跟踪与数据中继卫星系统资源调度优化问题.pdf

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2015年2月第1期跟踪与数据中继卫星系统资源调度优化问题王志淋1‘2李新明1(1装备学院复杂电子系统仿真实验室，北京lol416)(2北京空间信息中继传输技术研究中心，北京100094)摘要现有跟踪与数据中继卫星资源调度研究常采取简化模型，它将天线的准备时间假定为固定值，由此成为工程应用中系统利用率提升的一个瓶颈。文章借鉴时间窗约束的车辆路径问题理论，提出天线准备时间变长的规划优化问题(I。OPVAPT)模型，通过优化天线的扫描路径，实现天线准备时间的动态最优取值。采用

2、STK模拟任务过程，基于Matlab实现蚁群算法，结果表明可将系统利用率从低于80％提高到90％以上。关键词调度优化；天线资源分配；蚁群算法；车辆路径规划问题；中继卫星系统DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2015．01．0051引言跟踪与数据中继卫星系统。11(简称中继卫星系统)是利用地球静止轨道(或高轨道)的中继卫星和地面终端站，对中、低轨飞行器进行高覆盖率测控和数据中继的测控通信系统，又被称为“天基测控系统”。中继卫星资源调度问题[z。43是指在对用户航天器进行数据中继服务时，在满足中继卫星和天线数量限制、多个任务时段、

3、可视窗口、任务执行时长等一系列约束条件下，必须在用户要求的时间范围内完成服务保障，在满足上述条件下优化设计一套中继卫星系统对用户的服务方案，使得中继卫星系统的有效利用率最大。天线准备时间变长的规划优化问题(LayoutOptimizationProblemwiththeVariantofAntennaPreparingTime，LOPVAPT)在理论上更接近带时间窗口的车辆路径规划问题(VRPTW)[5一。文献r6]基于车辆最少和总成本最小的多目标利用遗传算法求解VRPTW问题。文献[7]的设计是基于自然编码方式的可同时处理软、硬时间窗约束的遗传算法

4、。文献[8]采用并行遗传算法求解有时间窗车辆路径问题时初始单一的种群。文献[9]采用改进两阶段算法求解有时间窗的车辆调度问题。但所有的路径规划问题的目的地都是固定的，关于目的地位置动态改变的路径规划问题当前研究不多。由于航天任务的特殊性，任务中用户航天器的位置都是可预知的，因此可借鉴VRPTw的方法，引入目的地位置匀速变化这一新特性，优化天线的回扫路径。本文采用STK模拟航天任务过程生成各类预报数据，基于MatIab设计蚁群算法实现天线最优回扫路径的计算。2问题描述和数学模型2．1任务情况中继卫星天线采用机械驱动方式，服务过程中需实时指向用户航天器，

5、以确保空间链路正常：”j。由于中低轨道上的用户航天器的高程相对于中继卫星高程可忽略，为简化图形，使用用户收稿日期：2014一08—14。收修改稿日期：2014—11—142015年2月中国空间科学技术37航天器轨迹的地面投影代替实际空间轨迹，在地球平面上描述不同任务中用户航天器与中继卫星天线摆动的关系。中继卫星天线指向关系如图1所示。图中包含一颗中继卫星、两颗用户航天器(卫星l、卫星2)；外侧大矩形框为中继卫星天线的可视范围在地面的投影；线条1为卫星1在任务时段内的星下点，节点1、节点2分别为其星下点的开始、结束位置，任务时中继卫星的天线需从节点1扫

6、描到节点2，整个过程的时间由用户航天器的速率确定；线条2为卫星2在任务时段内的星下点，节点3、节点4分别为其星下点的开始、结束位置。假设卫星1的任务完成时间在卫星2的任务开始时间之前，因此在卫星2的任务准备阶段，中继卫星天线需图1中继卫星天线指向关系Fig．1PointrelationoftheTDRSantenna4从节点2摆动到节点3，整个过程时间由中继卫星天线最大摆动角速度、节点2与节点3距离确定。假设天线最大回扫时间为8min，任务时长都为30min，若采用固定天线准备时间的方式，系统利用率将小于79％(任务时间除以任务时间与准备时间之和，即

7、30／38)。因每次任务中，用户航天器只需要在一个宽泛的时间段内选择一个较短的执行时间段，故可在卫星1任务结束点已定情况下，遍历卫星2的星历，选择天线最小摆动距离的星历点作为卫星2任务的开始点，从而缩短天线的准备时间。由于天线准备时间与其扫描路径成正比，故可将其转化为天线扫描路径优化问题。2．2任务要素中继卫星系统的任务规划过程中涉及的要素有：1)T：规划时段，即任务规划的总时间长度。2)R：中继卫星系统需执行的中继任务集合R一{R，，R。，⋯，R。}，I尺I表示需要执行的任务数量。3)TG：与中继任务对应的用户航天器集合TG一{TG。，TG：，⋯，

8、TG删)，TG，表示任务R，所对应的用户航天器。4)wIN：中继任务的执行时间要求集合wIN一{wIN。，w