对地观测卫星任务规划模型与算法研究

论文摘要

对地观测卫星的规划调度,是根据用户需求,合理分配卫星、地面站等星地资源,以满足未来日益增长的卫星使用需求。目前,多星多任务规划问题无论在国内国外都还是一个较新的研究课题,开展多星多任务规划问题研究,不仅可以从理论上探讨多颗卫星的规划调度方法,也可以满足卫星应用中的实际需求。传统的卫星类任务规划仅研究确定的任务和目标,对轨迹未知的动目标的规划研究鲜有成果,本文也对此进行了研究。首先,在分析和介绍一般性规划技术和目标搜索理论的基础上,引出卫星任务规划问题,将卫星任务规划划分成规划预处理和优化调度两个阶段。其中规划预处理过程是根据用户需求筛选卫星资源,确定每个观测任务的可选资源及时间段;优化调度则是根据规划目标来确定哪些任务被安排执行以及分配的资源和执行时间段。其次,在研究优化调度方法的过程中,采用三种模型描述简化后的问题,分别是混合整数规划模型,约束满足优化规划模型,以及将前两种模型结合起来的新模型,这是本文的一个创新点。针对不同模型研究不同的求解算法:用来求解混合整数规划模型的改进拉格朗日松弛算法,用来求解约束满足优化规划模型的模拟退火算法,以及用来求解新模型的启发式算法,这也是本文的一个创新点。在地面运动目标的规划问题上,以海洋运动目标为主要研究对象,通过“分析目标运动确定目标运动区域—〉确定目标在区域内的概率分布—〉结合卫星对区域覆盖特性进行区域划分—〉求出搜索策略及规划方案”,研究并解决了海洋移动目标的卫星规划问题。同时,提出了一种确定卫星搜索目标的探测函数的计算方法,用改进的信息熵与隶属函数结合的方法评估探测效能,这也是本文的创新。最后,通过一个设计的仿真算例,较完整的给出了卫星多任务规划处理过程,通过得到的数据结果和其它大量仿真验证,证明了本文提出的规划模型和算法是可行的、有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 现有研究的不足
• 1.3 本文的研究成果及创新点
• 1.4 本文的内容安排
• 第二章 规划技术
• 2.1 规划技术简介
• 2.2 约束满足问题
• 2.2.1 约束满足问题定义
• 2.2.2 约束满足问题求解方法
• 2.3 混合整数规划与约束满足优化规划
• 2.3.1 混合整数规划模型与约束满足优化规划模型
• 2.3.2 两类模型的结合
• 2.4 本章小结
• 第三章 目标搜索理论
• 3.1 目标搜索理论简介
• 3.2 静止目标搜索理论
• 3.2.1 目标初始位置概率分布
• 3.2.2 探测函数模型
• 3.2.3 搜索资源约束及搜索模型
• 3.2.4 模型求解
• 3.3 动目标搜索理论
• 3.3.1 目标运动描述
• 3.3.2 运动目标搜索模型
• 3.3.3 模型的求解
• 3.4 本章小结
• 第四章 对地观测卫星任务规划模型与算法
• 4.1 任务规划概述
• 4.2 任务规划MIP 模型及算法
• 4.2.1 规划准则
• 4.2.2 任务规划的MIP 模型
• 4.2.3 MIP 模型求解算法
• 4.2.4 实验结果
• 4.3 任务规划CSOP 模型及算法
• 4.3.1 任务规划的CSOP 模型
• 4.3.2 CSOP 模型的求解
• 4.3.3 实验结果
• 4.4 任务规划混合MIP/CSOP 模型及算法
• 4.4.1 混合MIP/CSOP 模型
• 4.4.2 启发式算法
• 4.4.3 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 地面运动目标搜索问题中的规划技术
• 5.1 卫星目标搜索概述
• 5.2 卫星对海洋移动目标的搜索技术
• 5.2.1 目标运动区域估计与划分
• 5.2.2 卫星搜索模型及探测函数的确定方法
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 仿真实例
• 6.1 任务规划问题设计
• 6.1.1 资源设计
• 6.1.2 任务设计
• 6.2 规划预处理
• 6.2.1 任务的分析和分解
• 6.2.2 规划预处理
• 6.3 规划结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在读期间发表和录用的论文
• 致谢