应急常态化的测控网资源调度管理模式研究.pdf
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1、第 44 卷第 5 期2023 年 9 月Vol.44,No.5Sept.2023遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:应急常态化的测控网资源调度管理模式研究张虹,任勃,杜晓军,王子溪,陈志远(西安卫星测控中心 西安 710043)摘要:随着在轨卫星数量的迅速增加,卫星应急测控需求的立即响应已趋于常态化。为更好地满足应急常态化条件下航天测控网资源调度系统的高时效性要求,提高应急任务满足率,文章分析了传统应急条件下资源分配方法所存在的问题,对应急常态化的资源申请框架进行了完整重构,并针对该框架中的任务非全弧段分配、合作博弈
2、及优先级模型等关键技术进行了深入研究,使得资源的使用更加合理,可有效提高应急申请的响应时效。关键词:优先级;报答系数;应急常态化;冗余度中图分类号:TP302;V556 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2023)05-0028-07DOI:10.12347/j.ycyk.20230614001引用格式:张虹,任勃,杜晓军,等.应急常态化的测控网资源调度管理模式研究 J.遥测遥控,2023,44(5):2834.Research on resource scheduling management model of normalized emergency response in T
3、T&C networkZHANG Hong,REN Bo,DU Xiaojun,WANG Zixi,CHEN Zhiyuan(Xian Satellite Control Center,Xian 710043,China)Abstract:With the rapid increase of the number of in-orbit satellites,satellite emergency requests have gradually become normalization.In order to meet the high real-time effectiveness dema
4、nds of normalized emergency reponse in space TT&C network resource scheduling system,and improve the satisfaction rate of emergency tasks,this paper analyzes the existing issues of traditional resource scheduling method under emergency conditions,and proposes a complete framework of emergency resour
5、ce scheduling.After that,the key technologies of the framework such as task non-full-arc assignment,cooperative game and priority models are discussed.Based on the new framework,the resource utilizations are more reasonable and the reaponse efficiency of emergence application is improved effectively
6、.Keywords:Priority;Reward coefficient;Normalized emergency response;RedundancyCitation:ZHANG Hong,REN Bo,DU Xiaojun,et al.Research on resource scheduling management model of normalized emergency response in TT&C networkJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(5):2834.引 言随着卫星技术的不断发展,卫星自主能力
7、大幅提升,卫星在地震、火山爆发和森林火灾等应急事件中扮演着越来越重要的角色。当应急事件发生时,可快速利用卫星资源实现监测,为灾害预警、决策、评估提供重要的数据支撑。应急事件突发性强,时效性要求高16,任务必须在规定期限内完成。随着应急任务趋于常态化,各种应急极限情况增加,申请存在秒级响应需求,对响应时效提出了更高要求712。传统应急申请优先使用空闲资源申请即可满足需求,时效性高。但随着在轨卫星数量大幅增长,测控资源紧张情况日益凸显,设备跟踪接近于无缝衔接,很难在两圈间隙插入一个应急任务1318。无空闲资源的应急调整主要通过资源的转让挪用、搜索迭代方法实现,该方法在搜索一次时等待时间较短,资源挪
8、动复杂度随层数增加而大幅增长,穷举搜索方式因复杂度过高不能满足快速转让要求19,20。文章对应急申请可行性进行分析,构想完整的应急资源申请框架,该框架的运用使资源使用更合理、有效提高应急申请时效,最后对需要突破的关键技术进收稿日期:2023-06-14 修回日期:2023-07-272023 年 9 月遥 测 遥 控行分析。1一般应急申请响应流程1.1卫星应急情况分析随着卫星数量大幅增加,卫星自主能力提升,卫星的各类应急申请已趋于常态化。资源应急申请主要包括:卫星故障、应急发令、碰撞预警等卫星自身应急申请增加测控资源。地震、森林火灾、洪涝灾害、火山爆发等突发的自然灾害等增加卫星观测的应急资源申
9、请。其他高动态、高时效的任务应急申请增加测控资源。各类应急资源申请一般都是无预兆、突发的情况,具有高时效要求,有的应急申请必须秒级响应,若错过卫星观测时机、应急发令、卫星抢救最佳时间等将造成严重后果。因此,提高应急申请时效,是满足各类应急申请首要任务1114。1.2基于空闲资源的应急申请响应流程一般应急申请主要用于对响应时效性要求在分钟级以上的普通应急任务,资源调度中心通过空闲资源快速整合实现资源分配。任务响应流程如图1所示,当应急申请任务到达时,如果搜索到现成空闲资源可快速满足任务需要,直接分配该空闲资源,这种申请时效性满足各类任务需求;如果未发现可直接使用的空闲资源,调度算法基于图搜索的方
10、式,搜索是否能通过多次迭代、资源转让,腾挪出位置合适的空闲资源供当前任务使用。资源挪动转让本质上是一个图搜索问题,基本做法如图2所示,通过挪动各任务资源预分配计划,为资源不合用的任务转让出可用空闲资源。但是由于资源挪动复杂度随层数增加而大幅增加,穷举搜索方式因复杂度过高不能满足快速转让要求,时效性低。基于空闲资源的应急申请主要针对空闲资源充足的情况,若资源紧张时,算法需要进行不断地询问、搜索、迭代,其时效性随着迭代次数增加而呈指数级上升,很难满足应急任务的高时效性要求。现在的卫星数量大幅提升,需要的测控资源越来越多,测控系统面临的星多站少、资源争用问题日益突出,设备几乎无空闲时段来直接响应应急
11、申请任务,并且设备在例行的两个任务跟踪间隙是很难插入一个应急任务,因此基于空闲资源应急申请响应的流程主要存在的问题包括:测控资源面临资源争用较多,资源冲突严重,设备很少有可直接使用的空闲资源响应应急资源申请。应急申请需要进行迭代搜索、资源转让挪用等需求时,随着迭代次数增加,响应时间大幅增加,响应时效不高。资源的转让挪用是基于一定的优先级进行转让,该算法在搜索时比较盲目,对所有可转让资源依次进行询问、迭代、搜索效率不高。应急资源的调整应遵循“影响域最小”的原则,即对其他任务的影响尽可能小,该算法在资源转让挪用过程中,不考虑对其他任务的影响,因此不利于计划的稳定。2应急常态化调度模式框架文章研究的
12、应急常态化条件下测控网调度本质上是一个多卫星用户协同、星地协同式的调度框架,各用户依据应急任务需求、紧急程度等发图1空闲资源应急申请流程Fig.1Spare resource emergency application process图2资源转让搜索示意图Fig.2Resource transfer search schematic29第 44 卷第 5 期张虹等,应急常态化的测控网资源调度管理模式研究送应急申请,卫星用户中心在向资源调度中心直接申请资源的基础上,还需要具备一定的空闲资源博弈优选和中心间资源协调转让能力,以应对秒级时效要求,完整的应急调度框架见图3。该框架下,卫星用户之间、卫星
13、用户与资源调度之间均存在数据交换关系,与传统的应急申请模式相比,该模式主要在时效性上更高,算法不需要盲目地进行反复询问、查询、搜索导致时效无限期延长。完整的应急常态化测控网资源申请主要包括以下步骤:用户根据应急任务需求进行筹划,发送应急资源申请。测控网资源调度系统响应用户申请,进行可行解分析,生成优先级合理的可行解。(1)可行解进行排序,若有满足可行解的空闲资源,直接满足要求,向用户发送应急响应。(2)若无空闲资源,按报答系数排序,向报答系数最高的可转让资源发起申请。(3)若报答系数最高的资源有可转让资源,算法进行资源挪动转让,并为被转让资源分配满足要求的资源。(4)若报答系数最高的资源无法满
14、足资源转让,系统转入下一模式进行搜索。算法按优先级依次进行可行解搜索。(1)系统对可行解进行分析,按优先级进行排序,同等条件下,优先查找“影响域最小”的可行解。(2)算法搜索、查找其他可转让资源。(3)若无可使用资源,向用户发送无资源响应。特殊情况下,人工直接进行干预,满足用户应急需求。空闲资源的应急申请响应时效最高,申请即满足,在资源调度过程中,尽可能通过资源的合理利用增加设备空闲时段,任务非全弧段分配可有效增加设备空闲时段,因此,对任务非全弧段分配进行深入研究也是非常有必要的。3关键技术分析3.1合作博弈资源申请流程一般的应急申请使用简单的空闲资源抢占甚至“优先级”控制下的已分配资源转让抢
15、占,该做法是典型的非合作博弈过程。非合作博弈往往易导致恶性竞争,影响资源使用效率。在非合作模式下,用户盲目地根据自己掌握的不准确信息决策,往往导致资源抢占冲突概率加大,增加资源申请时延。为实现应急申请秒级的资源响应速度,可考虑从合作博弈角度出发,设计如图4所示的卫星任务中心快速申请资源流程。卫星任务中心根据自身任务需要,当应急申请空闲资源失败1次或者未搜索到合适的空闲资源时,不再寻求对其他空闲资源的博弈,转为搜索潜在的可转让给自己使用的资源,选择曾经请求自己配合转让资源次数最多的卫星任务中心(即报答系数最高的卫星任务中心),发起资源转让配合申请,如果成功,算法完成计划快速更新,如果未协调到合适
16、的资源,卫星任务中心可以协调人工干预或降低响应时效要求,转为一般应急申请的迭代进行资源搜索、查询。合作博弈应急申请响应仅进行1次空闲资源搜索,反复地进行低成功概率迭代、搜索将导致无谓的长时等待。报答系数的引入主要是为了引导各卫星任务中心相互配合,鼓励各任务中心在使图3完整的应急调度框架Fig.3Complete emergency scheduling framework302023 年 9 月遥 测 遥 控用资源时更精细、更合理,其他用户有应急申请时,积极配合进行资源转让、释放,以便提高自己在其它任务中心的报答系数,便于自己下次有应急申请时,其他用户也能快速进行资源转让,提高资源总体利用效率
17、。合作博弈应急申请的优势主要包括:应急申请仅 1 次空闲资源搜索,时效性更高。合作博弈减少算法反复询问、盲目迭代、搜索、查询导致的时效性不高的问题;同时加强各卫星用户之间互相配合、应急申请成功率更高。报答系数的引入可以使卫星用户使用资源过程中更加精细、合理,提高资源利用效率;同时用户为未来的应急申请提前筹划,时效性更高,且可以增加后续应急申请成功率。3.2任务非全弧段算法分配任务非全弧段算法分配能够节省测控资源,增加设备空闲时段,提高设备使用效率。空闲时段的增加是提高应急申请响应时效的最直接方法,具体分配见图5。一般的资源分配是全弧段分配,卫星进入地面站可观测范围后,地面站设备开始跟踪卫星,卫
18、星飞离地面站设备可观测范围后停止跟踪,地面站设备空闲或进入下一个任务准备。其实在很多情况下,卫星的每次测控工作仅需要很少的时间就能完成,每一次的地面站设备不需要全弧段跟踪,卫星完成当次工作后,地面站设备可直接断开与卫星的测控联系,其空闲时段实时更新,可用于应急任务的响应,这在一定程度上增加了设备的空闲时段,提高了单套设备使用效率,同时若有应急任务时,空闲时段的应急响应是时效最高的应急申请模式。任务非全弧段分配算法要求资源管理方更精细地掌握卫星的实际需求,需要与卫星用户做好沟通,对卫星的需求进行分类标注。3.3合理的优先级规划任务的优先级是多用户同时申请资源必须遵循的判据,优先级的合理规划能有效
19、提高应急任务的响应时效。一般应急申请时,若无空闲资源,算法会按既定优先级进行可转让资源查找,资源的转让是由低优先级任务为高优先级任务进行转让,但低优先级的任务也有重要资源需求的时候,不是任何时候资源都可以转让;同样,高优先级的任务在某些时刻也可以为低优先级的任务进行资源转让,因此优先级设置是非常复杂且需动态调整,图4合作博弈响应流程Fig.4Cooperative game response process图5非全弧段算法分配示意图Fig.5Schematic diagram of partial arc algorithm allocation31第 44 卷第 5 期张虹等,应急常态化的测
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