中繼衛(wèi)星資源使用率仿真分析

王懷鵬，龍運(yùn)軍，劉 準(zhǔn)，韓星曄，郭 政

(北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱中繼衛(wèi)星)是為中低軌航天器之間、航天器與地面站之間提供軌道測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的天基系統(tǒng)，一般位于地球靜止軌道[1-3]。隨著世界各國(guó)研制開發(fā)的航天器在數(shù)量、種類和用途上日益增多，對(duì)高質(zhì)量測(cè)控與數(shù)傳服務(wù)的需求對(duì)傳統(tǒng)地基測(cè)控手段帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通常情況下，用戶航天器繞地運(yùn)動(dòng)開展地面目標(biāo)信息獲取等活動(dòng)，但受衛(wèi)星軌道、地球曲率、地面站位置分布等因素影響，只能在特定時(shí)段內(nèi)與地面測(cè)控終端建立通信鏈路進(jìn)行測(cè)控或數(shù)傳[4-5]。若僅依靠測(cè)控站實(shí)現(xiàn)與航天器的實(shí)時(shí)通信，所需建立的地面測(cè)控節(jié)點(diǎn)分布全球，數(shù)量較多，造價(jià)昂貴。借助中繼衛(wèi)星建立中繼通信鏈路，可以很好地解決該問題[6-7]。中繼衛(wèi)星對(duì)中、低軌用戶星具有覆蓋范圍廣、傳輸速率快和數(shù)據(jù)信道多等優(yōu)勢(shì)，由多顆中繼衛(wèi)星組成天基網(wǎng)絡(luò)更能實(shí)現(xiàn)任務(wù)信息的全球?qū)崟r(shí)傳輸[8-10]。因此，將中繼衛(wèi)星廣泛應(yīng)用于航天測(cè)控與數(shù)傳領(lǐng)域，對(duì)于航天器的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

隨著中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，在載人航天、中低軌衛(wèi)星測(cè)控、有效載荷數(shù)據(jù)回傳等方面發(fā)揮著重要的作用[10-12]。通常情況下，受資源數(shù)量、頻點(diǎn)和帶寬等因素的制約[13-15]，各用戶中心提交的跟蹤、測(cè)控與數(shù)據(jù)中繼請(qǐng)求并不能全部滿足。而且，隨著中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源使用率的上升，用戶提交申請(qǐng)被滿足的概率逐漸降低，剩余資源可用度逐漸降低，無論采取什么樣的優(yōu)化算法資源滿足率都會(huì)有一定的限制[16-17]。準(zhǔn)確掌握資源使用率與用戶申請(qǐng)滿足率、資源使用率與申請(qǐng)方式、申請(qǐng)粒度之間的關(guān)系，把握中繼資源使用規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)中繼衛(wèi)星應(yīng)用模式優(yōu)化與建設(shè)工作有著重要意義[18-19]。

1 中繼資源申請(qǐng)交互方式

1.1 中繼資源分配模式

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通常采用基于申請(qǐng)計(jì)劃自動(dòng)交互的資源分配與協(xié)調(diào)機(jī)制，系統(tǒng)接受用戶使用申請(qǐng)后進(jìn)行資源分配[9]。按照資源分配階段，中繼資源分配通常包括資源集中分配和資源調(diào)整2個(gè)階段。集中分配階段，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通常采用固定周期發(fā)布中繼資源，用戶集中提交使用申請(qǐng)，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)采用分配算法完成資源分配。集中分配完畢后，用戶可以根據(jù)使用需求變化，隨時(shí)調(diào)整原有使用計(jì)劃，刪除原有計(jì)劃或者提交新的申請(qǐng)。資源分配系統(tǒng)接收用戶新的申請(qǐng)后，采用資源重調(diào)度方法進(jìn)行資源分配。

1.2 用戶申請(qǐng)方式

使用申請(qǐng)是用戶向中繼衛(wèi)星資源分配系統(tǒng)表達(dá)自身使用需求的方式，其對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配有著重大的影響。按照申請(qǐng)交互內(nèi)容的不同，設(shè)計(jì)使用3種格式的中繼使用申請(qǐng)，后面主要對(duì)這3種申請(qǐng)格式進(jìn)行分析，3種申請(qǐng)格式在實(shí)際運(yùn)用過程可交叉使用。

① 固定申請(qǐng)方式

用戶提交每條中繼使用申請(qǐng)只包含一個(gè)申請(qǐng)窗口，申請(qǐng)窗口必須指定中繼衛(wèi)星和具體的服務(wù)開始、結(jié)束時(shí)間。

② 柔性單窗口申請(qǐng)方式

用戶提交每條中繼使用申請(qǐng)只包含一個(gè)申請(qǐng)窗口，申請(qǐng)窗口必須指定中繼衛(wèi)星，但申請(qǐng)窗口不必固定服務(wù)開始結(jié)束時(shí)間，服務(wù)時(shí)段可以在一定時(shí)間范圍內(nèi)滑動(dòng)。

③ 柔性多窗口申請(qǐng)方式

用戶提交每條中繼使用申請(qǐng)可最多包含3個(gè)申請(qǐng)窗口，每個(gè)申請(qǐng)窗口可不指定中繼衛(wèi)星，每個(gè)申請(qǐng)窗口不必固定服務(wù)開始、結(jié)束時(shí)間，服務(wù)時(shí)段可以在一定時(shí)間范圍內(nèi)滑動(dòng)。

2 資源使用率分析

2.1 用戶需求及資源分配仿真方式

為分析資源使用率與資源碎片率關(guān)系、資源使用率與用戶申請(qǐng)滿足率、資源使用率上限與申請(qǐng)顆粒度(資源占用時(shí)長(zhǎng))的關(guān)系，采用Matlab軟件編程，對(duì)用戶使用申請(qǐng)生成和資源分配過程進(jìn)行仿真。

用戶使用申請(qǐng)仿真。從申請(qǐng)的資源占用時(shí)長(zhǎng)、可滑動(dòng)量、備選窗口情況等方面，按照不同用戶申請(qǐng)的使用特點(diǎn)，模擬按照不同申請(qǐng)方式逐條隨機(jī)生成使用申請(qǐng)。仿真生成的用戶使用申請(qǐng)的時(shí)長(zhǎng)，包括中繼衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前的準(zhǔn)備時(shí)間、用戶申請(qǐng)時(shí)長(zhǎng)和執(zhí)行任務(wù)后的狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間。不同用戶申請(qǐng)中繼資源時(shí)在彈性選項(xiàng)使用方式上有較大不同，因此對(duì)1.2節(jié)中提出的固定申請(qǐng)方式、柔性單窗口申請(qǐng)方式、柔性多窗口申請(qǐng)方式3種用戶申請(qǐng)?zhí)峤簧暾?qǐng)方式分別進(jìn)行仿真。

資源分配過程仿真。按照中繼衛(wèi)星資源分配臨時(shí)申請(qǐng)的處置方式逐條處置仿真產(chǎn)生用戶使用申請(qǐng)，若用戶使用申請(qǐng)包含時(shí)段未被分配則滿足申請(qǐng)分配相應(yīng)中繼資源，直到達(dá)到設(shè)定最大申請(qǐng)條數(shù)。

分配結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析。分配結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)分析中繼資源使用率、申請(qǐng)滿足率等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 資源使用率與申請(qǐng)滿足率分析

2.2.1 固定申請(qǐng)方式

模擬用戶在一周的時(shí)間窗口內(nèi)隨機(jī)向單個(gè)中繼衛(wèi)星提交使用申請(qǐng)。每條申請(qǐng)采取單個(gè)窗口，申請(qǐng)開始時(shí)間為一周內(nèi)隨機(jī)時(shí)刻。用戶申請(qǐng)的使用時(shí)長(zhǎng)根據(jù)不同類型用戶及具體的任務(wù)需求確定，通常在5～50 min不等，加上中繼衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前的準(zhǔn)備時(shí)間和執(zhí)行任務(wù)后的狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間，因此設(shè)定單次任務(wù)時(shí)長(zhǎng)在15～80 min內(nèi)隨機(jī)分布。每次模擬用戶提交10萬條申請(qǐng)，逐條提交中繼使用申請(qǐng)，統(tǒng)計(jì)其申請(qǐng)滿足條數(shù)與最終資源使用率，共模擬10次,結(jié)果如表1所示。10次仿真結(jié)略有差異，平均最終資源使用率為79.6%。

表1 固定申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Tab.1 Application satisfaction and resource utilization rate under the fixed single service time window mode

選取某次仿真過程，其申請(qǐng)滿足率與資源占用率如圖1所示。對(duì)資源使用率和申請(qǐng)滿足率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

(a) 任務(wù)仿真時(shí)長(zhǎng)占比

(b) 申請(qǐng)條數(shù)與資源使用率關(guān)系

(c) 申請(qǐng)條數(shù)與申請(qǐng)滿足率關(guān)系

(d) 資源使用率與申請(qǐng)滿足率關(guān)系圖1 固定申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Fig.1 Application satisfaction and resource utilization rate under the fixed single service time window mode

圖2 固定申請(qǐng)方式下資源使用率與申請(qǐng)滿足率擬合曲線Fig.2 Fitting results of resource utilization rate and satisfaction rate under the fixed single service time window mode

擬合曲線表達(dá)式為：

y=-1.281x+1.008。

擬合曲線方差為10.46，通過擬合結(jié)果可以看出，直線與x軸交點(diǎn)為0.786，則可以認(rèn)為該申請(qǐng)模式資源使用上限平均為78.6%。

2.2.2 柔性單窗口申請(qǐng)方式

模擬用戶在一周的時(shí)間窗口內(nèi)隨機(jī)向單個(gè)中繼衛(wèi)星提交使用申請(qǐng)。每條申請(qǐng)采取單個(gè)窗口，申請(qǐng)開始時(shí)間為一周內(nèi)隨機(jī)時(shí)刻。提交申請(qǐng)的任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，按照2.2.1節(jié)設(shè)置。當(dāng)申請(qǐng)與已滿足計(jì)劃沖突時(shí)，可以對(duì)申請(qǐng)進(jìn)行滑動(dòng)，滑動(dòng)量配置為前后各10 min。

每次模擬用戶提交10萬條申請(qǐng)，逐條提交中繼使用申請(qǐng)，統(tǒng)計(jì)其申請(qǐng)滿足條數(shù)與最終資源使用率，共模擬10次，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯?0次仿真結(jié)果差別不大，平均最終資源使用率為86.4%。

表2 柔性單窗口申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Tab.2 Application satisfaction and resource utilization rate under the flexible single service time window mode

選取某次仿真過程，其申請(qǐng)滿足率與資源占用率如圖3所示。

(a) 任務(wù)仿真時(shí)長(zhǎng)占比

(b) 申請(qǐng)條數(shù)與資源使用率關(guān)系

(c) 申請(qǐng)條數(shù)與申請(qǐng)滿足率關(guān)系

(d) 資源使用率與申請(qǐng)滿足率關(guān)系圖3 柔性單窗口申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Fig.3 Application satisfaction and resource utilization rate under the flexible single service time window mode

對(duì)資源使用率和申請(qǐng)滿足率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 柔性單窗口申請(qǐng)方式下資源使用率與申請(qǐng)滿足率擬合曲線Fig.4 Fitting results of resource utilization rate and satisfaction rate under the flexible single service time window mode

擬合曲線表達(dá)式為：

y=-0.734x2-0.473x+0.962。

擬合曲線方差為0.748 5，通過擬合結(jié)果可以看出，直線與x軸交點(diǎn)為0.866 8，則可以認(rèn)為該申請(qǐng)模式資源使用上限平均為86.68%。

2.2.3 柔性多窗口申請(qǐng)方式

模擬用戶在一周的時(shí)間窗口內(nèi)隨機(jī)向一顆中繼衛(wèi)星提交使用申請(qǐng)。每條申請(qǐng)采取3個(gè)窗口，申請(qǐng)開始時(shí)間為一周內(nèi)隨機(jī)時(shí)刻；提交申請(qǐng)的任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，按照2.2.1節(jié)設(shè)置。當(dāng)申請(qǐng)與已滿足計(jì)劃沖突時(shí)，可以選用主窗口對(duì)申請(qǐng)進(jìn)行滑動(dòng)，滑動(dòng)量配置為前后各10 min；仍不能滿足時(shí)，采用備選窗口進(jìn)行。

每次模擬用戶提交10萬條申請(qǐng)，逐條提交中繼使用申請(qǐng)，統(tǒng)計(jì)其申請(qǐng)滿足條數(shù)與最終資源使用率，共模擬10次，結(jié)果如表3所示。可以看出，10次仿真結(jié)果也基本無差別，平均最終資源使用率為88.67%。

表3 柔性多窗口申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Tab.3 Application satisfaction and resource utilization rate under the flexible multiple service time windows mode

選取某次仿真過程，其申請(qǐng)滿足率與資源使用率如圖5所示。

(a) 任務(wù)仿真時(shí)長(zhǎng)占比

(b) 申請(qǐng)條數(shù)與資源使用率關(guān)系

(c) 申請(qǐng)條數(shù)與申請(qǐng)滿足率關(guān)系

(d) 資源使用率與申請(qǐng)滿足率關(guān)系圖5 柔性多窗口申請(qǐng)方式下申請(qǐng)滿足情況與資源使用率Fig.5 Application satisfaction and resource utilization rate under the flexible multiple service time windows mode

對(duì)資源使用率和申請(qǐng)滿足率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，擬合曲線表達(dá)式為：

圖6 柔性多窗口申請(qǐng)方式下資源使用率與申請(qǐng)滿足率擬合曲線Fig.6 Fitting results of resource utilization rate and satisfaction rate under the flexible multiple service time windows mode

y=-5.113x3+4.532x2-1.031x+1.041。

擬合曲線方差為22.49，通過擬合結(jié)果可以看出，直線與x軸交點(diǎn)為0.883 5，則可以認(rèn)為該申請(qǐng)模式資源使用上限平均為88.35%。

2.2.4 3種申請(qǐng)方式對(duì)比

3種申請(qǐng)方式的資源使用率和申請(qǐng)滿足率曲線如圖7所示。

圖7 3種申請(qǐng)方式資源使用率與申請(qǐng)滿足率關(guān)系Fig.7 Relationship between resource utilization rate and application satisfaction rate of three application methods

由圖7可以看出，當(dāng)資源使用率相同時(shí)，柔性多窗口申請(qǐng)方式用戶申請(qǐng)滿足率最高；申請(qǐng)滿足率相同時(shí)，柔性多窗口申請(qǐng)方式資源使用率最高。柔性多窗口申請(qǐng)方式，當(dāng)資源使用率低于60%時(shí)，能夠始終使用戶申請(qǐng)滿足率維持在80%以上，當(dāng)資源使用率超過70%以后，用戶申請(qǐng)滿足率下降速度較快，資源使用上限約為88.35%。固定申請(qǐng)方式、資源使用率和申請(qǐng)滿足率基本呈現(xiàn)反比關(guān)系，斜率為-1.28左右，說明資源使用率上漲10%，申請(qǐng)滿足率就要下降12.8%左右，資源使用上限約為78.6%。柔性單窗口申請(qǐng)方式介于二者之間，資源使用上限為86.68%。

2.3 資源使用率與用戶申請(qǐng)滿足率分析

按照2.1節(jié)的用戶申請(qǐng)?zhí)峤环绞?，?dāng)資源使用率達(dá)到一定值時(shí)(從20%開始按照每次增長(zhǎng)5%資源使用率，依次進(jìn)行統(tǒng)計(jì))，暫停2.2節(jié)的仿真過程，逐條提交10 000條中繼使用申請(qǐng)，無論其是否滿足均不納入計(jì)劃占用資源，使資源始終保持在原有狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)這10 000條申請(qǐng)的滿足次數(shù)，得出不同資源使用率條件下的用戶申請(qǐng)滿足率。

固定申請(qǐng)方式、柔性單窗口申請(qǐng)方式和柔性多窗口申請(qǐng)方式3種申請(qǐng)方式下，各資源使用率對(duì)應(yīng)的申請(qǐng)滿足率關(guān)系如圖8所示。

圖8 3種申請(qǐng)方式不同資源使用率下對(duì)應(yīng)申請(qǐng)滿足率關(guān)系Fig.8 Relationship between application satisfaction rates under the different resource utilization rates of three application methods

由圖8可以看出，當(dāng)資源使用率為20%時(shí)，固定申請(qǐng)方式申請(qǐng)滿足率為60%左右，柔性單窗口申請(qǐng)方式申請(qǐng)滿足率為70%左右，而柔性多窗口申請(qǐng)方式申請(qǐng)滿足率仍在100%左右。隨著資源使用率的上升，用戶申請(qǐng)滿足率下降，當(dāng)資源使用率低于50%時(shí)，柔性多窗口申請(qǐng)方式申請(qǐng)滿足率下降速度明顯低于另外2種方式；當(dāng)資源使用率高于60%時(shí)，柔性多窗口申請(qǐng)方式申請(qǐng)滿足率下降速度明顯增快，但整體申請(qǐng)滿足率高于另外2種方式；當(dāng)資源接近80%時(shí)，無論哪種申請(qǐng)方式，用戶申請(qǐng)滿足率都不足10%。

顯然，資源使用率越高，接收到用戶申請(qǐng)后滿足的概率越低。用戶申請(qǐng)彈性力度越大，申請(qǐng)滿足率越高，柔性多窗口申請(qǐng)方式能有效提升申請(qǐng)滿足率。

3 任務(wù)時(shí)長(zhǎng)與資源使用率分析

為了分析每圈次任務(wù)時(shí)長(zhǎng)與申請(qǐng)滿足率、最終資源使用率之間的關(guān)系，調(diào)整每圈次資源占用時(shí)長(zhǎng)后，采用柔性多窗口申請(qǐng)方式仿真提交中繼使用申請(qǐng)。按照2.2.3節(jié)的用戶申請(qǐng)產(chǎn)生方式隨機(jī)中繼使用申請(qǐng)，然后采取2種調(diào)整方式調(diào)整每圈次任務(wù)時(shí)間：一種是壓縮中繼衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)準(zhǔn)備及狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間，所有圈次的任務(wù)準(zhǔn)備和狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間減少(即申請(qǐng)理論時(shí)長(zhǎng)絕對(duì)減少)；另外一種是對(duì)所有圈次的申請(qǐng)理論時(shí)長(zhǎng)按照既定百分比減少。

2種調(diào)整模式的仿真結(jié)果，如圖9和圖10所示。第1種調(diào)整方式，即縮短任務(wù)準(zhǔn)備及系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間，能夠同時(shí)提高申請(qǐng)滿足率和最終資源使用率。第2種調(diào)整方式，即整體任務(wù)時(shí)長(zhǎng)按比例壓縮，當(dāng)資源使用率在80%以下時(shí)，能夠有效提升申請(qǐng)滿足率，但是最終資源使用率基本沒有差別。

圖9 縮短任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間后申請(qǐng)滿足率與資源使用率關(guān)系Fig.9 Relationship between application satisfaction rate and resource utilization rate after shortening the task preparation time

圖10 整體壓縮任務(wù)時(shí)長(zhǎng)后申請(qǐng)滿足率與資源使用率關(guān)系Fig.10 Relationship between application satisfaction rate and resource utilization rate after the overall compressed task duration

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的固定申請(qǐng)、柔性單窗口申請(qǐng)和柔性多窗口申請(qǐng)3種申請(qǐng)方式，平均最終資源使用率分別為78.6%,86.68%,88.35%，顯然柔性多窗口申請(qǐng)方式下中繼資源使用率上限更高。同時(shí)，在相同中繼資源使用率下，柔性多窗口申請(qǐng)方式的申請(qǐng)滿足率更高，能夠給用戶提供更好的滿意度。

隨著資源使用率的上升，用戶申請(qǐng)滿足率逐漸降低。為了實(shí)現(xiàn)中繼資源在應(yīng)對(duì)多突發(fā)情況，能夠給予用戶較高的申請(qǐng)滿足率，或者能夠更為迅速地對(duì)已有計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，建議在有突發(fā)情況時(shí)系統(tǒng)資源使用率維持在60%以下，此時(shí)用戶申請(qǐng)滿足率可維持在80%以上；當(dāng)資源使用率超過70%以后，用戶申請(qǐng)滿足率迅速下降，建議正常情況下系統(tǒng)資源使用率應(yīng)維持在70%以下，此時(shí)用戶申請(qǐng)滿足率維持在70%以上。隨著資源使用率的上升，申請(qǐng)滿足率進(jìn)一步下降，用戶體驗(yàn)感下降就不會(huì)繼續(xù)申請(qǐng)，中繼資源使用率通常不會(huì)超過80%。

通過壓縮任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間和系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間，可同時(shí)提高中繼資源使用上限和用戶申請(qǐng)滿足率，這也是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)與優(yōu)化的方向。