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成像卫星综合任务调度模型与优化方法研究

作　者: 王钧
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: 成像卫星综合任务调度多目标进化算法任务调度模型约束满足遗传算子
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

从太空中获取地面遥感信息的成像卫星是一类重要的对地观测卫星,在社会、科学和经济活动中发挥着越来越大的作用。近年来,成像卫星的性能不断提高、数量不断增加,越来越需要在地面指挥控制系统中对其进行综合任务调度。成像卫星的综合任务调度就是在满足各个卫星的成像约束条件下,确定各个卫星的成像方案,达到有效利用成像卫星资源的目的。目前,有关成像卫星的综合任务调度的研究还处于起步阶段,虽然已经取得了一些有价值的探索性成果,但是在理论研究和实际应用中都还存在许多亟需解决的问题。论文针对实际应用中成像卫星综合任务调度问题,在总结分析国内外相关工作的基础上,研究成像卫星任务调度的关键技术,涉及综合任务调度模式分析、数据预处理技术、问题分析模型、优化求解算法等几个方面。主要的工作和创新点包括:1、深入分析卫星成像过程、成像约束条件和地面指挥控制系统工作流程,研究了任务调度数据预处理技术,分析了任务调度的多目标求解方法,提出了解决卫星综合任务调度问题的两种模式——基于全局优化的模式和基于阶段优化的模式。2、基于全局优化模式,根据卫星的成像约束条件建立了多目标任务调度模型;在此基础上,根据成像卫星综合任务调度问题的特点,设计了0-1等长问题编码和成像约束满足遗传操作算子,引入了SPEA2进化算法中的适应值分配和精英解保持策略,提出了一种多目标综合任务调度算法,并对其算法收敛性和散布性进行了理论分析。实验表明,该方法能有效解决实际中不同问题规模下的成像卫星综合任务调度问题。3、采用阶段优化模式,建立了综合任务调度问题的多目标有向图模型,在此基础上提出了一种基于拍摄概率的成像任务预分配算法,将多颗卫星的综合任务调度问题分解到单颗卫星;通过对有向图模型中成像路径的分析,采用NSGA2多目标遗传算法框架,设计了变长自然序问题编码和成像路径约束满足的遗传算子,提出了单颗卫星任务调度问题的多目标成像路径搜索算法,实现对成像路径的优化搜索;实验表明其与成像任务预分配算法相配合能够较好地解决阶段优化模式下成像卫星综合任务调度问题。4、在基于阶段优化模式的综合任务调度中,分析了应急条件下卫星任务调度问题的特点,通过引入成像路径延迟支配的概念提出了一种基于标记更新思想的应急条件任务调度算法,理论分析和实验结果表明该算法能够快速生成问题的多目标优化解集。上述研究成果已经在实际的卫星任务调度系统中得到成功的应用,充分验证了论文中所提出的成像卫星综合调度优化技术的有效性和实用性。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-29
  1.1 课题背景与研究意义  15-18
    1.1.1 问题的提出  15-17
    1.1.2 研究意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-25
    1.2.1 问题分析模型  19-20
    1.2.2 优化求解算法  20-22
    1.2.3 研究现状的总结  22-25
  1.3 本文的主要工作  25-27
  1.4 论文组织结构  27-29
第二章成像卫星综合任务调度问题分析  29-53
  2.1 成像过程分析  29-35
    2.1.1 对地成像覆盖  29-32
    2.1.2 成像约束条件分析  32-34
    2.1.3 成像卫星数据传输  34-35
  2.2 成像卫星地面指挥控制系统结构分析  35-37
    2.2.1 指挥控制系统组织结构  35-36
    2.2.2 成像卫星指挥控制流程  36-37
  2.3 成像卫星综合任务调度模式分析  37-43
    2.3.1 成像卫星综合任务调度问题  37-38
    2.3.2 成像卫星综合任务调度模式框架  38-43
    2.3.3 任务调度结果的多目标评价  43
  2.4 任务调度的多目标求解方法分析  43-52
    2.4.1 多目标优化基本概念  43-47
    2.4.2 多目标优化求解策略  47-50
    2.4.3 多目标优化搜索  50-52
  2.5 小结  52-53
第三章基于全局优化的综合任务调度方法  53-80
  3.1 多目标综合任务调度问题模型  53-58
  3.2 多目标综合任务调度算法  58-68
    3.2.1 多目标进化算法结构  58-60
    3.2.2 SPEA2算法  60-62
    3.2.3 遗传算子设计  62-68
  3.3 任务调度算法效能分析  68-74
    3.3.1 散布性与收敛性  69-70
    3.3.2 任务调度算法收敛性定义  70-71
    3.3.3 任务调度算法收敛性分析  71-74
  3.4 实验与分析  74-79
    3.4.1 实验设计与参数设置  74-76
    3.4.2 实验结果与分析  76-79
  3.5 小结  79-80
第四章基于阶段优化的综合任务调度方法  80-104
  4.1 任务调度有向图模型  80-86
    4.1.1 有向图模型  81-83
    4.1.2 多目标成像路径  83-86
  4.2 成像任务预分配  86-89
  4.3 基于NSGA2的多目标成像路径搜索算法  89-93
    4.3.1 NSGA2算法  89-90
    4.3.2 遗传算子设计  90-92
    4.3.3 实验与分析  92-93
  4.4 应急条件下成像任务调度算法  93-103
    4.4.1 成像路径延迟支配  94-95
    4.4.2 应急条件下的任务调度算法  95-98
    4.4.3 算法性能分析  98-100
    4.4.4 实验与分析  100-103
  4.5 小结  103-104
第五章系统设计与实现  104-114
  5.1 应用功能需求  104
  5.2 系统设计实现的相关内容  104-113
    5.2.1 系统组织结构  104-106
    5.2.2 系统工作流程  106-113
  5.3 小结  113-114
第六章总结与展望  114-118
  6.1 主要研究成果  114-116
  6.2 进一步的研究方向  116-118
致谢  118-120
参考文献  120-131
攻读博士学位期间取得的学术成果  131-132
攻读博士学位期间参加和完成的科研项目  132

成像卫星综合任务调度模型与优化方法研究

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