空间数据中继网络中的任务调度研究

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空间数据中继网络(Space Data Relay Network,SDRN)凭借其覆盖范围广,可持续传输能力强等特点,为众多低、中轨用户卫星以及深空探测器提供数据跟踪、测控和中继服务。空间数据中继网络中的任务调度是指根据用户卫星的任务请求和数据中继卫星的有效载荷,科学合理地分配中继资源,以完成任务数据的传输。近年来,随着大量的卫星发射成功,不断增长的空间任务与有限的中继资源之间的矛盾愈加凸显,给空间数据传输带来了极大的挑战。因此,亟需更加灵活、高效的调度算法来保障中继资源的合理分配,提高任务传输能力和中继资源使用效率。本文主要工作概括如下:首先,针对SDRN中紧急任务与普通任务资源竞争进而降低任务调度效率的问题,提出了一种实时动态调度(Real-Time Dynamic Scheduling,RTDS)算法。在RTDS算法中,将整个任务调度过程分为了初始调度、动态调度和最终调度三个部分。初始调度是在天线资源和传输时间窗口等约束下,生成初始任务集合的调度方案;动态调度是在紧急任务到达后,对初始调度方案进行调整,为紧急任务提供所需的中继资源;最终调度是利用多目标决策算法选择出完成任务优先级之和最高且任务变化最小的调度方案。仿真结果表明,RTDS可以有效地确保紧急任务的传输,提高SDRN的传输效率。其次,针对SDRN中大量空间任务造成任务调度效率低下的问题,提出了一种基于连接计划设计的任务调度算法(Task Scheduling Algorithm based on Contact Plan Design,CPD-TSA)。在连接计划设计中,通过量化星间链路的传输速率和持续时间,进而获得用户可传输数据量,然后基于用户数据量进行连接选择。在任务调度过程中,每个中继资源在连接计划设计的基础上确立了所属任务集合,利用时间共享图为每个任务灵活地分配传输时间,提高任务调度的灵活性。仿真结果表明,所提CPD-TSA算法能够有效地提高任务的调度效率和SDRN资源使用率。
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