基于天基信息港的多源信息融合任务调度模型及算法研究

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随着天基信息系统的发展,天基信息港这一具备多源信息融合处理能力的天基网络节点概念已经被提出,其在同步轨道上向用户提供数据中继、星上处理等服务。多源信息融合技术通过一个处理节点汇集多维度遥感数据,提取出各种数据的不同特征并进行融合,可以获得较单个数据更为准确的综合信息,其广泛应用于军事、灾害应急等领域。在天基信息港上实现多源信息融合,可以将数据的传输、处理与分发集中在星上,相比较在地面数据处理中心实现多源信息融合,天基信息港离数据源卫星更近,卫星数据不再需要传输到数据处理中心,减少了数据处理中心接收和分发数据的传输时间,提高了信息获取的时效性,这对于天基信息系统的建设有着重要意义。考虑到军事、灾害应急这类任务高时效性的需求,如何在有限的天基信息港资源下合理规划任务,提高任务的时效性就成为了研究天基信息港的重要问题,但到目前为止还没有这方面的相关研究。基于此现状,本文提出了基于天基信息港的多源信息融合任务调度问题:将多源信息融合任务划分为与数据源卫星相关的一组子任务,每个子任务包括数据传输阶段和数据处理阶段,且顺序调度在天基信息港的天线资源和处理资源上,在满足天基信息港资源和任务约束下,如何分配各个子任务在天线资源和处理资源上的执行时间,最小化多源信息融合任务的完成时间。天基信息港的任务调度模型建立与算法求解将是天基信息港任务调度的关键,本文的整体研究工作如下:首先,通过分析多源信息融合任务流程、天基信息港的资源特征、可见时间窗约束,建立了基于天基信息港的多源信息融合任务调度模型,并以最小化任务完成时间为优化目标。其次,在天基信息港任务调度模型的基础上,提出了一种多机循环插入算法对其求解。仿真结果表明,该算法相比于列表调度算法能够平均减少10.8%的任务完成时间,在算法运行时间大约为遗传算法的1/20,验证了该算法能够满足天基信息港任务调度的高时效性,对于在天基信息港上实现多源信息融合有着重要意义。最后,考虑到天基信息港的存储资源有限,本文研究了基于存储约束的天基信息港任务调度问题,建立了对应的数学模型并提出了改进的帝国竞争算法进行求解。仿真结果表明,该算法相比较遗传算法和帝国竞争算法,能够在可行的算法运行时间内得到最少的任务完成时间,并验证了存储约束会增加任务完成时间。
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