多地面站卫星数据接收任务规划问题研究

论文摘要

卫星对地面目标实施观测、获取目标有效数据后,需要及时、有效地将数据下传至地面接收站,通过地面系统进行处理后供用户使用。随着在轨卫星数量的增加,地面接收站需要在接收多颗卫星数据方面开展充分复用,才能最大限度发挥使用效益。根据地面资源及卫星与地面站之间的“可见”状况,合理高效地规划确定出地面站对多颗卫星遥感数据的接收方案,支持完成卫星数据接收过程,即所谓卫星数据接收调度问题,是本文研究的重点。卫星数据接收调度问题是一类约束满足组合优化问题,对该问题的深入研究具有重要的工程应用价值和理论意义。本文的主要研究内容如下:1、卫星数据下传需求及任务规划建模进行卫星数据接收任务规划需要面向多种类型的卫星轨道、数据下传需求,研究各种类型地面站及其数据接收、记录等部分的配合使用机制,力争最大化发挥地面接收数据系统的综合效益。本文面向多种类型的地面接收站、地面接收资源和卫星数据下传需求,通过分析资源和任务请求特点,建立了卫星数据下传需求的统一描述模型,并根据可用时间窗口集合和可用地面接收资源集合,转化为卫星数据接收的统一描述模型。2、建立了卫星数据接收的混合约束满足模型卫星数据接收任务规划的主要目的是分配无冲突的可用接收时段给参与规划的卫星数据接收资源以进行数据接收,最终使尽可能多的重要信息数据被接收;本文所指的卫星数据接收资源包括地面接收站及其数据接收天线、数据下传信道、数据记录设备。由于多方面问题的约束,例如复杂度,繁多的变量和约束等,所以建立卫星数据接收和调度问题的数学模型至关重要。我们通过这种数学模型可以对问题进行抽象的描述,从中发现变量关系,从而能够有效的解决问题。可以说,卫星数据接收和调度是一种以约束满足优化的问题。所以,本论文将在详细的分析问题的约束条件的基础之上,设计目标函数,建立问题的数学模型。3、综合效益优先下卫星数据接收调度算法研究综合效益优先优化策略,主要从卫星数据接收系统的角度出发,为尽可能的发挥卫星数据接收系统的综合效益,即获得尽可能多的卫星下传数据、保证重要数据的接收。基于综合效益优先优化策略,建立卫星数据接收任务规划层次模型。考虑问题层次化目标函数和子任务相互关联的问题特点,基于免疫遗传算法的算法结构,采用父子分层编码,对父层执行遗传操作,对子层进行免疫操作的分层编码和操作机制,并引入疫苗概率选择、自适应更新和小生境等求解思想,提出一种新的基于分层控制的免疫遗传卫星数据接收算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外发展现状和趋势
• 1.2.1 卫星任务调度模型发展现状及趋势
• 1.2.2 卫星数据接收任务规划
• 1.2.3 调度算法发展现状及趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 卫星地面站数据接收问题研究
• 2.1 卫星数据接收过程
• 2.2 卫星数据接收方式
• 2.2.1 实时传输
• 2.2.2 存储回放
• 2.3 卫星数据下传需求
• 2.3.1 对卫星数据接收的基本要求
• 2.3.2 多卫星数据下传需求冲突
• 2.4 卫星数据接收任务规划问题约束分析
• 2.5 卫星遥感数据接收任务规划问题模型
• 2.5.1 基本假设
• 2.5.2 场景设定
• 2.5.3 数据接收任务模型
• 2.5.4 卫星数据接收调度约束满足模型的表示
• 2.5.5 卫星数据接收调度目标Obj
• 2.5.6 约束条件Conf
• 2.5.7 卫星数据接收调度约束满足模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 卫星数据接收任务规划算法设计
• 3.1 问题复杂性及求解算法选择分析
• 3.2 贪婪随机插入算法在卫星数据接收任务规划问题中的应用
• 3.2.1 基于优先级的贪婪随机插入法的接收任务规划设计
• 3.2.2 卫星数据接收系统核心算法流程
• 3.3 基于免疫遗传算法的卫星数据接收调度算法基本设计
• 3.3.1 遗传编码格式
• 3.3.2 适应度函数
• 3.3.3 基于直接可能冲突度的序列交叉算子
• 3.3.4 多点交换变异算子
• 3.3.5.选择算子和终止条件
• 3.3.6 采用贪婪随机插入算法初始种群
• 3.3.7 抽取免疫疫苗
• 3.3.8 注射免疫疫苗和免疫选择
• 3.4 算法核心流程和程序设计
• 3.4.1 基于免疫遗传算法的卫星数据接收调度算法流程
• 3.4.2 基于免疫遗传算法的卫星数据接收调度算法的程序设计
• 3.4.3 算法实验结果与分析
• 3.4.4 算法收敛性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 地面接收资源管控原型系统
• 4.1 系统的工作流程
• 4.2 功能设计
• 4.3 原型软件设计与实现
• 4.3.1 卫星接收任务规划软件
• 4.3.2 接收任务与资源管理软件
• 4.3.3 任务规划算法服务软件
• 4.3.4 仿真验证平台软件
• 4.3.5 任务规划效能评估软件
• 4.3.5.1 效能评估指标管理
• 4.3.5.2 卫星资源想定数据管理
• 4.3.5.3 地面站资源想定数据管理
• 4.3.5.4 接收任务想定数据管理
• 4.3.5.5 接收任务规划方案管理
• 4.3.5.6 接收任务完成情况指标计算
• 4.3.5.7 接收资源利用率指标计算
• 4.3.5.8 任务规划方案效能评估
• 4.3.5.9 效能评估结果综合分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 进一步的研究工作及思路
• 致谢
• 参考文献