本发明专利技术公开了一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，解决了资源受限的小卫星网络对地观测场景中由于调度过程未充分考虑网络资源，导致端到端吞吐量低、网络资源利用效率低的问题。实现过程为：依网络初始拓扑确立节点编号，同时初始化网络资源调度规划时间集；地面控制中心根据当前网络状态和资源调度冲突约束构造链路调度冲突图，求解该冲突图对应的最大独立集，获得网络无冲突调度链路集合；利用该链路集合，采用线性规划求解最优化网络效益的资源分配方案与数据传输方式，直至截止时隙。本发明专利技术提升了资源利用率，提高了重要任务数据回传效率，改善了小卫星对地观测网络性能，用于对地观测系统数据高效传输的资源调度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于卫星通信
，主要涉及星载资源的无冲突分配方案和数据传输方式的合理规划，具体的说是一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，可用于小卫星网络对地观测系统。
技术介绍
相比通过同步轨道卫星中继的对地观测网络，小卫星网络因为分布在低层轨道，因此具有低时延、低路径损耗以及低功率等特性，近年来，得到人们的广泛关注，成为满足人们越来越多对地观测任务需求的一个不可或缺的平台设施体系。此外，通过小卫星之间的协作，提高了观测数据回传的效率，使得当某颗观测小卫星需要将其观测数据回传到地面，而不存在与其建立链路的地面站时，可通过小卫星之间的星间链路将该观测数据传给其他能与地面站建立通信链路的小卫星，从而快速的将观测数据回传到地面，同时，释放了该观测小卫星的存储资源，可进行更多的观测任务，从而提升网络的资源利用效率。但是由于小卫星上的星载存储资源、能量资源、收发信机数目受限且地面站数量受限，导致小卫星网络成为断续连通的网络，不一定存在端到端的传输路径，即当前观测小卫星观测到观测点传来的数据后，不一定存在将数据传输到地面站的路径，而是需要小卫星将该观测数据存储下来，直到星地路径建立起来时，才能将数据回传到地面站。此外，在一段时间，网络的观测任务需求不同，并且，不同观测任务对应不同的优先级，而不同的网络拓扑连接状态、卫星电池电量状态以及可用存储空间又决定了任务对应的数据传输方式，因此，为了高效利用网络中的各种资源(天线、收发信机、能量、存储)，进而使得在一段时间尽可能多的将优先级高的任务数据回传到地面站，亟待设计一种高效的资源调度方法。针对具有断续联通特性的卫星网络的资源调度问题，当前研究者提出的比较前沿的方法有以下两种：第一种是J.Fraire等作者在IEEE Communications Magazine上发表的“Design Challenges in Contact Plans for Disruption-tolerant Satellite Networks”中提到的拓扑控制算法，该算法通过利用时间扩展图以及卫星节点运动轨迹可预测性，将一个时间段内每个时隙中网络中卫星节点的拓扑连接状态建模为一个静态图，并在该静态图上计算保持网络中任意一个节点对在该时间段的初始时刻和结束时刻连通，所需要建立的最小代价链路，从而减少不必要链路的维持而导致的资源浪费；第二种是M.Huang等作者在IEEE Transactions on Computers上发表的“Topology Control for Time Evolving and Predictable Delay-tolerant Networks”中提到的基于公平性的拓扑规划算法，该算法考虑到网络中卫星节点星载收发信机资源受限的因素(即并不是可视的节点对一定可以建立通信链路，一个卫星节点在一个时隙内只能和其他一个卫星节点建立星间链路)，根据卫星节点运动轨迹可预测特性，利用时间扩展图描述一个时间段内网络中节点在每一个时隙的拓扑状态，并以最大化网络中可建立通信的链路数目，同时保障链路建立公平性(使得在一个时间段内每对可视节点具有相对均等的链路建立机会)为目标，计算在该时间段内网络中实际可行的拓扑规划。但是上述两种资源调度方法均没有考虑星载能量和存储资源受限，而且，也没有考虑具体的任务需求，仅仅是从网络拓扑角度研究网络中链路的调度策略，并不适用于现有的卫星系统，使得在执行实际任务需求情况下，上述两种策略可能只能传输少量的业务。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前前沿的小卫星网络资源调度方法的不足，提出一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，以有效利用星载资源，进而将更多重要的观测任务数据传输到地面站。本专利技术是一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)初始化网络参数，地面控制中心根据网络中的卫星节点、地面站节点和任务观测点当前所处的经纬度分别对网络中卫星节点、地面站节点和任务观测点进行编号；(2)时隙划分，给定网络资源调度规划的时间集Γ＝{1,2,...i...T本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)初始化网络参数，地面控制中心根据网络中的卫星节点、地面站节点和任务观测点当前所处的经纬度分别对网络中卫星节点、地面站节点和任务观测点进行编号；(2)时隙划分，给定网络资源调度规划的时间集Γ＝{1,2,...i...T}，其中0为第0个时隙，即初始时隙，i表示第i个时隙，每个时隙是等长的，Δt即为时隙长度，初始化当前时隙t＝0；(3)拓扑结构的获取，在当前时隙t，地面控制中心获得所有卫星节点的电池状态以及当前时刻的任务需求，同时获得该时隙和下一个时隙网络的拓扑结构G(E(t),V(t))和G(E(t+1),V(t+1))，其中，E(t)和V(t)分别为时隙t内的链路集合和节点集合，且网络的拓扑在每个时隙内保持恒定；(4)根据时隙t的拓扑结构G(E(t),V(t))以及卫星的能量状态，计算星地链路集合Esg(t)中的链路的价值；(5)获得无冲突调度的星地链路集合，构造时隙t的星地链路调度冲突图CGg(Eg(t),Vg(t))，其中冲突图中的节点对应链路集合中的链路，其节点价值等于对应链路集合中的链路价值，进而求解该冲突图对应的具有最大节点价值的独立集，获得无冲突调度的星地链路集合Encsg(t)；(5a)构造星地链路冲突图中的节点集合：将星地链路集合Esg(t)对应到冲突图中的节点集合；(5b)构造星地链路冲突图中的边集合：判断星地链路集合中某两条链路是否存在冲突关系，当某一颗卫星可同时跟其它两个地面站建立星地链路，或者某一个地面站可同时与其它两颗卫星建立星地链路时，认为冲突存在，在冲突图中对应的节点对之间加一条边，反之，该节点对之间不加边；(5c)根据构造的星地链路冲突图CGg(Eg(t),Vg(t))，求解具有最大节点价值的独立集，按照节点集与链路集的一一对应关系，获得无冲突调度的星地链路集合Encsg(t)；(6)根据时隙t的拓扑结构G(E(t),V(t))、卫星的能量状态以及无冲突调度的星地链路集合Encsg(t)，计算星间链路集合Ess(t)中的链路的价值；(7)获得无冲突调度的星地链路集合，构造时隙t的星间链路调度冲突图CGs(Es(t),Vs(t))，其中冲突图中的节点对应链路集合中的链路，其节点价值等于对应链路集合中的链路价值，进而求解该冲突图对应的具有最大节点价值的独立集，从而获得无冲突调度的星间链路集合Encss(t)；(7a)构造星间链路冲突图中的节点集合Vs(t)：将链路集合Ess(t)对应到冲突图中的节点集合；(7b)构造星间链路冲突图中的边集合Es(t)：判断星间链路集合中某两条链路是否存在冲突关系，当某一颗卫星可同时跟其它两个卫星建立星间链路时，认为冲突存在，在冲突图中对应的节点对之间加一条边，反之，该节点对之间不加边；(7c)根据构造的星间链路冲突图CGs(Es(t),Vs(t))，求解具有最大节点价值的独立集，进而获得无冲突调度的星间链路集合Encss(t)；(8)根据无冲突调度的星地链路集合Encsg(t)和星间链路集合Encss(t)以及当前时隙初始时刻网络中卫星节点的能量状态和存储状态信息，求解在当前时隙t以最大化网络收益为目标的线性规划，获得在当前时隙业务数据对应的传输方式；(9)该时隙t结束时，将卫星电池的状态和存储状态作为下一时隙t+1初始时刻的卫星电池状态和存储状态的初始值；(10)令t＝t+1，同时判断t是否等于T：若t＝T，则算法已经执行到最后一个时隙，对小卫星网络资源的调度过程结束；若t≠T，则执行步骤(3)，继续获取拓扑结构，进行新一轮运算。...
【技术特征摘要】
1.一种基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)初始化网络参数，地面控制中心根据网络中的卫星节点、地面站节点和任...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏，周笛，李璇，李建东，刘润滋，徐超，汪宇，张琰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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