天基海洋移动目标监视的联合调度问题研究

发布时间：2020-10-10 01:38

　　天基海洋移动目标监视具有覆盖区域广、安全性高、不受空域国界和地理条件限制等优点,在军事需求和民事应用中具有突出的战略意义和民用价值。当前如何充分利用卫星及其有效载荷,满足海洋移动目标监视的信息需求,增强海洋移动目标监视效能,是一个重要而紧迫的研究课题。海洋移动目标的动态性、卫星及其载荷类型的多样性给卫星任务计划编制增加了难度,只有建立有效的运行控制模式和多星联合调度的模型、算法,才能较好地安排观测任务、合理分配卫星资源。基于上述研究背景,本文主要研究工作和创新点体现在以下几个方面。 (1)对天基海洋移动目标监视联合调度问题的系统分析和形式化描述,建立联合调度问题的一般模型。系统分析了海洋移动目标、监视环境和卫星调度资源的特点。分析了海洋移动目标监视联合调度问题的不确定因素和业务流程,给出了联合调度问题的基本假设。对监视区域网格划分、过境观测窗口、联合调度任务、观测行动集、行动策略与优化目标等要素进行了定性和定量分析,给出了形式化描述。根据优化目标的短期性和长期性收益,建立了单阶段联合调度模型、反馈延时的单阶段联合调度模型和多阶段联合调度模型。 (2)提出卫星与地面目标的时空关系计算方法。提出了卫星与地面目标的时空计算方法,为调度预处理、目标与观测行动影响关系提供辅助计算支持。其中,侧摆观测算法根据已知卫星星下点位置和侧摆角,计算视场中心所观测的地面目标点位置。侧摆角及观测时刻算法用以确定卫星对目标的观测时刻及对应侧摆角。观测条带的网格覆盖检测算法用以判断卫星观测条带与监视区域中网格的覆盖关系。 (3)改进和扩充海洋移动目标运动预测方法,提出多模型运动预测方法。在目标不易区分情况下,运用带随机扰动的匀速运动预测方法。在目标可明确区分情况下,通过集成匀速运动预测、航迹变更预测、基于航迹的预测和潜在区域预测,根据预测前若干阶段中目标位置与各备选方法预测值的比较,在备选方法中选择当前预测阶段适宜采用的方法,建立多模型运动预测方法。 (4)提出海洋移动目标跟踪的粒子滤波算法。根据海洋移动目标特点和监视应用要求建立无数据关联的粒子滤波算法。算法根据多个移动目标的间隔距离自适应地选择目标粒子抽样方式,在无数据关联条件下目标区分的计算负担和目标状态估计精度两方面平衡算法的性能;运用Kmeans聚类方法调整粒子中对应不同目标的划分排序;引入地理约束对粒子权重的修正因子,处理位于大陆、岛屿等目标不可达区域的粒子。 (5)提出基于信息度量的单阶段联合调度方法。对Kullback-Leibler(KL)散度、信息熵、目标状态概率最大化的不同行动策略进行统计分析,在统计意义下论证了基于KL散度的观测行动收益最大化是较优的行动策略。给出了概率分布抽样粒子描述的单阶段期望收益表达式,以观测条带覆盖网格内期望信息收益最大化为行动策略,建立基于信息度量的单阶段联合调度算法。进一步考虑不同卫星过境观测窗口邻近或重叠时不能及时得到观测结果的影响,提出考虑反馈延时的单阶段联合调度算法。 (6)提出基于强化学习的多阶段联合调度方法。以长期观测收益最大化为优化目标,研究多阶段联合调度方法。分析了强化学习算法在本文研究背景下的应用优势。以期望信息收益作为强化学习算法的状态描述。考虑到实际应用中不同卫星遥感器可能具有不同控制或观测参数而导致离散行动规模不一致的缺陷,在连续行动空间建立行动集和行动选择方法。给出状态行动对的值函数以及使用神经网络近似估计值函数的学习算法,在连续行动空间上建立基于强化学习的多阶段联合调度算法。 (7)基于仿真的应用研究。通过仿真结构、流程和想定设计、调度预处理过程以及调度结果分析,给出更为贴近实际应用背景的仿真案例,验证本文提出方法的有效性。
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P714
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 国内外研究现状及评述
        1.2.1 最优搜索理论
        1.2.2 海洋移动目标运动预测方法
        1.2.3 卫星任务规划调度技术
        1.2.4 海洋移动目标监视相关研究
    1.3 论文主要工作和创新点
    1.4 论文组织结构
第二章天基海洋移动目标监视联合调度问题分析与建模
    2.1 海洋移动目标及监视环境
        2.1.1 海洋移动目标特点
        2.1.2 海洋监视环境特点
    2.2 联合调度资源
        2.2.1 海洋监视卫星分类及特点
        2.2.2 目标信息获取与处理能力
        2.2.3 卫星资源使用约束
        2.2.4 海洋监视卫星系统应用案例
    2.3 问题描述与建模
        2.3.1 不确定性因素
        2.3.2 业务流程与求解框架
        2.3.3 基本假设及问题简化
        2.3.4 联合调度问题的形式化描述
        2.3.5 联合调度问题的一般模型
    2.4 本章小结
第三章海洋移动目标运动预测与状态估计方法
    3.1 海洋移动目标与卫星观测的时空关系计算方法
        3.1.1 侧摆观测算法
        3.1.2 侧摆角及观测时刻算法
        3.1.3 观测条带的网格覆盖检测算法
        3.1.4 算例结果与分析
    3.2 海洋移动目标运动预测方法
        3.2.1 相关定义及条件假设
        3.2.2 海洋移动目标运动预测方法集
        3.2.3 海洋移动目标多模型运动预测方法
        3.2.4 算例结果与分析
    3.3 海洋移动目标状态估计方法
        3.3.1 粒子滤波研究现状及原理概述
        3.3.2 海洋移动目标跟踪监视的粒子滤波应用案例
        3.3.3 多目标跟踪的粒子滤波基本算法
        3.3.4 海洋移动目标跟踪的粒子滤波算法
        3.3.5 算例结果与分析
    3.4 本章小结
第四章基于信息度量的单阶段联合调度方法
    4.1 信息论方法原理概述
    4.2 监视信息度量方法
        4.2.1 信息度量
        4.2.2 统计学分析
    4.3 基于信息度量的单阶段联合调度算法
        4.3.1 单阶段期望信息收益
        4.3.2 粒子描述的单阶段期望信息收益
        4.3.3 传感器模型
        4.3.4 单阶段联合调度算法
        4.3.5 反馈延时的单阶段联合调度算法
    4.4 算例结果与分析
    4.5 本章小结
第五章基于强化学习的多阶段联合调度方法
    5.1 强化学习理论概述
        5.1.1 强化学习研究现状
        5.1.2 强化学习基本原理
    5.2 多阶段联合调度的强化学习算法
        5.2.1 输入状态的规范化描述
        5.2.2 阶段收益与值函数
        5.2.3 行动集与行动选择
        5.2.4 基于神经网络的值函数逼近器
        5.2.5 多阶段联合调度算法
    5.3 算例结果与分析
    5.4 本章小结
第六章天基海洋移动目标监视联合调度的应用研究
    6.1 仿真结构与流程设计
        6.1.1 仿真结构组成
        6.1.2 仿真主控流程
    6.2 仿真想定设计
        6.2.1 备选卫星资源设计
        6.2.2 监视区域及移动目标设计
    6.3 调度预处理
        6.3.1 卫星过境观测时间窗口计算
        6.3.2 光照条件与气象的影响
    6.4 算例结果与分析
    6.5 本章小结
第七章总结与展望
    7.1 本文总结
    7.2 研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果

【参考文献】