面向大区域观测的多星任务规划方法研究

作     者：赵彬智 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄卫权

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0835[工学-软件工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：敏捷卫星 大区域观测 多星协同 区域分解 优化算法 

摘      要：随着航空航天技术的长足发展,人类对卫星观测信息的需求更加多样。在实际的工程应用中,会遇到一些大区域的观测任务,需要对目标区域进行覆盖以获取有效信息。由于高分辨率敏捷卫星扫描幅宽和短时间内过境次数的限制,单颗卫星无法满足观测任务的时效性需求,需要多颗卫星协同来完成目标区域观测成像。目前,在大区域观测的多星任务规划研究中,所涉及卫星多为侧摆卫星,具有一定局限性,不适用于敏捷卫星。因此,如何利用多颗敏捷卫星实现大区域的协同观测仍需进一步研究。本文以大区域观测的多星任务规划为研究对象,对预处理阶段的区域分解方法进行研究,设计了基于卫星机动能力的区域分解方法;针对区域分解后的多颗敏捷卫星的分配问题,提出了基于分治策略的单目标多星任务规划算法和基于多目标优化的多星任务规划算法,通过仿真验证了所提出算法的有效性。首先,对大区域观测的多星任务规划问题进行分析,在合理假设的基础上对问题进行简化,归纳出约束条件和优化目标;设计了面向大区域观测的多星任务规划求解框架,为后续区域分解和模型构建提供理论支撑。其次,对预处理阶段的区域分解方法进行研究,提出了基于卫星机动能力的动态分解算法。针对多颗敏捷卫星大区域协同观测的特点,建立网格离散目标区域,结合卫星的机动能力、可见时间窗口等特征,利用网格构建卫星每次过境观测时的可选观测条带,完成对目标区域的分解;仿真结果表明,所提出算法相比于侧摆角离散的区域分解算法覆盖率收益提高约12%。然后,设计基于分治策略的单目标多星任务规划算法。针对大区域分解后的多颗敏捷卫星在多次过境下的卫星分配问题,设计分层框架将多星任务规划问题进行分解简化为成像任务的分配和单轨任务规划,构建最大覆盖率为优化目标的单目标优化模型;利用改进的人工蜂群算法分配成像条带,模拟退火算法进行单轨任务规划;将所有的过境轨道的任务规划方案合并后进行分析、评估,并将结果反馈至成像任务分配层,根据反馈信息再重新进行成像任务分配,得到最终的优化结果;仿真结果表明,所提出算法比遗传算法覆盖率收益提高约3.5%,相比于禁忌搜索算法覆盖率收益提高约为5.5%,能够实现多星任务规划问题的快速求解,在覆盖率收益和时间效率上表现出优秀的性能。最后,设计基于多目标优化的多星任务规划算法。为提高解的质量,以最大覆盖率和最少成像条带数为优化目标,建立了多目标任务规划模型,设计基于改进NSGA-Ⅱ的多星任务规划算法进行模型求解;仿真结果表明,所提出算法在覆盖率收益上比遗传算法提高约4%,覆盖率的增加不会花费大量的时间,能够在一定时间内取得效果较好的解。通过对比仿真验证,所提出的两种算法均可以有效的完成大区域观测的多星任务规划求解。