星载计算机系统瞬态过载不精确容错调度算法研究

卫星在空间作业时经常需要容错处理大量复杂的任务,这将导致过载现象的发生,星载计算机系统将不能在期限内调度它们而产生调度失败。基于这种情况,提出了星载计算机系统瞬态过载不精确容错调度算法(OLIFTSA)。它采用不精确调度思想来完成过载情况下的调度,最终取得最大的调度精度。另外,提出星载计算机系统可靠性代价概念,它能量化容错调度所产生的开销,从而使本算法容错调度代价最小。仿真实验表明:OLIFT-SA算法可以在瞬态过载时,以最小的容错开销获得最大的任务执行精度。     

基于偏差信息的星载计算机系统负载平衡算法的研究

相邻结点负载平衡算法具有计算简单、额外开销小的优点。但由于采用局部的观点平衡负载，限制了结点信息得到的范围，使得系统在某种情况下达不到全局平衡，本文提出了基于偏差信息的星载计算机系统负载平衡算法，它改变了结点传递的实际负载信息，使修改后的负载信息能体现出结点及其周边结点的负载形势，以此弥补了相邻结点负载平衡算法的不足，并将其应用在星载计算机系统上，首先，介绍了相邻结点负载平衡算法及其存在的不足；其次，描述了基于偏差信息的星载计算机系统负载平衡算法，最后，通过仿真实验，给出了这种算法同其它几种负载平衡算法的比较，并证明了它的正确性与可行性。     

SpaceFibre星载网络服务质量实现研究

为实现SpaceFibre星载网络中短时间内大量实时数据流的可靠传输，满足不同空间任务的服务质量(QoS)要求，提出一种基于二进制序列调度的新算法。该算法根据星载网络中的不同流量特征生成对应的二进制调度序列，可以很好地解决复杂数据流量的调度与不同数据流量带宽需求之间的权衡问题，实现了SpaceFibre协议框架下的QoS功能。最后给出了算法的延时性能分析与实例仿真，结果表明由该算法生成的二进制序列调度机制在传输时延上有着较好的灵活性和确定性。     

基于知识隐藏的星载计算机系统安全研究

在现代战争中，卫星的信息安全与可靠性直接关系交战方能否具有一定的信息优势，能否掌握战场的主动权。星载计算机系统、通信系统的安全与可靠性是关键。分布式、多总线、多处理单元的冗余设计、看门狗技术是目前用来保证星载计算机系统可靠性的主要手段。文章从知识隐藏的角度。提出用弹性计算理论来保证星载计算机系统容错、容入侵的思路和方法。论文给出了知识隐藏的概念，分析了3种知识隐藏方法，围绕弹性计算模型，提出了基于弹性计算模型的星载计算机系统的文件系统、基本组成设计与实现。     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

基于知识隐藏的星载计算机系统安全研究

在现代战争中 ,卫星的信息安全与可靠性直接关系交战方能否具有一定的信息优势 ,能否掌握战场的主动权。星载计算机系统、通信系统的安全与可靠性是关键。分布式、多总线、多处理单元的冗余设计、看门狗技术是目前用来保证星载计算机系统可靠性的主要手段。文章从知识隐藏的角度 ,提出用弹性计算理论来保证星载计算机系统容错、容入侵的思路和方法。论文给出了知识隐藏的概念 ,分析了 3种知识隐藏方法 ,围绕弹性计算模型 ,提出了基于弹性计算模型的星载计算机系统的文件系统、基本组成设计与实现     

支持多核处理器的星载分区操作系统设计

针对星载处理器由单核向多核发展的趋势和当前没有针对航天应用的星载多核操作系统、卫星无法发挥多核处理器性能优势的问题,文章研究了适用于航天任务的星载多核分区操作系统。设计了一种支持多核处理器的星载操作系统结构,采用多核处理器动态调度和静态调度相结合的方法,实现了星载多核处理器高效实时调度与确定性调度。通过分区管理设计,实现分区间隔离与保护,避免软件问题扩散影响其他功能。该系统还具有支持星载应用(APP)动态加载、通过软件构件技术实现星载应用快速组装与集成的特点,可为航天任务应用多核处理器提供安全可靠的软件运行平台,满足未来航天新型任务和多核处理器的需求。     

基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统设计

针对我国星载计算机不能通用和"即插即用"的特点,文章提出一种模块化的星载计算机硬件设计方法,以某卫星原理样机为例,设计了一种基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统,重点研究了通用驱动软件的实现,通过软硬件结合,实现了设备模块的功能自动识别和"即插即用"功能。文章将该方案与现有星载计算机系统进行了对比分析,结果表明:该系统的处理性能更高,具有较好的通用性和扩展性,能够进行模块级替换和产品化生产,并满足新一代星载计算机系统快速组装的需求。     

一种面向节能的星载实时任务动态调度算法研究

星载嵌入式操作系统性能和任务能耗之间的平衡非常重要,采用合理的处理器和电压分配策略是一个重要手段。提出一系列基于计算概率的建模方法,用来解决星载实时嵌入式系统中对于具有数据依赖的非周期性任务的处理器和电压分配相关问题,并且能够确保所有的任务都能在时间约束下执行。首先设计一个处理器调度算法,将任务的有向无环图(DAG)映射到一组可变电压处理器上,然后使用动态编程算法为每个任务分配合适的电压。通过带有重启的局部搜索策略从候选解集中获取最优解,以解决局部最优陷阱问题。通过实验说明,所提出的算法与其他算法相比,在所有时间约束下具有更好的能效。     

天地测控资源一体化调度模型

测控资源的天地一体化调度是一个具有多时间窗口、长时间窗口等复杂约束的优化问 题。借鉴低轨卫星测控调度任务需求描述方式,在对中高轨卫星的轨道测量和轨道保持等需 求进行分析的基础上,给出了适于调度算法设计的高中低轨任务需求规范化描述;针对天基 和地基测控资源的测控特点,以卫星任务需求加权满足率最大为目标,建立了天地资源的一 体化调度模型;并设计了基于遗传算法的调度策略。仿真表明,所建模型和算法是可行的。
     

基于并行禁忌遗传算法(PTGA)的预警卫星传感器调度研究

对预警卫星的传感器调度进行了研究，提出了传感器管理调度的系统组成。通过对传感器调度的分析，建立起相应的数学模型，定义了评价指标。结合并行遗传算法和禁忌搜索的特点，提出了一种新的解决预警卫星传感器调度问题的并行禁忌遗传算法(PTGA)。该算法采用多种群和禁忌搜索思想改进遗传算法的性能，从而提高整个算法的收敛速度和精度。实验结果表明该算法有效地解决了多目标情况下的传感器实时调度问题，并优于一般启发式算法。     

空间环境中的多处理器混合容错调度算法

为提高空间应用环境中混合实时任务的容错调度效率,提出基于空间环境的多处理器混合容错调度算法。算法在周期任务调度中采用基于分组的“最佳适应”分配策略,以少量增加的计算时间获得更为紧凑的任务调度结果,从而减少调度所需的处理器数目和任务执行时间;在非周期任务调度中,利用基于空闲时间片的方法完成动态调度,使得混合实时任务的容错调度效率有显著提高,能够更好地适应复杂空间环境的任务处理。仿真结果表明算法在改善混合实时任务容错调度性能上具有重要作用。     

Development of a scheduling algorithm and GUI for autonomous satellite missions

In this paper, a scheduling optimization algorithm is developed and verified for autonomous satellite mission operations. As satellite control and operational techniques continue to develop, satellite missions become more complicated and the overall quantity of tasks within the missions also increases. These changes require more specific consideration and a huge amount of computational resources, for scheduling the satellite missions. In addition, there is a certain level of repetition in satellite mission scheduling activities, and hence it is highly recommended that the operation manager carefully considers and builds some appropriate strategy for performing the operations autonomously. A good strategy to adopt is to develop scheduling optimization algorithms, because it is difficult for humans to consider the many mission parameters and constraints simultaneously. In this paper, a new genetic algorithm is applied to simulations of an actual satellite mission scheduling problem, and an appropriate GUI design is considered for an autonomous satellite mission operation. It is expected that the scheduling optimization algorithm and the GUI can improve the overall efficiency in practical satellite mission operations.     

中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型及算法研究

中继卫星多址链路调度问题是中继卫星系统应用中必须解决的重要问题,其重要特点在于,中继卫星与用户航天器之间并非时时可见,因此通信任务存在可见时间窗口约束。只有在可见时间窗口内,通信任务才可能执行并完成。在进行合理假设的基础上,采用人工智能中的约束规划技术,建立中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型,并提出了基于时间窗口期望值的多步迭代算法。应用结果表明,中继卫星多址链路调度模型的建立与求解是合理的。     

卫星动平台下动态门控调度的设计与实现

当运动节点构成的大规模动态平台执行分布式协作任务时,如何保证关键数据通信的实时性和确定性,这是一项新的挑战。文章以时间敏感网络（time sensitive networking,TSN）技术为背景,结合卫星构成的分布式动态通信平台上的链路特性,基于TSN中的门控调度技术,提出了一种适用于卫星链路场景下的动态调度算法。通过改进TAS（time aware shaper）调度算法,减少卫星动平台因通信距离动态变化以及空间摄动等因素造成的传输时延,从而增加动平台上卫星通信系统的确定性。同时根据动态卫星链路周期性运动特征,提出周期性门控调度机制,保证所有周期内相同时间点的门控调度一致。最后通过现场可编程门阵列（FPGA）设计的验证测试结果表明,提出的TAS改进方案可以适用于卫星网络的确定性调度,充分发挥时间敏感网络的优势。     

Study on TT&C resources scheduling technique based on inter-satellite link

The navigation constellation will have the capability of supporting Tracking Telemetry and Command (TT&C) operations by inter-satellite link (ISL). The ISL will become an important solution to reduce the shortage of ground TT&C resources. The problems need to be studied urgently in the field of space TT&C network resources scheduling management are how to determine the availability of ISL and how to allocate TT&C resources of ISL. The performance and scheduling constraints of navigation constellation?s ISL are analyzed, and three utilization strategies of ISL to perform TT&C operations are proposed. The allocation of TT&C resources based on ISL falls into two successive phases. Firstly, master satellite determination equation is established by using 0–1 Programming model based on the availability matrix. Mathematical method is used to solve the equation to determine the master satellite and the topology of ISL. Secondly, Constraint Programming (CP) model is used to describe the ground TT&C resources scheduling problem with special requirements of TT&C operations based on master satellite, and a heuristic algorithm is designed to solve the CP model. The equations and algorithm are verified by simulation examples. The algorithm of TT&C resources scheduling based on ISL has realized the synthesized usage of both the ISL and ground resources on TT&C field. This algorithm can improve TT&C supports of territorial ground TT&C network for global navigation constellation, and provides technical reference for the TT&C mission planning of global constellation by using ISL.     

改进差分进化算法求解多成像卫星调度问题

针对多成像卫星联合调度规划建模难度大和求解复杂度高等问题,通过分析成像卫星的成像过程和工作原理,将成像卫星调度过程分为调度预处理、任务规划和调度优化3个阶段。在调度规划过程中,建立了多星联合调度约束满足最优化模型,采用启发式算法思想,定义了个体适应度评估函数,设计了任务冲突消解方法,提出了一种改进的差分进化算法。在此基础上,采用一些确定性规则对调度规划方案可行解进行了评估和二次优化。结果表明:提出的成像卫星调度问题求解方法能够有效地分配卫星资源,生成优化的调度方案。设计结果也能够为卫星系统最优化设计和效能评估提供必要的决策支持。     

低轨卫星高能效载波功率资源联合调度算法

结合多波束低轨（multi-beam low earth orbit, MB-LEO）卫星通信场景，研究了一种多目标载波功率联合优化（joint subcarrier scheduling and power control resource allocation, JSSPC-RA）算法。通过求解整数混合规划非凸优化问题，得到了不同通信需求下MC-DS-CDMA子载波和子载波功率的联合调度方案，实现了系统用户未满足容量和卫星总功耗的最小化。仿真结果表明，相对于传统的载波功率均分策略，JSSPC-RA算法能够在满足系统吞吐量需求的前提下大幅节省卫星总功耗；同时，通过调节权值系数，JSSPC-RA算法可以生成用户吞吐量需求与卫星总能耗折中的系统设计方案，适用于频谱、能量资源高度受限的MB-LEO卫星系统。     

应急常态化的测控网资源调度管理模式研究

随着在轨卫星数量的迅速增加,卫星应急测控需求的立即响应已趋于常态化。为更好地满足应急常态化条件下航天测控网资源调度系统的高时效性要求,提高应急任务满足率,文章分析了传统应急条件下资源分配方法所存在的问题,对应急常态化的资源申请框架进行了完整重构,并针对该框架中的任务非全弧段分配、合作博弈及优先级模型等关键技术进行了深入研究,使得资源的使用更加合理,可有效提高应急申请的响应时效。