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成像卫星星地综合调度技术研究

作　者: 靳肖闪
导　师: 景宁
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 卫星对地成像应用星地综合调度模型置换表示置换搜索拉格朗日松弛
分类号: V556
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 142次
引　用: 15次
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内容摘要

卫星对地成像是获取地球表面信息的一种重要手段。当前社会经济和军事等领域的对地成像应用体现出成像区域分布广泛、观测频繁、成像方式多样、成像时效性强等特点,带来对地成像需求的快速增长。随着以多种类型成像卫星、地面接收站和中继卫星系统等组成的对地成像系统的发展,作为对地成像系统控制核心的控制中心需要从全局角度分配成像卫星和接收资源来进行星地资源的综合调度,以最大程度满足对地成像需求。然而,目前卫星对地成像调度研究大多集中在成像阶段的调度或接收阶段的调度,缺乏将成像过程和接收过程进行整体优化考虑的方法和技术。论文提出了星地资源综合调度的思想来解决卫星成像过程和数据接收过程的整体优化问题,以星地综合调度模型为基础,重点研究了基于置换表示的调度优化技术,并通过松弛优化方法验证了所提方法的有效性。主要工作和创新点包括:1、建立了包含多类型星地资源的星地综合调度数学模型。星地综合调度模型是星地综合调度研究的基础。论文分析了成像卫星和接收资源的工作特性,研究了星地综合调度问题的组成要素及其相互关系,提出了将成像活动和接收活动进行组合的星地综合调度数学模型,并可适应调度周期的变化。2、提出了基于置换表示的星地综合调度问题可行解表示方法。星地综合调度问题是非线性复杂约束优化问题,直接在问题空间上进行搜索时可行调度的构造和优化难以实现。为此,论文研究了基于置换表示的可行解表示方法,通过为置换序列分配星地资源,将可行调度优化转化为无约束空间上的搜索问题。3、研究了两类可行调度优化算法。最优调度的搜索由在置换空间上搜索具有最大评价值置换序列的过程实现。论文基于邻域图和对称群理论,分析了置换空间上交换邻域和插入邻域的性质,提出了具有简单结构的有记忆随机邻域搜索算法,可适应对调度优化时间的需要。为了获得更优化的调度,论文提出了一种混合遗传算法,在保留全局收敛性的同时,以邻域搜索算法增强了遗传算法的局部寻优能力。4、研究了基于拉格朗日松弛的星地综合调度可行解优化评价方法。星地综合调度是一类NP难解的组合最优化问题,优化算法只能在可接受花费下给出该问题的近似最优解,但所得可行解的优化程度需要其它优化方法来评价。论文基于具有多项式复杂度的最长路径算法和次梯度优化算法求解星地综合调度松弛问题,以获得原问题的紧致上界。实验结果显示,基于置换表示方式的可行解优化算法,所得可行解非常接近松弛方法所得上界,证明了论文提出的星地综合调度优化方法具有较高的优化能力,可以满足星地综合调度问题的优化需求。基于以上研究成果,论文最后设计并实现了星地综合调度实验系统,并应用于一类包含多颗成像卫星和多个地面站的全球目标观测应用,验证了所提出技术和方法的有效性。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-27
  1.1 课题背景与研究意义  15-19
    1.1.1 课题背景  15-16
    1.1.2 星地综合调度问题的产生  16-18
    1.1.3 星地综合调度研究的意义  18-19
  1.2 国内外研究现状  19-24
    1.2.1 国内外研究成果  19-23
    1.2.2 研究现状总结  23-24
  1.3 论文主要内容  24-25
  1.4 论文组织结构  25-27
第二章星地综合调度建模  27-51
  2.1 卫星对地成像过程分析  27-36
    2.1.1 成像卫星工作过程  28-31
    2.1.2 接收资源工作过程  31-34
    2.1.3 成像卫星与接收资源的配合  34-35
    2.1.4 多资源条件下的星地协同  35-36
  2.2 星地综合调度问题抽象  36-42
    2.2.1 调度问题的要素  36-37
    2.2.2 星地调度要素的表示  37-39
    2.2.3 对地成像任务的表示  39-42
  2.3 星地综合调度问题的数学模型  42-48
    2.3.1 决策变量  42
    2.3.2 约束条件  42-46
    2.3.3 优化目标  46-48
  2.4 星地综合调度模型分析  48-49
    2.4.1 模型的完整性  48
    2.4.2 模型的扩展性  48-49
    2.4.3 模型的复杂性  49
  2.5 小结  49-51
第三章星地综合调度可行解表示方法  51-73
  3.1 问题编码及约束处理方法的选择  52-54
    3.1.1 问题编码  52
    3.1.2 约束处理方法  52-53
    3.1.3 基于置换表示的问题编码及约束处理方法  53-54
  3.2 星地综合调度中的资源分配  54-56
    3.2.1 星地资源的表示  54
    3.2.2 对地成像任务的执行时段  54-55
    3.2.3 任务与资源分配关系的表示  55-56
  3.3 置换序列的资源分配算法  56-65
    3.3.1 最优资源分配原则  56-57
    3.3.2 任务置换序列及其资源分配算法  57-62
    3.3.3 混合置换序列及其资源分配算法  62-64
    3.3.4 任务置换序列和混合置换序列的对比  64-65
  3.4 置换序列表示能力分析  65-68
    3.4.1 在其它卫星成像调度问题上的应用  65-66
    3.4.2 与二进制表示方式的对比  66-68
  3.5 实验验证  68-71
    3.5.1 实验环境与数据  68-69
    3.5.2 资源数量固定时的实验过程与结果  69-70
    3.5.3 RAHPE算法耗时与卫星数量的关系  70-71
    3.5.4 实验结论  71
  3.6 小结  71-73
第四章星地综合调度可行解优化算法  73-100
  4.1 最优化搜索方法概述  74-77
    4.1.1 搜索算法的框架  74-76
    4.1.2 若干收敛性结论  76-77
  4.2 单点搜索算法  77-86
    4.2.1 邻域及其在置换空间上的性质  77-84
    4.2.2 邻域搜索算法的实现  84-86
  4.3 群体搜索算法  86-94
    4.3.1 解集的基本操作  87-92
    4.3.2 群体搜索算法的实现  92-94
  4.4 实验验证  94-99
    4.4.1 实验环境与数据  94
    4.4.2 资源数量固定时的实验过程与结果  94-98
    4.4.3 卫星数量对两类优化算法的影响  98
    4.4.4 实验结论  98-99
  4.5 小结  99-100
第五章星地综合调度可行解优化评价方法  100-117
  5.1 松弛方法概述  101-106
    5.1.1 松弛方法的原理  101-103
    5.1.2 几种松弛方法的比较  103-105
    5.1.3 关于松弛方法若干结论  105-106
  5.2 星地综合调度问题的松弛化处理  106-108
    5.2.1 多卫星成像调度问题  107
    5.2.2 成像调度问题的松弛形式  107-108
  5.3 松弛问题及对偶问题的求解  108-113
    5.3.1 基于最长路径算法求解松弛问题  108-110
    5.3.2 基于次梯度优化求解对偶问题  110-113
  5.4 实验验证  113-116
    5.4.1 实验环境  113
    5.4.2 实验过程与结果  113-115
    5.4.3 实验结论  115-116
  5.5 小结  116-117
第六章实验系统与典型应用  117-126
  6.1 实验系统总体设计  117-118
  6.2 实验系统实现与典型应用  118-125
    6.2.1 实验系统的实现  118-123
    6.2.2 实验系统典型应用  123-125
  6.3 小结  125-126
第七章总结与展望  126-129
  7.1 主要研究成果  126-127
  7.2 进一步的研究工作  127-129
致谢  129-131
参考文献  131-141
攻读博士学位期间发表的课题相关论文  141
攻读博士学位期间完成的课题相关科研项目和成果  141

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