敏捷卫星调度问题关键技术研究

发布时间：2017-11-12 16:21

  本文关键词：敏捷卫星调度问题关键技术研究

  更多相关文章： 敏捷卫星 区域目标分解 任务聚类 时间约束网络 智能优化算法

【摘要】：获取高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率成像数据已经成为支撑国民经济建设和保障国家安全的战略性需求。敏捷卫星利用搭载的高分辨率传感器,凭借其机动、灵活等特点,能够满足这一战略需求,大幅提高航天器的服务能力和效率。敏捷卫星的研发与发射是我国航天事业的重要转折。敏捷卫星具有绕任意欧拉轴(含滚动、俯仰、偏航)快速、稳定的成像能力,能够完成包括同轨多个热点目标定制成像、同轨大区域目标多条带拼接成像、同轨同一目标多视角立体成像和同轨非沿轨迹方向的目标推扫成像等复杂遥感成像飞行,如何能根据任务需求,制定科学、精准的调度策略,让高速运行的在轨卫星,完成上述复杂的机动组合动作,实现获取高空间分辨率和高时间分辨率影像的技术难题,已成为国内外敏捷卫星调度技术研究的关键问题。本文针对敏捷卫星调度技术关键问题,从成像任务预处理、调度模型和优化求解算法三个方面展开研究,以最大限度满足用户需求,提高敏捷卫星系统整体效能。具体研究内容如下：(1)从卫星工程系统的角度研究了成像卫星工作原理,详细阐述了与敏捷卫星调度问题密切相关的遥感卫星平台的轨道特性、敏捷姿态控制和成像传感器原理等主要内容；总结提出了敏捷卫星四种典型成像模式,敏捷成像模式增强了敏捷卫星调度的灵活性和完成复杂任务的可能性；从优化目标、成像任务、卫星资源和约束条件四个方面全方位描述了敏捷卫星调度问题,并在此基础上概括了问题的基本输入输出要素。(2)研究了卫星成像预处理过程中的两个关键问题：区域目标分解和点目标任务聚类。针对区域目标分解,首先分析了现有区域目标分解方法的特点和不足,然后在此基础上提出了一种面向敏捷卫星的区域目标动态分解法,该方法首先动态计算敏捷卫星观测摆角、幅宽和持续时间,再以平行条带分割区域目标,获得最小姿态调整时间,在此基础上设计等步长搜索算法求解对区域目标的最佳观测点,最后构建了包含四颗敏捷卫星GeoEye-1、WorldView-2、Pleiades-1A和SPOT-6的STK仿真场景,仿真结果验证了本方法能有效提高观测目标的覆盖率；针对密集点目标,采用任务聚类策略,分析了敏捷卫星任务聚类必须满足的俯仰、侧摆和成像空闲时间约束条件,并给出了聚类任务的观测角度和观测时间窗口的计算公式。在此基础上,建立了聚类图模型,给出了模型的构建算法,将任务聚类转换为团划分问题,并提出了一种基于启发式规则的团划分聚类算法,最后通过实验研究了点目标的分布特性、卫星敏捷性和成像传感器性能对任务聚类的影响。经过预处理,上述复杂任务统一描述为元任务即成像条带。(3)研究了半敏捷卫星的成像调度问题,通过将成像任务间的观测冲突和其他约束条件转换为二元和三元约束,建立了加权约束满足问题模型；提出了一种混合离散粒子群优化算法,该算法采用局部邻域拓扑结构,避免早熟收敛,同时引入了一种局部搜索策略提高局部寻优能力。在约束处理方面,提出了模糊修复加惩罚函数的策略。法国SPOT5卫星成像调度问题的基准测试函数运算结果表明了该算法的可行性和有效性。(4)研究了敏捷卫星调度不同于传统非敏捷卫星调度的时间约束特点,建立了基于时间约束网络的敏捷成像卫星调度问题优化模型,该模型引入了时间约束以表示敏捷卫星观测目标的开始时间是一个时间段而不是时间点的特性,并且把约束满足问题扩展为约束优化问题；提出了一种基于邻域搜索的优化算法,该算法融入了遗传算法的全局搜索能力和禁忌搜索的局部优化能力,在搜索过程中交替执行专门设计的四种邻域结构和交叉算子。实验分析表明了该算法的有效性。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V474;TP18

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李菊芳;贺仁杰;姚锋;谭跃进;;成像卫星集成调度的变邻域禁忌搜索算法[J];系统工程理论与实践;2013年12期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 陈成;时间依赖调度方法及在敏捷卫星任务规划中的应用研究[D];国防科学技术大学;2014年

2 阮启明;面向区域目标的成像侦察卫星调度问题研究[D];国防科学技术大学;2006年

，

本文编号：1176682