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天基预警低轨星座星载传感器资源管理与预警探测任务调度问题研究

作　者: 汤绍勋
导　师: 罗雪山
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 军队指挥学
关键词: 天基跟踪与监视系统星载传感器资源管理预警探测任务调度闭环控制滚动时域控制自治运营
分类号: V474.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

天基预警卫星系统作为弹道导弹防御系统部署在太空的“耳目”,是弹道导弹防御系统的重要组成部分。早期的预警卫星系统能提供导弹发射的大致方位、导弹落点的区域范围,以及有限的弹道信息;而美国目前正在发展的新一代预警卫星系统—“天基跟踪与监视系统”(STSS,Space Tracking and Surveillance System),能够对飞行中的弹道导弹提供精确的跟踪和监视能力。本文以美国STSS系统基本结构和功能为参照,针对低轨预警星座对中远程弹道导弹飞行中段的精确跟踪和探测任务,逐渐深入的展开对星载传感器资源管理和预警探测任务调度问题的研究和探讨。星载传感器资源管理和预警探测任务调度问题与传统的传感器资源管理和任务调度问题不同。首先,星载传感器资源随预警卫星环绕地球轨道作周期性动态运动;其次,弹道导弹目标具有极快速移动特性。因此,预警探测任务的执行面临着动态性、随机性,以及各种不确定性因素的影响,且具有强实时性要求,加之弹道目标同星载传感器资源之间复杂的对应可视关系,都极大地增加了星载传感器资源管理和任务调度问题的难度。本文研究内容主要包括以下几个方面:(1)基于传感器资源管理反馈构建预警探测任务系统闭环控制模式借鉴多传感器数据融合系统的闭环控制结构,提出了基于星载传感器资源管理反馈的预警探测任务系统闭环控制模式,构建具有反馈结构的的预警探测任务系统结构,并具体的分析了星载传感器资源管理的功能模型和体系架构。星载传感器资源管理子系统作为闭环控制模式的反馈环节,有利于实现整个任务系统的实时调整和迭代优化。(2)基于滚动时域控制理论对预警探测任务调度问题进行深入的分析滚动时域控制理论将反馈与优化有机结合,其实质是用随时间反复进行的一系列小规模优化问题的求解过程来替代大规模优化问题的求解过程,以达到在优化的前提下降低计算量并减少不确定性的目的。本文基于滚动时域控制理论对预警探测任务的调度时机、调度策略和调度评价等问题进行了详细、深入的分析,为建立预警探测任务调度模型和设计调度算法提供了坚实的理论依据。(3)基于Multi-Agent的预警探测任务调度系统自治运营结构在闭环控制模式和滚动时域调度理论的基础上,本文提出并构建了基于Multi-Agent的预警探测任务调度系统自治运营结构,这也是当前多卫星系统发展的必然趋势。并通过对预警卫星系统自治性的分析和研究,对基于Multi-Agent的预警探测任务调度系统的体系结构、通信机制和协商机制等展开深入的分析。(4)构建调度模型和设计调度算法建立了基于滚动周期调度窗口的静态预测式调度模型以及基于动态扰动事件点的动态反应式调度模型,并设计了基于遗传操作的粒子群优化调度算法(GOBPSO)和基于Multi-Agent协商机制的动态调度算法(MANSA)。基于遗传操作的粒子群优化算法用以解决滚动周期调度窗口内的静态调度问题,基于Multi-Agent协商机制的调度算法用以解决动态扰动产生情况下的动态调度问题。(5)仿真系统设计和算法验证以远程弹道导弹预警探测任务为背景,构建了原型仿真系统,并设计了典型实验方案,通过对多种算法进行仿真比较,验证了GOBPSO算法和MANSA算法的多项性能指标。本文从理论分析和实验验证两个方面,对天基预警卫星系统星载传感器资源管理和预警探测任务调度问题展开了深入的分析和研究,实验结果表明,本文所提的方法和理论是有效的、可行的,为进一步展开研究提供了良好的依据。

全文目录

表目录  8-9
图目录  9-12
摘要  12-14
Abstract  14-16
第一章绪论  16-42
  1.1 研究背景  16-17
  1.2 相关领域及其国内外研究现状  17-38
    1.2.1 天基预警卫星系统发展与现状  18-22
    1.2.2 传感器资源管理方法研究现状  22-27
    1.2.3 传感器任务调度问题研究现状  27-33
    1.2.4 国内对预警卫星系统的研究现状  33-36
    1.2.5 相关领域现有研究的可借鉴之处与不足  36-38
  1.3 本文的主要工作  38-42
    1.3.1 研究思路与主要研究内容  38-39
    1.3.2 本文主要创新点  39-40
    1.3.3 论文的组织结构  40-42
第二章低轨预警卫星系统星载传感器资源和预警探测任务  42-56
  2.1 低轨预警卫星系统的基本结构和功能  42-44
    2.1.1 低轨预警卫星系统的基本结构  42-43
    2.1.2 低轨预警卫星系统的基本功能  43-44
  2.2 星载传感器资源的工作模式和预警探测能力  44-49
    2.2.1 星载传感器资源的工作模式分析  44-46
    2.2.2 星载传感器资源的探测能力分析  46-49
  2.3 天基预警探测任务的执行过程与特点  49-52
    2.3.1 天基预警探测任务的执行过程  49-51
    2.3.2 天基预警探测任务的特性分析  51-52
  2.4 星载传感器资源管理与预警探测任务调度问题求解框架  52-55
    2.4.1 总体求解框架构建  52-53
    2.4.2 具体求解策略分析  53-55
  2.5 本章小结  55-56
第三章基于传感器资源管理反馈的预警探测任务系统闭环控制模式  56-69
  3.1 闭环控制的反馈回路和执行过程  56-58
    3.1.1 闭环控制的反馈回路  56-57
    3.1.2 闭环控制的执行过程  57-58
  3.2 预警探测任务系统闭环控制模式  58-62
    3.2.1 预警探测任务系统闭环控制模式结构分析  58-60
    3.2.2 预警探测任务系统闭环控制模式功能分析  60-62
  3.3 星载传感器资源管理的功能模型  62-65
    3.3.1 星载传感器资源管理的功能模型  62-65
    3.3.2 星载传感器资源管理的主要作用  65
  3.4 星载传感器资源管理的体系架构  65-68
    3.4.1 星载传感器资源管理的特性分析  65-66
    3.4.2 星载传感器资源管理的体系架构  66-68
  3.5 本章小结  68-69
第四章基于滚动时域理论的预警探测任务调度问题分析与研究  69-96
  4.1 预警探测任务和预警探测任务调度  69-70
    4.1.1 预警探测任务研究范畴  69
    4.1.2 预警探测任务调度问题  69-70
  4.2 预警探测任务调度问题的基本理论依据  70-74
    4.2.1 模型预测控制原理  70-72
    4.2.2 滚动时域调度策略  72-74
  4.3 预警探测任务调度时机问题分析  74-77
    4.3.1 滚动周期调度窗口  74-76
    4.3.2 动态事件重调度点  76-77
  4.4 预警探测任务调度的策略问题分析  77-93
    4.4.1 滚动周期调度窗口内的调度策略  77-92
    4.4.2 动态事件重调度点处的调度策略  92-93
  4.5 预警探测任务调度的性能评价问题分析  93-95
  4.6 本章小结  95-96
第五章基于Multi-Agent 的预警探测任务调度系统的分析与研究  96-121
  5.1 预警探测任务调度问题的需求分析  96-98
    5.1.1 全局任务调度需求分析  96-98
    5.1.2 局部任务调度需求分析  98
  5.2 预警卫星系统自治性分析  98-108
    5.2.1 自治性体系结构与实现策略分析  98-105
    5.2.2 自治性功能行为与功能结构分析  105-108
  5.3 基于Multi-Agent 生产调度系统分析  108-110
    5.3.1 实体型Multi-Agent 调度系统  109
    5.3.2 过程型Multi-Agent 调度系统  109-110
  5.4 基于Multi-Agent 的预警探测任务调度系统分析和设计  110-120
    5.4.1 Agent 设计  111-115
    5.4.2 体系结构  115-117
    5.4.3 协商机制  117-118
    5.4.4 通信机制  118-120
  5.5 本章小结  120-121
第六章预警探测任务调度模型与算法的分析与设计  121-150
  6.1 基于Multi-Agent 与智能优化算法的相结合的混合调度算法  121-123
    6.1.1 智能优化调度算法的引进  121-122
    6.1.2 混合调度算法的基本思想  122-123
  6.2 调度周期内静态预测式调度模型  123-133
    6.2.1 符号描述  123-125
    6.2.2 目标函数  125-130
    6.2.3 约束条件  130-133
    6.2.4 调度模型  133
  6.3 动态事件点动态反应式调度模型  133-137
    6.3.1 动态事件类型  133-134
    6.3.2 动态重调度策略  134-135
    6.3.3 动态重调度模型  135-137
  6.4 基本粒子群算法的分析  137-141
    6.4.1 基本粒子群算法的基本思想  137-139
    6.4.2 基本粒子群算法的运行流程  139-140
    6.4.3 优势与需要解决的关键问题  140-141
  6.5 改进的粒子群算法设计  141-149
    6.5.1 问题域描述  141-142
    6.5.2 粒子编、解码机制  142-146
    6.5.3 粒子群初始化机制  146
    6.5.4 粒子位置更新机制  146-149
    6.5.5 算法运行流程  149
  6.6 本章小结  149-150
第七章原型系统的设计与仿真验证  150-167
  7.1 仿真系统设计  150-156
    7.1.1 总体架构  150-151
    7.1.2 星座设计  151-154
    7.1.3 导弹设计  154-156
  7.2 仿真验证的内容和实验方案  156-159
    7.2.1 验证内容  156-158
    7.2.2 实验方案  158-159
  7.3 仿真结果与分析  159-166
    7.3.1 仿真结果  159-164
    7.3.2 分析与结论  164-166
  7.4 本章小结  166-167
第八章总结与展望  167-169
  8.1 本文总结  167-168
  8.2 进一步研究与展望  168-169
致谢  169-170
参考文献  170-180
作者在学期间取得的学术成果  180

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