区域普查试验卫星任务规划方法与应用研究

论文摘要

区域普查试验卫星任务规划问题是针对区域普查试验卫星轨道不严格回归和单星携带多个成像载荷等的特点,在综合考虑卫星资源能力和用户对卫星负载均衡要求的基础上,采用长短期任务规划相结合的规划方式,将卫星资源无冲突地分配给相互竞争的多个任务,并最终确定每个任务的具体执行时间和执行方式,以最大限度地满足用户需求。本文以应用需求为指导,研究面向大面积区域目标观测的试验卫星任务规划的原理与方法,着重对问题的模型和优化求解算进行研究。本文的主要工作和创新如下:首先,在分析区域普查试验卫星的工作原理、任务可行性、约束条件及输入输出的基础上,设计了改进的区域目标动态划分方法及优先级动态调整算法,并分别建立了长期任务规划的约束优化模型、基于模型预测控制(MPC)的短期滚动任务规划模型。其次,基于本文给出的模型求解框架,采用基于规则的启发式算法对长期任务规划的约束优化模型进行求解,采用基于分级优化策略的禁忌搜索算法对短期滚动任务规划进行求解。通过仿真实例对这些算法的性能进行比较和分析得出:基于规则的启发式算法以一定的解的质量为代价可以换取求解时间上优势,达到了长期任务规划的目的;基于分级优化策略的禁忌算法中需要选择合适的变量才能保证在达到覆盖率与优先级综合收益基础上很好的兼顾负载均衡的目标。最后,分析了区域普查试验卫星任务规划系统在实际中的应用需求,在规划模型和算法研究的基础上,设计实现了卫星任务规划系统。应用研究表明,本文研究实现的卫星任务规划系统能够优化卫星系统的应用方案,从而在确保充分发挥卫星资源潜力的前提下,为航天装备的合理配置提供可信的依据,较好地满足航天装备顶层设计的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景与研究意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 成像卫星技术发展现状
• 1.2.2 单星规划模型研究现状
• 1.2.3 面向区域目标的成像卫星规划
• 1.2.4 软件系统及卫星遥感数据数据浏览查询技术发展现状
• 1.2.5 现有研究特点与不足
• 1.3 论文的主要研究内容及创新点
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 区域普查试验卫星任务规划问题
• 2.1 区域普查试验卫星的工作原理
• 2.1.1 成像卫星遥感器
• 2.1.2 区域普查试验卫星对大面积区域目标观测的可行性分析
• 2.2 区域普查试验卫星任务规划问题分析
• 2.2.1 时效性分析与规划流程
• 2.2.2 成像卫星任务规划实际约束说明
• 2.2.3 基本输入输出分析
• 2.2.4 基本假设和问题简化
• 2.3 本章小结
• 第三章 区域普查试验卫星长期任务规划问题建模与求解
• 3.1 区域目标动态分解
• 3.1.1 区域目标分解方法研究现状及分析
• 3.1.2 区域目标动态分解方法
• 3.2 区域普查试验卫星长期任务规划问题建模
• 3.2.1 区域普查试验卫星长期任务规划问题的描述模型
• 3.2.2 区域普查试验卫星长期任务规划问题的约束优化模型
• 3.3 区域普查试验卫星长期任务规划启发式算法
• 3.3.1 启发式算法概述
• 3.3.2 基于规则的启发式算法设计与实现
• 3.4 基于规则的启发式构造算法的性能比较分析
• 3.4.1 测试数据生成
• 3.4.2 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 区域普查试验卫星短期滚动任务规划问题建模与求解
• 4.1 单景任务优先级设置及调整
• 4.1.1 初始优先级的设置
• 4.1.2 优先级动态调整
• 4.2 基于MPC 的区域普查试验卫星短期滚动任务规划建模
• 4.2.1 模型预测控制建模方法
• 4.2.2 基于MPC 的区域普查试验卫星任务规划建模
• 4.2.3 滚动窗口优化建模
• 4.3 基于分级优化策略的禁忌搜索算法
• 4.3.1 邻域设计
• 4.3.2 禁忌列表
• 4.3.3 特赦规则
• 4.3.4 候选解的接受准则
• 4.3.5 终止规则
• 4.3.6 最优解信息的保留
• 4.3.7 算法描述
• 4.4 算法性能测试与结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 区域普查试验卫星任务规划系统的设计与实现
• 5.1 区域普查试验卫星任务规划系统的总体设计
• 5.1.1 系统设计原则
• 5.1.2 系统主要工作流程
• 5.2 区域普查试验卫星任务规划系统实现
• 5.2.1 系统总体结构
• 5.2.2 目标库管理子系统
• 5.2.3 任务管理子系统
• 5.2.4 任务分析与任务规划子系统
• 5.2.5 影像数据管理子系统
• 5.2.6 仿真推演子系统
• 5.3 本章小结
• 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
• 附录A 攻读硕士学位期间发表和录用的论文
• 附录B 攻读硕士学位期间参加科研情况