基于MAS的分布式成像卫星系统任务规划与控制问题研究

论文摘要

由现代智能成像小卫星组成的分布式成像卫星系统是未来对地观测卫星系统发展的主要趋势,分布式成像卫星系统具有智能性和分布性的特点,是一种“敏捷”卫星系统。分布式成像卫星系统的任务规划与控制是在充分考虑分布式成像卫星系统特点的基础上,面向动态观测环境,将多个观测任务没有冲突地分配给分布式成像卫星系统中最合适的卫星执行,并通过自动推理得到各个卫星的具体动作方案,从而自主控制卫星完成各个观测任务。目前,无论是在国内还是国外,对分布式成像卫星系统的任务规划与控制问题的研究都是一个崭新的前沿课题,而且随着现代小卫星系统、分布式卫星系统的快速发展,以及对多星任务规划技术、卫星自主运行技术研究的不断深入,使得本文问题的研究无论是在理论上还是应用上都有非常重要的意义。本文在深入了解分布式成像卫星系统的组成和运行特点的基础上,提出了分布式成像卫星系统的任务规划与控制框架,探索了分布式成像卫星系统的星群任务规划方法、卫星自主控制模型及其求解算法,并最终开发实现了一个原型系统。本文的主要研究内容和创新研究成果如下:首先,在分析成像卫星工作原理及分布式成像卫星系统工作过程的基础上,将整个问题分为两个层次的决策子问题进行求解。根据分布式成像卫星系统的分布性和智能性特点,采用Agent及多Agent系统（Multi-Agent System,简称MAS）的思想研究分布式成像卫星系统,给出了一种高可靠性的分布式成像卫星系统MAS结构及智能成像卫星Agent的分层混合结构模型,并以此为基础,分析了基于MAS的分布式成像卫星系统的任务规划与控制机理与特点,提出了基于MAS的任务规划与控制框架。其次,提出了基于多Agent协商的分布式动态任务规划方法,对传统的合同网协商协议进行改进,提出了基于约束的诚实合同网协议,采用招投标的方式对星群进行任务调度,重点研究了投标活动中任务插入导致的时间窗口约束和电源约束的满足性判断方法,给出了相应的检验算法。根据分布式成像卫星系统的运行特点,提出了基于推进剂消耗和任务均衡指标的各种优化规则,并通过实例研究对各种规则的性能进行了比较,给出了规则使用策略。第三,分析了基于层次任务网络（Hierarchical Task Network,简称HTN）的规划方法对卫星自主控制问题的适用性,给出了相应的求解框架。首先采用规划域定义语言建立了智能成像卫星的规划域模型,然后采用基于HTN的规划方法对卫星自主控制问题进行了求解,开发了两种基于任务网络的导引式状态空间搜索算法。通过实例分析验证了基于HTN的规划方法可以实现对卫星自主控制问题的快速求解。最后,设计实现了一个星座形式的分布式成像卫星系统任务规划与控制原型系统,给出了该系统的一个应用实例,综合验证了本文提出的基于多Agent协商的分布式动态任务规划方法、基于HTN规划的卫星自主控制方法、相应的算法以及原型系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 分布式卫星系统研究现状
• 1.2.2 分布式卫星系统任务规划技术研究现状
• 1.2.3 卫星自主控制技术研究现状
• 1.2.4 相关理论的研究现状
• 1.2.5 现有研究的特点和不足
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 论文的主要研究内容
• 1.3.2 论文的主要贡献与创新点
• 1.3.3 论文的组织结构
• 第二章 分布式卫星系统任务规划与控制问题
• 2.1 成像卫星系统工作原理与过程
• 2.1.1 成像卫星遥感器
• 2.1.2 成像卫星观测范围
• 2.1.3 成像卫星成像过程
• 2.1.4 分布式成像卫星系统运行的组织过程
• 2.2 分布式卫星系统任务规划与控制问题概述
• 2.2.1 分布式卫星系统任务规划与控制问题
• 2.2.2 星群任务规划问题及其特点
• 2.2.3 卫星自主控制问题及其特点
• 2.3 分布式卫星系统任务规划与控制问题求解思路
• 2.3.1 基本假设及问题简化
• 2.3.2 问题求解思路
• 2.3.3 问题的输入输出要素
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于MAS 的分布式卫星系统任务规划与控制框架
• 3.1 Agent 与多Agent 系统
• 3.1.1 Agent 概念及性质
• 3.1.2 Agent 的基本结构
• 3.1.3 多Agent 系统
• 3.2 分布式卫星系统MAS 模型
• 3.2.1 卫星Agent 分类
• 3.2.2 通用的多卫星MAS 结构
• 3.2.3 分布式卫星系统的高可靠性MAS 结构
• 3.3 成像卫星Agent 的分层混合结构模型
• 3.4 基于MAS 的任务规划与控制框架
• 3.4.1 基于MAS 的任务规划与控制机制
• 3.4.2 基于MAS 的任务规划与控制特性
• 3.4.3 基于MAS 的任务规划与控制层次结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于多Agent 协商的星群任务规划研究
• 4.1 基于多Agent 协商的星群分布式动态任务规划方法
• 4.1.1 基于多Agent 协商的分布式动态任务规划方法的适用性
• 4.1.2 基于MAS 的星群任务规划问题形式化描述
• 4.2 协商协议
• 4.2.1 合同网协议
• 4.2.2 基于约束的诚实合同网协议
• 4.2.3 基于诚实合同网的卫星Agent 交互模型
• 4.3 招标任务选择策略
• 4.3.1 最大优先级策略
• 4.3.2 最小剩余规划时间策略
• 4.4 投标方投标方法
• 4.4.1 候选时间窗口计算
• 4.4.2 侧摆活动对时间和资源约束的影响分析
• 4.4.3 时间约束的满足性判断
• 4.4.4 电源约束的满足性判断
• 4.4.5 时间窗口优化决策
• 4.4.6 任务投标过程的计算复杂性
• 4.5 招标方评标策略
• 4.5.1 插入成本最小规则
• 4.5.2 合同任务总数最少规则
• 4.5.3 最早完成时间优先规则
• 4.6 面向动态环境的任务处理
• 4.6.1 典型动态观测事件
• 4.6.2 任务分类
• 4.6.3 任务规划流程
• 4.6.4 动态任务处理流程
• 4.7 计算实例分析
• 4.7.1 测试数据
• 4.7.2 与简单贪婪算法的比较
• 4.7.3 不同评标规则的比较
• 4.8 本章小结
• 第五章 基于HTN 规划的成像卫星自主控制研究
• 5.1 成像卫星自主控制问题求解框架
• 5.1.1 成像卫星自主控制问题的复杂性分析
• 5.1.2 HTN 规划方法的适用性
• 5.1.3 基于HTN 规划的卫星自主控制问题求解框架
• 5.2 成像卫星自主规划模型
• 5.2.1 模型要素
• 5.2.2 规划域描述语言
• 5.2.3 约束表达与数值计算
• 5.2.4 成像卫星的规划域模型
• 5.3 基于HTN 规划的模型求解
• 5.3.1 复合任务及其分解方法定义
• 5.3.2 基于任务网络的导引式状态空间搜索算法
• 5.3.3 算法复杂性分析
• 5.4 计算实例分析
• 5.4.1 测试数据
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统与应用实例研究
• 6.1 原型系统简介
• 6.1.1 FIPA 规范和JADE 平台
• 6.1.2 系统简介
• 6.2 应用实例设计
• 6.2.1 分布式卫星系统设计
• 6.2.2 静态观测任务设计
• 6.3 星群任务规划
• 6.3.1 发起招标
• 6.3.2 投标
• 6.3.3 合同签订
• 6.3.4 结果分析
• 6.4 卫星自主规划
• 6.4.1 系统输入
• 6.4.2 结果分析
• 6.5 结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 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