跟踪与数据中继卫星系统资源调度技术研究

摘要

跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)，简称中继卫星系统，由地面测控站、用户航天器以及位于地球同步轨道上的中继卫星组成。中继卫星系统作为天基测控网的核心，不仅能够解决卫星通信中测控和通信高覆盖率的难题，还能够满足高数据率传输以及多目标测控等技术需求，在航天领域具有广阔的应用前景。
　　中继卫星资源调度是中继卫星系统的一项关键技术。随着航天事业的快速发展，用户航天器数量不断地增大，但是系统中的中继卫星数量有限，相应的时间资源、频率资源和功率资源并不充足，用户航天器提出的各种任务、数据传输请求不能得到全部满足。在包含多个用户航天器的中继卫星系统中，研究中继卫星资源调度技术，能够更加充分地发挥中继卫星的测控、跟踪功能，保障中继卫星系统高效率地运作。因此，本文对中继卫星系统资源调度技术展开了研究，包括单址链路中继卫星静态资源调度、单址链路中继卫星动态资源调度和多址链路中继卫星资源调度三部分内容。
　　首先，对单址链路情况下的中继卫星静态资源调度问题进行了研究。对于单址链路情况，中继卫星同一时刻只能处理一个用户航天器提出的任务请求。在对调度问题的特点和约束条件进行分析后，建立了单址链路中继卫星静态资源调度的数学模型，模型考虑多个可见时间窗口的情况。在静态资源调度的求解中，提出了基于人工蜂群的单址链路中继卫星静态资源调度算法。仿真中把基于人工蜂群的静态资源调度算法与其它三种智能优化算法进行了对比实验，综合考虑优化能力和迭代速度，提出的算法能够以较快的收敛速度获得更大的调度收益。
　　然后，研究了单址链路情况下的中继卫星动态资源调度问题。中继卫星系统从静态调度方案生成完毕到调度方案被中继卫星执行这段时间内可能会发生动态扰动，导致初始静态方案无法适用于扰动后的调度模型。动态资源调度问题不仅要满足任务优先原则，而且要保证动态调度方案与初始方案之间的变更最小。因此，相应的资源调度模型为多准则决策问题。给出了方案变化幅度的数学定义，把动态资源调度问题归为多准则决策问题中的多属性决策问题，提出了基于属性分级逼近理想解排序的动态资源调度算法，并引入了调度方案代价系数来统一衡量总优先级和方案变化幅度两种属性。仿真结果验证了该方法优良的性能，得到的动态调度方案以较小的方案变化幅度为代价获得了较高的总优先级，适合用于解决中继卫星动态调度问题。
　　最后，研究了多址链路情况下的中继卫星资源调度问题。分析了中继卫星系统在传统的码分多址(CDMA)体制下的资源调度问题，提出了基于任务并行约束检测的调度算法。数据中继卫星系统是一个多用户卫星通信系统，把正交频分多址(OFDMA)体制引入到中继卫星系统，系统可以根据用户航天器对传输速率的需求，给每个用户航天器分配不同的子载波资源和功率资源。在速率自适应和比例公平性准则下，建立了相应的资源调度模型，提出了基于蚁群优化子载波分配和次优功率分配的联合调度算法。参考蚁群算法求解旅行商问题的思路，提出了基于蚁群优化的子载波分配算法，并把平滑指数表征的比例公平性系数引入到蚁群算法的启发式信息中。为了能够严格满足用户的比例公平性，提出了一种次优功率分配原则。通过仿真实验与另外两种算法进行了比较，本文提出的算法在相同条件下获得了更高的系统和速率，并且实现了用户的比例公平性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 中继卫星系统资源调度理论基础

2.1 引言

2.2 中继卫星资源调度概述

2.3 多准则决策问题

2.4 OFDMA系统描述

2.5 本章小结

第3章 单址链路中继卫星静态资源调度

3.1 引言

3.2 单址链路中继卫星静态资源调度问题分析

3.3 单址链路中继卫星静态资源调度模型

3.4 基于人工蜂群的单址链路中继卫星静态资源调度

3.5 单址链路中继卫星静态资源调度仿真实验

3.6 本章小结

第4章 单址链路中继卫星动态资源调度

4.1 引言

4.2 单址链路中继卫星动态资源调度概述

4.3 单址链路中继卫星动态资源调度模型

4.4 基于多属性决策的单址链路中继卫星动态资源调度

4.5 单址链路中继卫星动态资源调度仿真实验

4.6 本章小结

第5章 多址链路中继卫星资源调度

5.1 引言

5.2 CDMA体制中继卫星资源调度

5.3 OFDMA体制中继卫星资源调度

5.4 基于蚁群优化子载波分配和次优功率分配的联合调度算法

5.5 OFDMA体制中继卫星资源调度仿真实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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