静止轨道卫星通信论文范文

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1静止轨道卫星通信资源－任务匹配约束分析

静止轨道卫星通信资源－任务匹配就是根据通信任务需求，综合考虑各种约束条件，按照一定规则对卫星资源进行优化配置，制定出满足卫星应用任务需求的资源分配调度方案［9］。卫星任务规划方案的合理性和正确性直接关系到任务的完成效果［10］。因此，要实现规划调度的目标，必须对静止轨道卫星通信资源调度问题中涉及到的约束条件进行详细分析。静止轨道卫星通信资源调度问题的约束规则，可分为2大类共6项，如图2所示。

1．1静止轨道卫星通信资源－任务匹配的硬性约束硬性约束是指完成卫星通信必须具备的最基本的条件。包括3项内容，具体为:1)通信资源调度的范围约束卫星通信首先要求卫星能被卫星无线电通信使用终端“看到”，而这是由卫星天线波束覆盖范围决定的，即当卫星无线电通信使用终端处于卫星天线波束覆盖范围内时，才能进行通信;否则无法达成通信。2)通信资源调度的时间约束①任务的时间约束。针对某一任务的资源调度时间不能晚于该任务的开始时间，资源调度结束时间不能早于任务的结束时间，且任务对于资源的占用时间不能小于任务执行的持续时间。②资源的时间约束。在春分和秋分期间，静止轨道卫星由于处在太阳和地球之间，此时太阳带来的强噪声将引起通信中断，即日凌中断。3)通信资源调度的频段约束不同卫星、卫星使用终端的工作频段通常是确定值，而只有处于同工作频段的卫星和使用终端之间才能建立通信链路，提供通信服务，这是卫星通信资源调度问题中的一个硬约束。

1．2静止轨道卫星通信资源－任务匹配的软性约束软性约束是指对卫星通信的质量、取得效益具有影响的约束条件。包括3项内容，具体为:1)通信资源调度的能力约束资源具备的能力(比如带宽等)必须达到完成任务的最低要求，才能被分配执行任务。2)通信资源调度的质量约束在卫星通信中，无线电波要先后穿越对流层、平流层、电离层等，不可避免的会受到多种因素影响，产生自由空间传播损耗、大气吸收损耗和雨衰损耗等，导致通信质量下降，甚至出现通信中断的现象，特别是降雨对Ku，Ka频段信号产生衰耗较大［12］。而目前，实际应用中的通信卫星工作频段大都在C，Ku和Ka频段。因此，在调度过程中要考虑通信链路载噪比、损耗、误码率等的影响。3)通信资源调度的优先级约束①任务的优先级约束。任务的价值(重要程度)、紧迫度和执行顺序等属性决定了每项任务具备不同的优先级。②资源的优先级约束。资源的价值、能力和稀缺程度等属性决定了每个资源也具备不同的优先级。

2静止轨道卫星通信资源－任务匹配问题模型

在一个多任务的通信环境下，通信资源分配问题可以描述为一个由通信资源和通信任务所构成的数学规划问题。基于以上对静止轨道卫星通信资源－任务匹配的约束分析，建立数学模型如下。

2．1问题假设为简化问题，便于建立数学模型，在不改变问题性质的前提下，做出如下假设:1)所有资源都绝对可靠，即不考虑出现资源性能降低或者故障的情况;2)一个通信资源某一时刻只能为一个通信任务提供服务。3)卫星转发器均为透明转发器，不考虑卫星具备星上处理功能;4)所有任务在进行匹配调度前已经确定，不考虑有新任务动态更新的情况;5)任务一旦开始就必须完成，不考虑自然或人为干涉的任务中断;6)各个任务之间是相对独立任务，不存在逻辑上的先后关系;7)匹配调度过程中不考虑决策者或者事件固有经验的偏好因素。

2．2变量约束条件描述1)覆盖范围约束卫星覆盖区域d由波束决定，对于全球波束，覆盖区域为地球南北纬75°之间与以星下点为中心对地球边缘张角17．34°所围成的部分。对于点波束，覆盖区域d可以通过模型计算得到。若任务区域为D，任务区域必须在覆盖范围之内。

2．3目标函数卫星资源调度相关研究中，通常根据任务完成情况确定目标函数［17］。一般的资源－任务调度多数是以产生的综合收益最大为目标，本文从任务收益和卫星资源使用两方面考虑调度目标。1)任务调度收益大。即任务收益之和尽可能高，不仅要尽可能调度高收益的任务，而且成功调度的任务数量要多。收益主要根据任务的优先级确定。

3静止轨道卫星通信资源－任务匹配问题求解思路

根据以上分析可知，静止轨道卫星通信资源－任务匹配是一个多目标组合优化问题，结合静止轨道卫星通信资源－任务匹配规则，给出求解该问题的思路，如图3所示。匹配过程可以描述为:步骤1数据初始化。根据通信任务和卫星资源的描述，进行数据预处理，主要是编号、计算资源覆盖区域和可用时间，得到任务集合T和资源集合R，进入步骤2;步骤2匹配可行性检测。对照资源－任务匹配的“硬约束”条件，筛选出可调度任务集Tk。如果Tk为空，则无法进行匹配，终止流程，否则进入步骤3;步骤3选择任务。从可调度任务集Tk中选出优先级最大的任务Ti，并将Ti移出Tk，进入步骤4。如果已完成的任务数量等于可调度任务总数，则结束整个流程;步骤4选择资源。根据资源优先级，为选定的任务Ti分配资源Rj，如果资源能够满足任务需求，进入步骤5;否则进入步骤6;步骤5资源分配。将资源Rj从R中移出，设置Rj状态为已调用，并将Rj的处理任务结束时间设为tie，返回步骤3进行循环操作;步骤6资源释放。选择刚完成的任务，将其占用的资源状态设置为可调用，并放回R中，返回步骤4进行循环操作。

4数据仿真

人工智能算法是求解多目标组合优化问题的有效手段，本文采用蚁群算法进行仿真分析。采用MatlabR2010a编程，在Win7系统(硬件配置Core二代2．2GHz，1G内存)计算完成，调度总收益19，经验证其结果正确，运行时间2．775756s。运行结果如表4所示。

5结束语

结合静止轨道卫星通信的工作过程和轨道特点，系统分析了在多卫星和多任务通信环境背景下，静止轨道卫星通信资源与卫星通信任务需求进行匹配调度的约束规则，并提出了问题的优化目标函数，建立了静止轨道卫星通信资源－任务匹配调度的模型，最后，给出了求解该问题的基本思路，进行了实际仿真，为开展静止轨道卫星通信资源分配调度算法研究奠定了基础。

作者：贺寅张海勇任重单位：海军大连舰艇学院通信系