基于启发式算法的成像卫星星地联合调度问题研究

论文摘要

成像卫星是一类重要的从太空获取地面信息的对地观测卫星,已经在军事经济等领域发挥了重要作用。成像卫星星地联合调度,就是在综合考虑卫星、遥感器以及地面站等资源的能力和不同用户的任务需求的基础上,将资源无冲突的分配给相互竞争的多个任务,最终制定相应的观测调度方案和回传调度方案,以达到提高资源使用效率和最大限度满足用户观测需求的目的。本文紧密结合成像卫星在现代社会的应用需求,研究成像卫星星地联合调度的原理与方法,着重对问题的模型和优化求解算法进行研究。本文的主要工作和创新如下:首先,本文分析了成像卫星的工作原理,卫星成像的约束条件以及成像卫星星地联合调度问题的基本输入输出,分析了问题的基本调度流程,指出了问题的主要特点和难点。在综合考虑多星多地面站调度的观测、存储和回传等环节的基础上,把问题分为观测调度阶段和回传调度阶段,分别给出了优化目标和约束条件,建立了基于阶段优化的成像卫星星地联合调度模型。其次,本文重点研究了启发式算法在成像卫星星地联合调度问题中的应用,分析了成像卫星星地联合调度问题求解的启发式规则,采用贪婪随机自适应搜索算法(GRASP)求解模型的观测调度阶段,设计了两种基于不同贪婪规则的启发式构造算法来求解模型的回传调度阶段。本文对GRASP算法做出了一定的改进,在其初始解的构造阶段设计了定长受限候选列表和变长受限候选列表两种策略,在邻域搜索阶段结合模拟退火算法来搜索更好的解。最后,分析了成像卫星任务调度系统在实际中的应用需求,指出了成像卫星任务调度系统的应用分为对卫星日常工作计划的安排和对卫星系统顶层设计的支持两个层次。在调度模型和算法研究的基础上,设计实现了成像卫星任务调度系统。

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 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 问题模型
• 1.2.2 优化算法
• 1.2.3 软件系统
• 1.2.4 研究现状总结
• 1.3 论文的主要研究工作和创新点
• 1.3.1 论文主要研究内容
• 1.3.2 论文主要工作与创新
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 成像卫星星地联合调度问题
• 2.1 成像卫星的工作原理
• 2.1.1 成像卫星遥感器
• 2.1.2 成像过程分析
• 2.1.3 成像卫星的数据传输
• 2.2 成像卫星星地联合调度问题分析
• 2.2.1 成像卫星星地联合调度问题约束分析
• 2.2.2 基本输入输出分析
• 2.2.3 成像卫星星地联合调度流程
• 2.2.4 成像卫星星地联合调度问题的主要特点和难点
• 2.2.5 基本假设和问题简化
• 2.3 本章小结
• 第三章 成像卫星星地联合调度问题建模与求解方法分析
• 3.1 基于阶段优化的成像卫星星地联合调度问题模型
• 3.1.1 模型的参数及变量
• 3.1.2 观测调度阶段的目标函数及约束条件
• 3.1.3 回传调度阶段的目标函数及约束条件
• 3.2 成像卫星星地联合调度模型求解方法分析
• 3.2.1 启发式算法概述
• 3.2.2 GRASP算法
• 3.2.3 基于规则的启发式构造算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 成像卫星星地联合调度模型求解算法
• 4.1 观测调度阶段求解的改进GRASP算法
• 4.1.1 初始解的构造
• 4.1.2 邻域搜索的模拟退火算法
• 4.2 回传调度阶段求解的基于规则的启发式构造算法
• 4.2.1 回传调度阶段的求解分析
• 4.2.2 基于综合效益优先的启发式构造算法
• 4.2.3 基于直拍直传任务优先的启发式构造算法
• 4.3 算法性能测试与结果分析
• 4.3.1 测试算例的生成
• 4.3.2 试验参数设置
• 4.3.3 试验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 成像卫星任务调度系统的应用分析与设计实现
• 5.1 成像卫星任务调度系统的应用需求分析
• 5.2 成像卫星任务调度系统的设计与实现
• 5.2.1 系统总体框架
• 5.2.2 采集任务单接收与处理子系统
• 5.2.3 卫星及地面站资源管理子系统
• 5.2.4 任务调度子系统
• 5.2.5 任务调度效能评估子系统
• 5.2.6 计划仿真推演子系统
• 5.2.7 单星计划编排子系统
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.1.1 成像卫星星地联合调度问题建模研究
• 6.1.2 模型求解的启发式算法研究
• 6.1.3 成像卫星任务调度系统的应用分析与设计实现
• 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