面向区域目标的成像侦察卫星调度问题研究

论文摘要

面向区域目标的成像侦察卫星调度是在战术应用背景下,综合考虑用户需求和卫星及星载遥感器约束条件,合理分配成像侦察卫星及星载遥感器资源,制定卫星成像计划,实现观测活动的密切协同,充分发挥卫星系统的能力,提高最终影像对区域目标的有效覆盖,最大程度地满足用户实时或近实时的情报需求。成像侦察卫星实际是一种对地观测卫星,目前面向区域目标的对地观测卫星调度问题不论是在国内还是国外都是一个前沿课题。本文在研究成像侦察卫星的工作原理、过程和分析区域目标侦察需求特点的基础上,探索了面向区域目标的观测活动构造方法,建立了调度问题模型,给出了模型求解方法,并最终开发了一个原型系统。本文的主要研究内容和创新成果如下:首先,在分析成像侦察卫星工作原理的基础上,综合考虑了卫星轨道、星载遥感器参数、可见时间窗以及区域目标地理位置等因素,设计了带有观测范围边界检测的观测活动构造方法。并针对观测活动构造过程中涉及的坐标系变换问题,给出了多个区域目标情况下的坐标系变换策略。其次,提出了网格空间的概念与构造方法,定义了网格覆盖值并确定了其赋值规则,给出了基于网格统计法的区域目标覆盖率计算方法,解决了观测活动相互重叠情况下的整体收益计算问题。并在此基础上,明确了需要考虑的约束条件,建立了面向区域目标的成像侦察卫星调度问题模型。第三,基于启发式搜索算法思想设计了模型求解框架,将整个模型求解阶段划分为初始解构造、局部搜索以及微调三个阶段,并针对模型求解框架与问题特点,设计了基本邻域结构,提出了带有可行性分析的邻域构造方法、观测活动对解的贡献评估方法、候选解的整体收益快速计算方法、解的改进策略以及网格空间状态的同步方法。第四,在模型求解框架基础上,设计了三种基于分级优化策略的模型求解算法,即贪婪随机变邻域搜索算法、禁忌搜索算法和模拟退火算法。贪婪随机变邻域搜索算法综合了贪婪规则、随机模式和变邻域等因素,既保持了贪婪算法简单快速的优点,又有效改善了简单贪婪算法求解质量欠佳的缺点。但是贪婪随机变邻域搜索算法容易落入局部最优的陷阱,因此本文还设计了全局寻优性能较好的禁忌搜索和模拟退火算法,对三种算法的性能进行了比较和分析,并基于算法的性能分析结论给出了算法的应用策略。最后,设计实现了面向区域目标的成像侦察卫星调度原型系统,给出了该系统的一个应用实例,验证了本文提出的观测活动构造方法、数学模型、求解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 研究背景和意义
• 1.2 国内外相关问题研究现状和发展趋势
• 1.2.1 面向点目标的对地观测卫星调度问题研究现状
• 1.2.2 面向区域目标的对地观测卫星调度问题研究现状与发展趋势
• 1.2.3 对地观测卫星调度领域的通用软件
• 1.2.4 结论
• 1.3 论文的主要研究内容、创新点和组织结构
• 1.3.1 论文的主要研究内容
• 1.3.2 论文的主要贡献和创新点
• 1.3.3 论文的组织结构
• 第二章 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题
• 2.1 成像侦察卫星成像原理及过程
• 2.1.1 成像侦察卫星的成像原理简介
• 2.1.2 成像侦察卫星的观测范围与实际覆盖
• 2.1.3 成像侦察卫星的成像过程
• 2.2 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题
• 2.2.1 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题概述
• 2.2.2 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题的特点
• 2.2.3 问题的输入输出要素
• 2.3 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题的主要求解过程
• 2.3.1 基本假设和问题简化
• 2.3.2 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题的求解过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 面向区域目标的观测活动构造方法
• 3.1 面向区域目标的观测活动构造方法
• 3.1.1 预处理阶段
• 3.1.2 区域目标分割阶段
• 3.1.3 时间属性计算阶段
• 3.2 坐标系变换策略
• 3.2.1 投影方案的选择
• 3.2.2 多区域目标的投影策略及投影效果
• 3.3 观测活动构造过程的输出信息
• 3.3.1 输出信息的主要内容
• 3.3.2 输出信息的特点
• 3.4 本章小结
• 第四章 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题模型
• 4.1 区域目标被观测情况的衡量指标
• 4.2 基于网格统计法的覆盖率计算
• 4.2.1 网格空间的构造方法
• 4.2.2 网格覆盖值及其赋值规则
• 4.2.3 区域目标的覆盖率计算公式
• 4.3 虚拟资源
• 4.4 面向区域目标的成像侦察卫星调度问题模型
• 4.4.1 符号定义
• 4.4.2 数学模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 面向区域目标的成像侦察卫星调度模型的求解框架
• 5.1 活动序列图
• 5.2 面向区域目标的成像侦察卫星调度模型的求解框架
• 5.3 邻域
• 5.3.1 基本邻域结构设计
• 5.3.2 基于后移空余时间和前移空余时间的活动移动方案可行性分析
• 5.3.3 邻域的构造过程
• 5.4 观测活动对解的贡献评估方法
• 5.5 候选解的整体收益快速计算方法
• 5.5.1 整体收益快速计算方法依据
• 5.5.2 候选解的整体收益快速计算方法
• 5.6 解的优劣性评价及改进策略
• 5.6.1 解的优劣性评价
• 5.6.2 解的改进策略
• 5.7 网格空间状态的同步方法
• 5.8 本章小结
• 第六章 面向区域目标的成像侦察卫星调度模型的求解算法
• 6.1 基于分级优化策略的贪婪随机变邻域搜索算法
• 6.1.1 邻域
• 6.1.2 候选解的接受准则
• 6.1.3 终止规则
• 6.1.4 最优解信息的保留
• 6.1.5 算法描述
• 6.2 基于分级优化策略的禁忌搜索算法
• 6.2.1 邻域
• 6.2.2 禁忌列表
• 6.2.3 特赦规则
• 6.2.4 候选解的接受准则
• 6.2.5 终止规则
• 6.2.6 最优解信息的保留
• 6.2.7 算法描述
• 6.3 基于分级优化策略的模拟退火算法
• 6.3.1 邻域
• 6.3.2 候选解的接受准则
• 6.3.3 冷却进度表
• 6.3.4 最优解信息的保留
• 6.3.5 算法描述
• 6.4 计算实例分析
• 6.4.1 GRVNS 算法与简单贪婪算法的性能比较
• 6.4.2 GRVNS、禁忌搜索和模拟退火算法的性能比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 应用实例研究
• 7.1 原型系统简介
• 7.2 应用实例设计
• 7.2.1 观测任务设计
• 7.2.2 成像侦察卫星系统设计
• 7.3 观测活动的构造
• 7.4 应用实例的求解结果
• 7.5 结论
• 第八章 结束语
• 8.1 本文总结
• 8.2 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