敏捷卫星对地观测任务规划

作     者：孟尊严 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：单洪颖

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081601[工学-大地测量学与测量工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：敏捷卫星 模拟退火算法 蚁群优化算法 任务规划 

摘      要：随着航天技术的飞速发展,对地观测需求呈现多样性变化,敏捷卫星对地观测引起了专家学者们更大的关注。敏捷卫星被广泛地布置在地球上空,相较于传统卫星,敏捷卫星展现出了更高的姿态调整精度与更为强大的姿态机动能力,这种先进性使其在空中执行多样化任务时更加灵活,能够迅速响应并高效完成各类复杂任务。同时,敏捷卫星携带各种类型的传感器,可以满足用户提出的多样化需求。因此,广泛应用于军事及民用对地观测任务中。 本文深入研究了多敏捷卫星对多地面目标观测的任务规划问题,构建了一个多目标规划模型。该模型的核心在于:将卫星成像收益、卫星的任务负荷平衡作为目标函数,最大化观测任务的收益和负载均衡度,确保卫星在执行任务时的稳定性和可持续性。同时,保证其他卫星得到充分利用,从而提高整个卫星系统的运行效率。此外,该模型还充分考虑了多种实际因素,如卫星的轨道特性、地面观测目标的成像偏好及观测优先级等。这些因素都被嵌入到模型中,使得模型能够更贴近实际情况,为实际应用提供准确而可靠的决策依据。 基于模拟退火算法和蚁群优化算法相结合的混合蚁群算法,兼顾了模拟退火算法的算法鲁棒性以及蚁群优化算法的全局搜索能力,可以解决多敏捷卫星观测多地面任务的大规模复杂性问题。本文在此前的研究基础上,提出了一种全新的迭代优化解生成方法,该算法可以保证初始解生成质量,同时,对蚁群算法的改进克服了求解过程中收敛速度过慢等问题,提升了求解效率。此外,本文还针对模拟退火算法和蚁群算法的特点,采用加权系数法与Pareto方法相结合的方式,来满足优化目标的求解需求,并采用全新的非支配策略及拥挤度计算理论,大幅度提升了非支配排序速度。通过数值仿真验证,使其与NSGA-Ⅱ算法的性能进行对比,验证了本文所提算法的优越性。通过两个仿真案例,对多敏捷卫星多地面目标观测的运行过程进行了仿真,验证了模型的正确性与算法的可行性。