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卫星数据传输全流程调度及优化算法

向云武  
【摘要】:卫星数据传输的全局优化不仅有利于充分高效利用卫星、地面接收和传输等资源,同时在灾害应急等方面也具有重要的指导意义。在以往的卫星数据传输方面的研究,主要集中在星地数传环节,鲜有涉及地面光纤网络传输环节,而且以往星地数传环节的研究主要集中在两方面,一是解决因为地面接收资源有限且分布集中所带来的卫星对接收天线资源的争用问题,二是试图在一定时间范围内获取最大价值的卫星数据,而很少考虑全局条件下获取所有卫星数据的接收与传输需求。在最短时间内获取所有卫星数据不仅在充分高效利用卫星以及地面接收站资源方面意义重大,在面对自然灾害时,若能尽快获取相关地域的卫星数据,将会为及时采取应急措施提供极大的助力。本文综合考虑星地数传环节和地面网络传输环节的约束,通过双阈值控制的并行遗传算法实现了在最短时间内将所有卫星数据传输至数据中心的目标。针对卫星数据传输问题,本文建立了卫星数据星地数传模型和卫星数据地面网络传输模型,并提出了双阈值控制的并行遗传算法用于实现卫星数据传输的全局优化。主要研究内容和工作如下:1)针对卫星数据星地数传环节地面接收资源有限且分布相对集中等特点,建立了基于冲突消解的卫星数据星地数传模型。与以往数传调度模型试图在一定时间内下传最大价值的卫星数据不同,该模型实现了在最短时间内将所有卫星数据下传到地面接收站的目标。2)提出了带时间属性的双背包问题,并给出了采用动态规划算法求解的改进状态转移方程。针对地面接收站有两条传输链路的情形,建立了卫星数据地面网络传输模型,为卫星数据合理分配传输链路,以便在最短时间内将卫星数据传输至数据中心。最后根据卫星数据地面网络传输问题的特点,将其归约为带时间属性的双背包问题进行迭代求解。3)根据卫星数据传输问题计算量大等特点,提出了双阈值控制的并行遗传算法,该算法在经典遗传算法的基础上,增加了父辈相似度阈值和收敛度阈值分别用于控制变异的时间和概率,同时还对遗传过程采取粗粒度并行。最后将该算法用于卫星数据传输的全局优化调度。


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