术 Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００７
卫星地面站测控资源调度ＣＳＰ模型
金光
（国防科技大学系统工程系，湖南长沙４１００７３）
万方数据
第７期
金光：卫星地面站测控资源调度ＣＳＰ模型
·１１１９·
环ＣＳＰ，就是它的每次演化都是一个半环ＣＳＰ，演化的依据 是子任务的划分。限于篇幅，关于ＳＣＳＰ—ＣＳ的概念和算法 以及子任务或子弧段划分涉及的算法将另文阐述。下面给 出某次演化得到的半环ＣＳＰ，它是在给定的子任务划分或 子弧段划分后形成的。 ２．２测控资源调度的半环ＣＳＰ模型
２测控资源调度的ＣＳＰ模型
２．１经典ＣＳＰ模型及其扩展 资源调度与优化配置属约束规划问题，ＣＳＰ（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ
ｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ）是描述这类问题的一种有效的模型， 并已提出一些约束规划算法，如约束传播算法、禁忌搜索算 法以及智能搜索算法如遗传算法等。经典ＣＳＰ为三元组 Ｐ一｛Ｘ，Ｄ，Ｃ），其中Ｘ一｛ｘ：：ｘ。∈Ｄ。）为变量集合，