一种基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法
文献发布时间：2024-04-18 19:59:31
技术领域
本发明涉及一种巨型星座节点协同调度方法，特别是基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法。
背景技术
天基预警系统由高轨预警卫星系统和低轨预警卫星系统组成。其中，高轨预警卫星系统包括同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)和高椭圆轨道(HighlyEccentric Orbit，HEO)星座；中低轨系统则为低轨道(Medium/Low Earth Orbit，M/LEO)星座。通过天基预警信息系统中的卫星搭载红外等有效载荷，实现星载传感器对于导弹目标的预警探测任务，完成对于来袭导弹目标搜索、确认、跟踪以及轨迹预测等工作。
天基预警卫星用于探测和监视导弹目标的发射和飞行过程，通过星载传感器侦察导弹目标和提供预警信息。卫星围绕固定的轨道在空间中运行，导弹目标凭借自身携带的动力装置控制飞行航迹，二者之间属于相对高速运动关系。因此，不能依托单独的卫星实现对导弹目标整个飞行过程的预警探测，需将导弹目标整个飞行过程的预警探测任务合理分解为多个相互关联的子任务，并依次分配给相应的预警星座节点，通过协同调度才能完成整个探测预警流程。
中国空间技术研究院CN201811057827.0《一种基于合同网算法的多任务动态分配方法》通过模拟市场机制中的合同交易过程来实现节点之间的协商合作，在通过追求局部最优的基础上来实现全局最优上的任务分配。该方法在单个卫星中对每个注册卫星的执行任务能力建立动态数据库，在算法里没有绝对的管理者，也没有绝对的承包商，能够让卫星灵活地将任务分配给能够胜任的承包商执行，以减少资源耗费；同时为了让任务分配趋于最佳合理状态，并将蚁群算法中的转移概率公式改进为所需的卫星执行任务的效果概率公式，实现了对任务执行能力的动态评估，避免了重复迭代求解，有利于降低通信负载和优化功率消耗，提高了卫星系统任务分配的鲁棒性。
南京理工大学CN202310589983.6《一种基于改进合同网算法的无人机集群任务分配方法》公开了一种基于改进合同网算法的无人机集群任务分配方法。方法包括：结合无人机集群作业环境信息，建立无人机集群任务预分配的目标收益模型。结合无人机集群作业环境信息，建立无人机集群任务预分配的损失代价模型。基于任务预分配的目标收益和损失代价模型，结合无人机集群执行任务过程中的约束条件，建立无人机集群协同任务预分配模型。结合任务重分配问题需求，建立无人机集群任务重分配的损失代价模型。结合无人机集群任务预分配模型和任务重分配损失代价模型，建立任务分配效能函数模型。基于改进合同网算法对效能函数模型进行优化，得到任务分配的最优方案。本发明提高了无人机集群任务分配的有效性和实时性。
佛山市极加互动科技有限公司CN201711353030.0《一种弹道导弹预警信息处理系统》提出了一种弹道导弹预警信息处理系统，包括预警探测装备、天基预警监视装备和预警信息处理系统，所述预警探测装备用于监控天基预警装备、远程预警雷达、GBR、海基预警雷达和超视距雷达。本发明道导弹预警信息处理系统能够探测更远、信息精度更高，识别能力更强、抗干扰性能更优，从而保证预警信息及时、准确和全面，实现预警信息的快速分发和有效利用，促成弹道导弹预警系统体系作战能力的形成。
但上述实现方法主要存在以下问题：
(1)面对天基预警这种观测本体和目标均处于高速运动的高实时场景，以及天基资源的强受限，需要重点考虑算法的高效性、轻量化等特性。
(2)现有协同算法本身与具体场景都是高度关联、强耦合，无法直接应用。
(3)面向巨型星座海量节点的复杂应用场景，缺乏节点间的高效协同，仅仅是就具体任务，完成任务的分配。
发明内容
本发明的技术解决问题是：在巨型星座节点即时应用的卫星资源调度场景中，特别是面临大规模卫星探测任务时，采用合同网算法可以有效解决卫星探测任务和资源之间的合作与竞争关系。但是直接将传统合同网模型应用于巨型星座中的卫星资源调度具有一定的局限性，所以发明提出一种改进的合同网算法以解决巨型星座中的各卫星资源协同调度难题。
一种基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法，分为：天基预警任务群构建、天基预警任务多节点协同主流程设计、基于改进合同网的星群协商过程三个步骤。天基预警任务群构建根据地面上注的探测任务或者星上自主发现导弹目标后，以任务驱动的形式动态建立卫星群，在一个建立好的动态卫星群组中，存在主星和成员星两种不同功能的卫星角色以组织任务的分配和卫星之间的协同。天基预警任务多节点协同主流程设计，针对预警目标位置信息进行预测之后，由具有最早可见时间窗资源的卫星作为群主卫星，找到匹配的成员卫星构建卫星群，通过改进的合同网算法进行协同调度，形成最优组合的预警卫星资源调度方案，最终更新全局调度方案直至结束。基于改进合同网的星群协商过程可以分为四个阶段：招标方发布招标公告、投标方拟定投标方案、招标方选择中标方案和中标人履行合同。
一种基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法，该方法包括：
第一步，构建天基预警任务群；
第二步，设计第一步中构建的天基预警任务群中各天基预警任务多节点协同主流程；
第三步，基于改进合同网优化第二步提出的多节点协同主流程，完成巨型星座节点协同调度。
所述第一步中，构建天基预警任务群的方法为：
根据地面上注的探测任务或者星上自主发现导弹目标后，以任务驱动的形式动态建立卫星节点群组即天基预警任务群，即多个卫星针对某一任务，组建卫星节点群组，该群组用于组织任务分配和节点间协同，该群组中包括主星和成员星两种角色，任务与卫星节点群组之间属于一一对应的关系；
主星负责维护群组内的功能服务信息库并且通过功能服务信息库选择发送协同请求的对象，具体为：注册管理群组内成员所具有的卫星轨道、载荷卫星信息列表，当有的成员星需要退出群组时，则要修改自己的成员卫星列表，当有新的成员卫星加入时，还需要为该新加入的组员进行注册；维护和共享信息时协同各卫星共享的资源信息以及需要解决的任务信息，同时，还要维护群组内各成员之间的通信，包括接受协同请求消息和转发协同请求消息；主导任务分配过程，实现星群内部协同决策，当接收到任务执行意图时，将群组内部成员卫星资源信息以及本星与任务计划作为输入信息，主导待分配任务进行协同决策分配；
成员星通过注册功能服务信息库的形式上传各自所能提供的服务和探测能力，成员星对判断接受到的任务进行可见性检测和调度，判断该任务是否可以完成，将待调度的任务需求信息，协同决策结果，资源信息和任务计划，建群的协同请求或响应协同转发的协同请求信息通过打包发送给主星，同时接收其他星传递来的信息包，并根据星上载荷的能力、状态、性能以及规划调度所得到的任务计划，生成卫星动作序列及相应的资源安排，向各个星载设备发送可执行的动作指令，在任务执行完成之后，发送处理数据包给主星。
触发构建天基预警任务群的条件为存在某卫星节点最早发现目标，即具有最早可见时间窗后随即开始卫星节点建群；将最早对任务可见的卫星节点设定为主星，便于后续的任务分配；主星根据卫星节点是否在任务可观测时间范围内对任务可见与卫星载荷类型是否匹配信息判断该节点是否能够加入任务群组，满足可见性与载荷要求的卫星节点才可入群，否则不能入群；每个卫星节点判断是否能够加入群组，若满足入群条件则将本节点加入群组的信息全局广播，确保每个群组成员星可获知群组内其他成员星。
所述第二步中，天基预警任务多节点协同主流程设计的方法为中低轨卫星节点协同一体预警探测，具体为：主星为群组内其他卫星传感器提供信息，将相应的预警探测信息通过星间链路传播至群组内其他卫星节点，部署在中低轨道上的卫星利用这些信息开始跟踪目标，通过卫星节点互相接力的方式实现对于导弹目标的双目协同预警探测，充分利用中低轨卫星节点预警探测能力，最终将获取的有效信息进行回传，从而为地面防御系统提供所需要的信息。
主星为其他轨道上的卫星节点的传感器提供信息的方法为：按照设定的子区间时段长度分解预警探测任务，依次在每个子区间内部生成当前预警探测目标需求，按照预警目标优先级进行排序，对预警目标位置信息进行预测之后，由主星通过星间链路传播预测信息。
所述第三步中，完成基于改进合同网的星群协同调度的方法为：
在主星与相应的成员星之间通过条件匹配组网构建天基预警任务群组关系后，先在内部协同层利用改进的合同网协同主星和各成员星之间内部的卫星资源，然后将任务传播至主星外部协同层继续利用改进合同网协同各卫星节点之间的资源。
所述改进合同网协同过程分为四个阶段：招标方发布招标公告、投标方拟定投标方案、招标方选择中标方案和中标人履行合同；
在招标阶段，由主星作为招标方，发布需要招标的任务信息，招标方向所有具有投标资格的投标人发布有关卫星探测任务的招标公告，招标公告包含以下信息：TaskDocument＝
在投标阶段，属于星群中心内的各个成员星作为投标方，只要与该任务之间具有可用时间窗口就具有投标资格，并且在投标的截止时间之前提交相应的投标方案，收到招标公告之后，根据招标合同的具体要求，形成满足招标公告中任务所有要求的有效投标方案，并且评估该投标方案所带来的投标收益，投标方案包含以下信息：BidDocument＝
在选标阶段，招标方收到所有投标方案之后，从所有投标方案中选出最佳的卫星资源调度方案组合，并将中标信息下发至所有参与投标的投标方，然后与中标方签订合同；
中标方与招标方签订合同后，按照合同签署信息履行合同，执行卫星探测任务，获得投标收益，同时将合同信息传递给其他投标方。
本发明的有益效果是：
本发明设计的改进合同网算法基于高效的通信和交互协议机制，能够有效解决分布式系统中各节点之间的动态信息交互问题，具有较强的鲁棒性和动态性，近些年逐渐应用于各个领域。合同网算法的核心思想是通过模拟市场机制中的合同交易过程来实现节点之间的协商合作，合同网协议通过模仿市场交易中的有关经济行为，基于“公告竞价”机制可以将被动的任务分配过程转化为主动的资源竞价过程，在通过追求局部最优的基础上来实现全局最优的任务分配。通过从招标至中标的合同网协商过程，充分利用各资源节点的分布式计算能力，提高卫星资源的自主性和敏捷性，协同计算可以有效避免所有计算负载都在一个中心节点，同时起到负载均衡的作用，从而提高测控系统整体的鲁棒性和抗毁性。
附图说明
图1是本发明多星动态建群流程图；
图2是本发明基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法流程图；
图3是本发明基于合同网的星群协商过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法，其特征在于该方法包括：
第一步，构建天基预警任务群；
第二步，设计第一步中构建的天基预警任务群中各天基预警任务多节点协同主流程；
第三步，基于改进合同网完成星群协同调度。
所述第一步中，构建天基预警任务群的方法为：
根据地面上注的探测任务或者星上自主发现导弹目标后，以任务驱动的形式动态建立卫星节点群组，即多个卫星针对某一任务，组建卫星节点群组，该群组中分为主星和成员星两种角色，用于组织任务分配和节点间协同，为了保证及时有效地完成导弹等时敏目标预警探测任务，充分合理地利用卫星节点各资源之间的协同调度能力，任务与卫星节点群组之间属于一一对应的关系，同一卫星节点可加入多个群组。
成员星通过注册功能服务信息库的形式上传各自所能提供的服务和探测能力。主星负责维护星群内的功能服务信息库并且通过功能服务信息库选择发送协同请求的对象，具体为：注册管理星群内成员所具有的卫星轨道，载荷等卫星信息列表，当有的成员星由于超过可见时间窗等原因需要退出群组，则要修改自己的成员卫星列表。当有新的成员卫星加入时，还需要为该新加入的组员进行注册；维护和共享信息时协同各卫星共享的资源信息以及需要解决的任务信息。同时，还要维护星群内各成员之间的通信，包括接受协同请求消息和转发协同请求消息等；主导任务分配过程，实现星群内部协同决策，当接收到任务执行意图时，将星群内部成员卫星资源信息以及本星与任务计划作为输入信息，主导待分配任务进行协同决策分配。
与此同时，成员星对判断接受到的任务进行可见性检测和调度，判断该任务是否可以完成，将待调度的任务需求信息，协同决策结果，资源信息和任务计划，建群的协同请求或响应协同转发的协同请求等信息通过打包发送给主星，同时接收其他星传递来的信息包，并根据星上载荷的能力、状态、性能以及规划调度所得到的任务计划，生成卫星动作序列及相应的资源安排，向各个星载设备发送可执行的动作指令，在任务执行完成之后，发送处理数据包给主星。
本专利设定建群触发条件为存在某卫星节点最早发现目标，即具有最早可见时间窗后随即开始卫星节点建群；将最早对任务可见的卫星节点设定为主星，便于后续的任务分配；主星根据卫星节点是否在任务可观测时间范围内对任务可见与卫星载荷类型是否匹配等信息判断该节点是否可以加入任务群组，满足可见性与载荷要求的卫星节点方可入群，否则不能入群；每个卫星节点判断是否可以加入群组，若满足入群条件则将本节点加入群组的信息全局广播，确保每个群组成员星可获知群组内其他成员星。
所述第二步中，天基预警任务多节点协同主流程设计的方法为高中低轨协同一体预警探测；
从高轨卫星搜索发现导弹目标开始，作为“前哨”为天基预警系统提供导弹威胁的初步指示和警告，并为其他轨道上的卫星传感器提供信息，将相应的预警探测信息通过星间链路传播至其他卫星节点，部署在中低轨道上的卫星利用这些信息开始跟踪目标，通过高低轨卫星互相接力的方式实现对于导弹目标的双目协同预警探测，充分利用中低轨卫星预警探测能力，最终将获取的有效信息进行回传，从而为防御系统提供所需要的信息。
具体为：初始化全局调度方案，按照设定的子区间时段长度合理分解预警探测的过程，依次在每个子区间内部生成当前预警探测目标需求，按照预警目标优先级进行排序，针对预警目标位置信息进行预测之后，由具有最早可见时间窗资源的卫星作为群主卫星，通过星间链路传播组网建群请求，找到匹配的成员卫星构建卫星群，通过改进的合同网算法进行协同调度，形成最优组合的预警卫星资源调度方案，最终更新全局调度方案直至结束。
在主星与相应的成员星之间通过组网建立起群组关系之后，先在内部协同层利用改进合同网算法协同主星和各成员星之间内部卫星资源，然后将任务传播至主星外部协同层继续利用改进的合同网算法协同各主星之间的卫星资源。
所述第三步中，完成基于改进合同网的星群协同调度，其特征在于：
在主星与相应的成员星之间通过组网建立起群组关系之后，先在内部协同层利用改进的合同网算法协同主星和各成员星之间内部的卫星资源，然后将任务传播至主星外部协同层继续利用改进合同网算法协同各主星之间卫星资源。
改进合同网算法的整体协商过程可以分为四个阶段：招标方发布招标公告、投标方拟定投标方案、招标方选择中标方案和中标人履行合同。
在招标阶段，由主星作为招标方，发布需要招标的任务信息。招标方向所有具有投标资格的投标人发布有关卫星探测任务的招标公告，招标公告包含以下信息：TaskDocument＝
在投标阶段，属于星群中心内的各个成员星作为投标方，只要与该任务之间具有可用时间窗口就具有投标资格，并且在投标的截止时间之前提交相应的投标方案。收到招标公告之后，考虑招标合同的具体要求，形成满足招标公告中任务所有要求的有效投标方案，并且评估该投标方案所带来的投标收益，投标方案包含以下信息：BidDocument＝
在选标阶段，招标方收到所有投标方案之后，从所有投标方案中选出最佳的卫星资源调度方案组合，并将中标信息下发至所有参与投标的投标方，然后与中标方签订合同。
最后，中标方与招标方签订合同后，按照合同签署信息履行合同，执行卫星探测任务，获得投标收益，同时将合同信息传递给其他投标方。
实施例
本发明设计的基于改进合同网的巨型星座节点协同调度方法分为以下三个步骤：天基预警任务群构建、天基预警任务多节点协同主流程设计、基于改进合同网的星群协商过程，如图3所示。具体描述如下：
(1)天基预警任务群构建
首先，从高轨卫星搜索发现导弹目标开始，作为“前哨”为天基预警系统提供导弹威胁的初步指示和警告，并为其他轨道上的卫星传感器提供信息，将相应的预警探测信息通过星间链路快速传播至其他卫星节点，部署在中低轨道上的卫星可以利用这些信息开始跟踪目标，通过高低轨卫星互相接力的方式实现对于导弹目标的双目协同预警探测，充分利用中低轨卫星预警探测能力，最终将获取的有效信息进行回传，从而为防御系统提供所需要的信息。
为了保证及时有效地完成导弹目标预警探测任务，充分合理地利用卫星节点各资源之间的协同调度能力，根据地面上注的探测任务或者星上自主发现导弹目标后，以任务驱动的形式动态建立卫星群，即多个卫星针对某一任务，组建卫星群组，并在该卫星群组内部选择卫星来分配和执行该任务，任务与卫星群组之间属于一一对应的关系，同一卫星可加入多个群组。在一个建立好的动态卫星群组中，主要存在两种不同功能的卫星角色以组织任务的分配和卫星之间的协同，即主星和成员星。
主星主要包括以下功能：维护星群内的功能服务信息库，功能服务信息库注册了各成员卫星所能提供的服务和探测能力，并且主星通过功能服务信息库选择发送协同请求的对象；注册管理星群内成员卫星列表，成员卫星列表描述该卫星动态群组中各个成员卫星的信息，包括其成员所具有的卫星轨道信息，载荷信息等，主星通过组员列表对星群内成员卫星进行动态控制。当有的成员卫星由于超过可见时间窗等原因需要退出群组，则主星要修改自己的成员卫星列表。当有新的成员卫星加入时，还需要为该新加入的组员进行注册；维护和共享信息通信，共享信息时协同各卫星共享的资源信息以及需要解决的任务信息。主星同时还要维护星群内各成员之间的通信，包括接受协同请求消息和转发协同请求消息等；主导任务分配过程，实现星群内部协同决策，当接收到任务执行意图时，将星群内部成员卫星资源信息以及本星与任务计划作为输入信息，主导待分配任务进行协同决策分配。
成员卫星主要包括以下功能：星上自主规划和生成调度计划，对判断接受到的任务进行可见性检测和调度，判断该任务是否可以完成；与主星及时通信交互，通信交互模块按照通信机制选定时间点进行通信交互，将待调度的任务需求信息，协同决策结果，资源信息和任务计划，建群的协同请求或响应协同转发的协同请求等通过打包发送出去，并接收其他星传递来的信息包；执行协同任务，根据星上载荷的能力、状态、性能以及规划调度所得到的任务计划，生成卫星动作序列及相应的资源安排，并向各个星载设备发送可执行的动作指令，并且在任务执行完成之后，发送处理数据等。
如图1所示，首先设定任务驱动顺序，根据每个子任务属性中最早开始观测时间从先到后进行排序，按照此任务队列依次为任务建立卫星群组。对于每个经过分解之后的预警探测子任务，设定建群触发时间为存在某一颗卫星最早发现该目标的时刻，即具有最早可见时间窗后随即开始卫星建群。然后设定主星，卫星群组准备建立时，需要确定哪颗卫星作为主星，进而展开后续的任务分配，因此将最早对任务可见的卫星设定为主星。接下来设定卫星入群标准，根据卫星是否在任务可观测时间范围内对任务可见与卫星载荷类型是否匹配等信息判断该卫星是否可以加入该任务的群组，满足可见性与载荷要求的卫星入群，不满足则不能入群。每颗卫星判断本星是否可以加入群组，若满足入群条件则将本星加入群组的信息全局广播，确保每个群组成员卫星获知群组内的其他成员卫星。
(2)天基预警任务多节点协同主流程设计
如图2所示，首先，初始化全局调度方案，按照设定的子区间时段长度合理分解预警探测的过程，依次在每个子区间内部生成当前预警探测目标需求，按照预警目标优先级进行排序，针对预警目标位置信息进行预测之后，由具有最早可见时间窗资源的卫星作为群主卫星，通过星间链路传播组网建群请求，找到匹配的成员卫星构建卫星群，通过改进的合同网算法进行协同调度，形成最优组合的预警卫星资源调度方案，最终更新全局调度方案直至结束。
在主星与相应的成员星之间通过组网建立起群组关系之后，先在内部协同层利用改进合同网算法协同主星和各成员星之间内部卫星资源，然后将任务传播至主星外部协同层继续利用改进的合同网算法协同各主星之间的卫星资源。
(3)基于改进合同网的星群协商
在主星与相应的成员星之间通过组网建立起群组关系之后，先在内部协同层利用改进的合同网算法协同主星和各成员星之间内部的卫星资源，然后将任务传播至主星外部协同层继续利用改进合同网算法协同各主星之间卫星资源。
改进合同网算法的整体协商过程如3所示，可以分为四个阶段：招标方发布招标公告、投标方拟定投标方案、招标方选择中标方案和中标人履行合同。
在招标阶段，由主星作为招标方，发布需要招标的任务信息。招标方向所有具有投标资格的投标人发布有关卫星探测任务的招标公告，招标公告包含以下信息：TaskDocument＝
在投标阶段，属于星群中心内的各个成员星作为投标方，只要与该任务之间具有可用时间窗口就具有投标资格，并且在投标的截止时间之前提交相应的投标方案。收到招标公告之后，考虑招标合同的具体要求，形成满足招标公告中任务所有要求的有效投标方案，并且评估该投标方案所带来的投标收益，投标方案包含以下信息：BidDocument＝
在选标阶段，招标方收到所有投标方案之后，从所有投标方案中选出最佳的卫星资源调度方案组合，并将中标信息下发至所有参与投标的投标方，然后与中标方签订合同。
最后，中标方与招标方签订合同后，按照合同签署信息履行合同，执行卫星探测任务，获得投标收益，同时将合同信息传递给其他投标方。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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