中继卫星动态调度问题建模及优化技术研究

论文摘要

跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨道测控服务的系统,简称中继卫星系统。中继卫星调度是指中继卫星任务计划管理中心根据应用需求以及中继卫星需要完成的任务,确定中继卫星及其有效载荷,选择需要发送航天信号的用户航天器,科学合理地分配中继卫星系统资源,以满足跟踪、测控与数据中继需要。中继卫星动态调度是空间资源管理的重要内容之一,其目的在于为中继卫星系统的任务计划编制提供科学合理的决策手段与依据。中继卫星动态调度模型的建立与求解是中继卫星调度需要解决的关键问题,这也是本文研究的主要内容。本文的主要工作和创新研究成果如下:首先,建立了中继卫星动态调度框架。中继卫星动态调度框架的构建是研究中继卫星动态调度问题的重要基础,有利于中继卫星调度研究的深入开展。在分析中继卫星动态调度需求的基础上,确立中继卫星动态调度的原则和研究思路。其次,建立了中继卫星初始调度模型的求解方式。在初始时刻,中继卫星资源、待安排的任务集和约束条件等都是已知的,中继卫星初始调度模型是确定的。在此基础上构建基于蚁群算法的优化框架,采用蚁群算法对中继卫星初始调度模型进行求解,并与基于遗传算法和模拟退火算法的计算结果进行比较。第三,建立了中继卫星动态调度的求解方式。考虑了中继卫星调度过程中因卫星资源状态改变和新任务插入而导致动态调度的情况,并在中继卫星动态调度的求解中,将这两种情况综合为一种情况进行处理。中继卫星动态调度问题是一个典型的多目标决策问题,采用TOPSIS方法处理多目标决策。采用局部搜索方法和基于规则的局部优化算法求解中继卫星动态调度,并比较采用这两种方法的计算结果。最后,根据中继卫星系统的实际情况,进行中继卫星动态调度的应用实例分析,综合验证本文提出的调度模型与算法的有效性。通过本文的研究工作,初步完成了中继卫星动态调度问题由理论走向应用的相关探索,促进了动态调度理论与中继卫星应用领域相关问题的结合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外相关问题研究现状和发展趋势
• 1.2.1 中继卫星调度问题的研究现状
• 1.2.2 其它卫星调度问题的研究现状
• 1.2.3 动态调度理论和方法的研究现状
• 1.2.4 现有研究评述
• 1.3 论文的研究内容与创新点
• 1.3.1 论文的主要内容与结构安排
• 1.3.2 论文的主要贡献与创新点
• 第二章 中继卫星动态调度框架
• 2.1 中继卫星调度问题分析
• 2.1.1 中继卫星调度问题概述
• 2.1.2 中继卫星调度过程分析
• 2.1.3 中继卫星工作的约束条件分析
• 2.1.4 中继卫星完成任务评价
• 2.2 中继卫星调度问题建模
• 2.2.1 参数定义
• 2.2.2 调度模型
• 2.2.3 模型说明
• 2.2.4 中继卫星调度模型分析
• 2.3 中继卫星动态调度过程分析
• 2.3.1 中继卫星动态调度需求
• 2.3.2 中继卫星动态调度的原则
• 2.3.3 各扰动因素下的中继卫星动态调度
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于蚁群算法的初始调度模型求解
• 3.1 求解方法
• 3.2 基于蚁群算法的初始调度模型求解
• 3.2.1 蚁群算法的优化框架
• 3.2.2 信息素的定义和初始化
• 3.2.3 可行解的构造
• 3.2.4 信息素的更新
• 3.2.5 终止准则
• 3.2.6 需要注意的事项
• 3.3 求解实例
• 3.4 算法性能评价
• 3.4.1 本文算法的参数设置
• 3.4.2 测试实例的生成
• 3.4.3 参与比较的方法
• 3.4.4 本文方法的可行性分析
• 3.4.5 本文方法的有效性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 中继卫星动态调度的求解方法
• 4.1 求解方法
• 4.2 基于TOPSIS方法的多目标决策处理
• 4.3 基于导向局部搜索方法的动态调度求解
• 4.3.1 GLS简介
• 4.3.2 中继卫星动态调度的GLS算法设计
• 4.4 基于规则的动态调度求解
• 4.4.1 生成新的任务调度集
• 4.4.2 基于规则的任务动态调整
• 4.5 求解实例
• 4.6 算法性能评价
• 4.6.1 测试实例的生成
• 4.6.2 本文方法的性能分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 中继卫星调度系统设计与实现
• 5.1 软件系统总体设计系统框架
• 5.1.1 中继卫星调度工作流程
• 5.1.2 系统框架
• 5.1.3 系统工作流程
• 5.2 调度问题设计
• 5.2.1 中继卫星设计
• 5.2.2 用户航天器设计
• 5.2.3 通信任务设计
• 5.3 初始调度模型求解结果
• 5.4 动态调度求解结果
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 进一步的研究与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果