宋世杰，劉曉麗，高朝暉，彭會(huì)湘，付 偉，孔慶玲

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

0 引言

現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星運(yùn)控系統(tǒng)，一般都以天為周期批處理集中式進(jìn)行多星多站綜合任務(wù)規(guī)劃，必須等待所有衛(wèi)星任務(wù)都受理完成后才能執(zhí)行綜合任務(wù)規(guī)劃[1-3]，有些雖然能夠進(jìn)行接收資源預(yù)規(guī)劃，之后進(jìn)行單星分布式任務(wù)規(guī)劃，但是接收資源預(yù)規(guī)劃的前提也是已受理的衛(wèi)星任務(wù)，依據(jù)衛(wèi)星任務(wù)進(jìn)行接收資源需求分析，據(jù)此進(jìn)行接收資源預(yù)規(guī)劃[4-6]。這種接收資源使用模式能夠有效地解決各衛(wèi)星接收資源使用沖突，實(shí)現(xiàn)接收資源的優(yōu)化分配[7-8]。在接收資源由一個(gè)部門統(tǒng)管并服務(wù)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(wèi)星任務(wù)規(guī)劃周期不同，無法嚴(yán)格按照衛(wèi)星任務(wù)需求進(jìn)行精確的資源分配。因此接收資源的分配必須根據(jù)各衛(wèi)星歷史資源需求情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，再根據(jù)當(dāng)天的實(shí)際任務(wù)情況進(jìn)行臨時(shí)申請(qǐng)與微調(diào)。由于各衛(wèi)星載荷的任務(wù)承載能力依據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)指標(biāo)與使用約束基本可以確定最大額度，任務(wù)區(qū)域分布不同、載荷模式不同、任務(wù)量不同等原因會(huì)造成資源使用需求的不同，主要體現(xiàn)在資源時(shí)間窗口數(shù)量不同、時(shí)間窗口分布不同，但一般差別都在有限范圍內(nèi)。因此可以基于歷史數(shù)據(jù)中各衛(wèi)星資源使用情況進(jìn)行當(dāng)前資源需求的預(yù)測(cè)。

1 概述

借鑒智能決策與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法[9-12]，分析當(dāng)前國內(nèi)各類測(cè)控與數(shù)傳資源管理部門運(yùn)行模式[13-17]，考慮未來地面站網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，以及各類衛(wèi)星任務(wù)管控部門用戶需求[18-20]，本文提出基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源預(yù)規(guī)劃方法，通過統(tǒng)計(jì)分析歷史資源使用計(jì)劃，通過自學(xué)習(xí)獲取資源使用概率模型，并可依據(jù)每日運(yùn)行數(shù)據(jù)自適應(yīng)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(jìn)行各衛(wèi)星所需接收資源預(yù)分配，滿足各衛(wèi)星基本資源需求。各衛(wèi)星在任務(wù)規(guī)劃過程中根據(jù)當(dāng)日任務(wù)情況臨時(shí)再申請(qǐng)資源，進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)調(diào)配。這種接收資源預(yù)規(guī)劃方法不需要等待所有任務(wù)都受理后再進(jìn)行資源申請(qǐng)協(xié)調(diào)，預(yù)先解決了各衛(wèi)星對(duì)接收資源的使用沖突，各衛(wèi)星可根據(jù)自身任務(wù)情況與測(cè)控周期隨時(shí)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，提升任務(wù)規(guī)劃的相對(duì)獨(dú)立性，能夠很好地適應(yīng)多部門多衛(wèi)星分布式任務(wù)規(guī)劃的情況。

2 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源預(yù)規(guī)劃流程設(shè)計(jì)

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源預(yù)規(guī)劃方法技術(shù)流程如圖 1所示。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical flow chart

具體實(shí)施步驟如下：

(1)收集所有衛(wèi)星壽命期的歷史數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，剔除無效數(shù)據(jù)后統(tǒng)計(jì)分析各衛(wèi)星在一個(gè)回歸周期內(nèi)每天使用的接收資源窗口平均數(shù)量、窗口平均間隔時(shí)間、各窗口使用概率、資源窗口關(guān)聯(lián)使用情況以及各衛(wèi)星地面站使用偏好，形成資源使用概率模型。

(2)按照衛(wèi)星與地面站天線數(shù)傳能力匹配關(guān)系，以及可見時(shí)間窗口沖突情況，進(jìn)行衛(wèi)星與地面站天線可見時(shí)間窗口分組，首先計(jì)算各衛(wèi)星與各地面站天線可見時(shí)間窗口，依據(jù)衛(wèi)星與地面站天線數(shù)傳能力匹配關(guān)系進(jìn)行窗口初步過濾，按照可見時(shí)間窗口的時(shí)間沖突情況將所有的可見時(shí)間窗口進(jìn)行分組，分為多組沖突的可見時(shí)間窗口集。

(3)不存在沖突的時(shí)間窗口，直接分配給可接收的衛(wèi)星。

(4)對(duì)于沖突的可見時(shí)間窗口集，按照資源預(yù)留比例隨機(jī)抽取部分可見時(shí)間窗口集進(jìn)行資源預(yù)留，并依據(jù)近期重大保障任務(wù)需求或特殊任務(wù)需求對(duì)剩余的可見時(shí)間窗口集進(jìn)行特定任務(wù)優(yōu)先預(yù)分配。

(5)針對(duì)步驟(4)處理完成后剩余的可見時(shí)間窗口集分別按照資源使用概率模型進(jìn)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(guān)聯(lián)使用窗口，則將該窗口進(jìn)行分配，標(biāo)記為“已分配”狀態(tài)，窗口集中與其沖突的其他窗口被鎖定，標(biāo)記為“已鎖定”狀態(tài)；

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(guān)聯(lián)使用窗口，在資源使用概率模型中選取日常使用該時(shí)間窗口概率較高的多個(gè)衛(wèi)星(具體數(shù)量可配置)；

③ 統(tǒng)計(jì)這幾個(gè)衛(wèi)星已分配的窗口數(shù)量，以及已分配窗口與該窗口的間隔時(shí)間，基于資源使用概率模型計(jì)算這幾個(gè)衛(wèi)星對(duì)該窗口的資源需求度；

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

(6)基于資源均衡使用原則與各衛(wèi)星資源滿足度均衡原則，對(duì)已分配的所有可見時(shí)間窗口進(jìn)行整體微調(diào)，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(shí)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(duì)應(yīng)的衛(wèi)星，再搜索包含該衛(wèi)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(duì)該衛(wèi)星的時(shí)間窗口進(jìn)行分配；

② 基于各衛(wèi)星資源滿足度均衡原則，若某個(gè)衛(wèi)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(wèi)星窗口，查找資源滿足度過低的衛(wèi)星窗口，進(jìn)行互換。

(7)在預(yù)分配接收資源的基礎(chǔ)上，各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程中根據(jù)任務(wù)滿足情況申請(qǐng)預(yù)留的可見時(shí)間窗口；根據(jù)應(yīng)急任務(wù)需求在所有未使用的可見時(shí)間窗口范圍內(nèi)申請(qǐng)滿足任務(wù)需求的可見時(shí)間窗口，具體為：在預(yù)分配接收資源的基礎(chǔ)上，各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程中若資源不足時(shí)，在預(yù)留的可見時(shí)間窗口集內(nèi)臨時(shí)申請(qǐng)使用資源，當(dāng)進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)快速調(diào)整時(shí)，在所有未使用的可見時(shí)間窗口內(nèi)應(yīng)急申請(qǐng)使用接收資源，若申請(qǐng)的可見時(shí)間窗口與已分配給其他衛(wèi)星的可見時(shí)間窗口沖突時(shí)，在預(yù)留的可見時(shí)間窗口范圍內(nèi)進(jìn)行資源調(diào)配，無法調(diào)配時(shí)，申請(qǐng)失敗。

(8)根據(jù)各衛(wèi)星最終的數(shù)據(jù)接收計(jì)劃定期自適應(yīng)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(wèi)星每天的數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，基于已有的資源使用概率模型，重新計(jì)算模型中各衛(wèi)星數(shù)據(jù)，更新資源使用概率模型；

② 對(duì)于新發(fā)射衛(wèi)星早期階段，根據(jù)測(cè)試任務(wù)需要按照步驟(4)進(jìn)行特定任務(wù)優(yōu)先預(yù)分配，轉(zhuǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行階段，先按照同類衛(wèi)星的平均資源使用概率模型生成該衛(wèi)星初始資源使用概率模型，進(jìn)行預(yù)分配，然后不斷在運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際任務(wù)情況自適應(yīng)調(diào)整更新資源使用概率模型；

③ 對(duì)于新增加的接收天線，按照各衛(wèi)星對(duì)該天線的使用概率均等原則修改各衛(wèi)星的資源使用概率模型，逐漸在使用過程中學(xué)習(xí)更新資源使用概率模型。

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)建資源使用概率模型

本技術(shù)方法實(shí)施的第一步是獲取資源使用概率模型。收集各衛(wèi)星壽命期所有的地面站數(shù)據(jù)接收計(jì)劃(不包括在軌測(cè)試、軌控以及故障期)，以各衛(wèi)星的回歸周期劃分?jǐn)?shù)據(jù)，按天為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到資源使用概率模型中各數(shù)據(jù)。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(guān)聯(lián)使用概率。其中資源使用基本信息描述了各衛(wèi)星資源使用的概要情況，包括衛(wèi)星標(biāo)識(shí)、平均窗口使用數(shù)量、平均窗口間隔時(shí)間，最大窗口間隔時(shí)間、最小窗口間隔時(shí)間和偏好地面站；資源使用概率描述了各衛(wèi)星對(duì)各地面站可見時(shí)間窗口的使用概率；窗口關(guān)聯(lián)使用概率描述了各衛(wèi)星時(shí)間窗口關(guān)聯(lián)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(shè)num(i,j)為衛(wèi)星i第j天的接收計(jì)劃數(shù)量，N為接收計(jì)劃總天數(shù)，則衛(wèi)星i的平均每天窗口使用數(shù)量為：

(1)

(2)設(shè)pan(i,j)為衛(wèi)星i第j個(gè)接收計(jì)劃與第j+1個(gè)接收計(jì)劃的時(shí)間間隔，M為接收計(jì)劃總數(shù)，則衛(wèi)星i的最大窗口間隔時(shí)間為：

(2)

(3)設(shè)pan(i,j)為衛(wèi)星i第j個(gè)接收計(jì)劃與第j+1個(gè)接收計(jì)劃的時(shí)間間隔，M為接收計(jì)劃總數(shù)，則衛(wèi)星i的最小窗口間隔時(shí)間為：

(3)

(4)設(shè)pan(i,j)為衛(wèi)星i第j個(gè)接收計(jì)劃與第j+1個(gè)接收計(jì)劃的時(shí)間間隔，M為接收計(jì)劃總數(shù)，則衛(wèi)星i的平均窗口間隔時(shí)間為：

(4)

(5)

(6)

(6)設(shè)num(i,j,s,k)為衛(wèi)星i在第j個(gè)回歸周期中對(duì)地面站s的第k個(gè)時(shí)間窗口的使用數(shù)量，N為壽命期回歸周期個(gè)數(shù)，則衛(wèi)星i對(duì)地面站s第k個(gè)時(shí)間窗口的使用概率為：

(7)

(7)設(shè)Pi(an)為衛(wèi)星i在一個(gè)回歸周期中對(duì)地面站a的第n個(gè)時(shí)間窗口的使用概率，Pi(bm)為衛(wèi)星i在一個(gè)回歸周期中對(duì)地面站b的第m個(gè)時(shí)間窗口的使用概率，則衛(wèi)星i對(duì)窗口an與窗口bm的關(guān)聯(lián)使用概率為Pi(bm|an)，即衛(wèi)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(shí)間窗口分組

按照衛(wèi)星與地面站天線數(shù)傳能力匹配關(guān)系，以及時(shí)間窗口沖突情況進(jìn)行衛(wèi)星與地面站天線可見時(shí)間窗口分組示意如圖3所示，圖中根據(jù)各地面站可見時(shí)間窗口時(shí)間間隔，以虛線分隔沖突窗口組。

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

首先計(jì)算各衛(wèi)星與各地面站天線可見時(shí)間窗口，依據(jù)衛(wèi)星與地面站天線數(shù)傳能力匹配關(guān)系進(jìn)行窗口初步過濾，按照可見時(shí)間窗口的時(shí)間沖突情況將所有的可見時(shí)間窗口進(jìn)行分組，分為多組可見時(shí)間窗口集。

3.3 基于資源使用概率模型進(jìn)行可見時(shí)間窗口分配

對(duì)于以上生成的可見時(shí)間窗口集，剔除設(shè)備維修等特殊情況需要占用的時(shí)間窗口。對(duì)于不存在沖突的時(shí)間窗口，可直接分配給可接收的衛(wèi)星。對(duì)于沖突的可見時(shí)間窗口集，首先依據(jù)近期重大保障任務(wù)需求或特殊任務(wù)需求對(duì)剩余的可見時(shí)間窗口集進(jìn)行特定任務(wù)優(yōu)先預(yù)分配，然后按照資源預(yù)留比例隨機(jī)抽取部分可見時(shí)間窗口集進(jìn)行資源預(yù)留。

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

(1)選取時(shí)間窗口集W={w1,w2，…，wn}進(jìn)行沖突消解，從W選取一個(gè)窗口wi，判斷該窗口是否其他已分配窗口的關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)使用概率模型中查找該窗口，若關(guān)聯(lián)使用概率大于設(shè)定的值，則將窗口進(jìn)行分配；若沒有關(guān)聯(lián)窗口或關(guān)聯(lián)使用概率小于設(shè)定的值，按照以下方法進(jìn)行處理。

(2)若該窗口與相應(yīng)衛(wèi)星已分配窗口間隔時(shí)間大于等于衛(wèi)星資源使用概率模型中最大窗口間隔時(shí)間，則窗口wi直接分配；從W中選取m個(gè)使用概率最高的窗口，并且該窗口與相應(yīng)衛(wèi)星已分配的窗口間隔時(shí)間大于衛(wèi)星資源使用概率模型中最小窗口間隔時(shí)間，m可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，按照式(9)計(jì)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(jìn)行分配，分配到具體的天線，該天線在該時(shí)間窗口集的相應(yīng)其他衛(wèi)星的窗口被鎖定。

(9)

式中，p為衛(wèi)星對(duì)某個(gè)接收時(shí)間窗口的資源使用概率；N為衛(wèi)星資源平均需求數(shù)量；n為當(dāng)前衛(wèi)星已分配窗口數(shù)量；S為衛(wèi)星接收時(shí)間窗口平均間隔時(shí)間；s為當(dāng)前窗口與已分配臨近窗口的間隔時(shí)間。

3.4 資源均衡微調(diào)

基于資源均衡使用原則與各衛(wèi)星資源滿足度均衡原則，對(duì)已分配的所有可見時(shí)間窗口進(jìn)行整體微調(diào)。

(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(biāo)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(biāo)記為天線B)時(shí)間窗口，將天線B相對(duì)該衛(wèi)星的時(shí)間窗口進(jìn)行分配，將該窗口標(biāo)記為“已分配”狀態(tài)，將與之沖突的天線A時(shí)間窗口鎖定，標(biāo)記為“未分配”，此過程可反復(fù)多次執(zhí)行，直到天線資源的使用大體均衡。

(2)基于各衛(wèi)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(wèi)星(標(biāo)記為衛(wèi)星A)，從衛(wèi)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(wèi)星B窗口，將衛(wèi)星B相應(yīng)的時(shí)間窗口進(jìn)行分配，將該窗口標(biāo)記為“已分配”狀態(tài)，將與之沖突的衛(wèi)星A相應(yīng)的時(shí)間窗口釋放，標(biāo)記為“未分配”，此過程可反復(fù)多次執(zhí)行，直到各衛(wèi)星資源滿足度大體均衡。

3.5 資源應(yīng)急申請(qǐng)

在預(yù)分配接收資源的基礎(chǔ)上，各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程中根據(jù)任務(wù)滿足情況申請(qǐng)預(yù)留的可見時(shí)間窗口；根據(jù)應(yīng)急任務(wù)需求在所有未使用的可見時(shí)間窗口范圍內(nèi)申請(qǐng)滿足任務(wù)需求的可見時(shí)間窗口。具體方法如下：

在預(yù)分配接收資源的基礎(chǔ)上，各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程中若資源不足時(shí)，在預(yù)留的可見時(shí)間窗口集內(nèi)臨時(shí)申請(qǐng)使用資源，當(dāng)進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)快速調(diào)整時(shí)，在所有未使用的可見時(shí)間窗口內(nèi)應(yīng)急申請(qǐng)使用接收資源，若申請(qǐng)的可見時(shí)間窗口與已分配給其他衛(wèi)星的可見時(shí)間窗口沖突時(shí)，在預(yù)留的可見時(shí)間窗口范圍內(nèi)進(jìn)行資源調(diào)配，無法調(diào)配時(shí)，申請(qǐng)失敗。

3.6 自適應(yīng)更新資源使用概率模型

根據(jù)各衛(wèi)星最終的數(shù)據(jù)接收計(jì)劃定期自適應(yīng)更新資源使用概率模型。具體方法如下：

(1)定期獲取各衛(wèi)星每天的數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，基于已有的資源使用概率模型，重新計(jì)算模型中各衛(wèi)星資源使用數(shù)據(jù)，更新資源使用概率模型，若某顆衛(wèi)星經(jīng)常額外申請(qǐng)更多的資源，則調(diào)整該衛(wèi)星的資源預(yù)分配模型，增加資源窗口；若某衛(wèi)星對(duì)預(yù)分配的資源最終未使用，則調(diào)整該衛(wèi)星的資源預(yù)分配模型，減少資源窗口；若某衛(wèi)星常使用的資源窗口發(fā)生變化，或者檢測(cè)到資源窗口使用的關(guān)聯(lián)性，則更新該衛(wèi)星資源預(yù)分配模型；若某顆衛(wèi)星經(jīng)常額外申請(qǐng)更多的資源，但預(yù)分配的資源多數(shù)未使用，則重新統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)形成新的資源使用概率模型。

(2)對(duì)于新發(fā)射衛(wèi)星早期階段，可以根據(jù)測(cè)試任務(wù)需要進(jìn)行特定任務(wù)優(yōu)先預(yù)分配，轉(zhuǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行階段，先按照同類衛(wèi)星的平均資源模型進(jìn)行預(yù)分配，然后不斷在運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際任務(wù)情況自適應(yīng)調(diào)整更新資源預(yù)分配模型。

(3)對(duì)于新增加的接收天線，預(yù)先配置各衛(wèi)星的使用概率均等，逐漸在使用過程中學(xué)習(xí)更新概率模型。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)航天地面系統(tǒng)運(yùn)控領(lǐng)域，基于各衛(wèi)星歷史資源使用情況預(yù)測(cè)當(dāng)前資源使用需求的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收資源預(yù)規(guī)劃方法，適用于在衛(wèi)星所有任務(wù)下達(dá)之前預(yù)先進(jìn)行地面站接收資源分配，可解決各衛(wèi)星接收資源使用沖突，剝離單星任務(wù)規(guī)劃的耦合性，為各衛(wèi)星分布式異步任務(wù)規(guī)劃模式建立基礎(chǔ)。這種接收資源預(yù)規(guī)劃方法在上層進(jìn)行集中資源統(tǒng)籌預(yù)分配基礎(chǔ)上，提升各衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的相對(duì)獨(dú)立性和對(duì)應(yīng)急任務(wù)的快速動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，能夠很好地適應(yīng)多部門多衛(wèi)星分布式任務(wù)規(guī)劃的情況，提高系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃效率，并且能夠適應(yīng)應(yīng)急任務(wù)快速調(diào)整對(duì)接收資源的需求，適應(yīng)滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)管控模式。采用本文方法，接收資源管理部門可為多個(gè)不同的衛(wèi)星管控部門提供資源服務(wù)，改變目前接收資源分別由各自獨(dú)占使用的現(xiàn)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(jīng)過改進(jìn)后也可應(yīng)用于測(cè)控資源的預(yù)規(guī)劃，以及接收與測(cè)控資源的綜合分配，以實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)籌使用。