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多星地面站测控调度多目标优化研究

作　者: 卜慧蛟
导　师: 周建平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 测控调度多目标优化目标分层法遗传算法 NSGA-Ⅱ算法测控管理软件
分类号: V556
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

多星地面站测控调度是解决有限地面站测控资源与不断增长的卫星测控需求之间矛盾的关键技术。多星地面站测控调度问题本质是一个多目标组合优化问题,本文研究了多星地面站测控调度的多目标优化策略,主要研究成果如下:建立了多目标函数的多星地面站测控调度模型。依据卫星测控原理、过程及卫星轨道覆盖,提出了考虑可见弧段之间冲突和满足地面站测控设备转换时间的多星地面站测控调度约束条件,根据相应的测控需求以及测控规则,给出了测控时长、卫星优先级、地面站优先级以及地面站测控网效率四个目标函数,以可测弧段为设计变量,建立了四目标函数的多星地面站测控调度模型。研究了多星地面站测控调度经典多目标优化策略。1)运用加权法将多星地面站测控调度问题的多目标函数转化为单目标函数;针对多星地面站测控调度问题冲突约束多,可行解少的性质,提出了基于非可行解修复的遗传算法的求解策略,与穷举法对比验证了其有效性,通过多次仿真实验验证了其可靠性;2)基于目标分层多目标优化思想,采用非可行解修复遗传算法按顺序逐个扩展优化单目标模型,并进行反序优化,对两种优化顺序求解结果的对比分析表明:目标顺序在优化中对目标满意程度有显著影响。研究了多星地面站测控调度多目标进化优化策略。1)给出了多目标进化算法优化多星地面站测控调度问题的模型,采用NSGA-II算法成功获得了Pareto最优前沿;2)对比分析了加权法、目标分层法以及NSGA-II算法获得的目标函数值以及可测弧段个数,然后通过甘特图将不同计算方法得到的调度策略进行比较,分析表明NSGA-II算法求解得到的调度策略效果最好。开发了卫星测控管理仿真软件。分别设计了通用基础子系统和多星地面站测控调度子系统功能模块,以及不同模块之间的数据关系;开发了具备卫星轨道仿真、地面站测控覆盖分析和多星地面站测控调度功能的卫星测控管理仿真软件。论文结合国内外研究经验,建立了多星地面站测控调度多目标优化模型,并分别实现了多星地面站测控调度经典多目标优化策略与多星地面站测控调度多目标进化策略,开发了卫星测控管理仿真软件。论文的研究成果具有一定的理论意义和实践价值,可以为测控部门实施多星地面站测控调度提供参考。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-20
  1.1 研究背景  13-16
    1.1.1 测控系统概述  13
    1.1.2 多星地面站测控调度概述  13-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
    1.2.1 建模与算法研究  16-17
    1.2.2 测控调度软件研制  17-18
  1.3 本文研究的意义  18
  1.4 本文主要研究内容  18-20
第二章多星地面站测控调度建模  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 卫星测控概述  20-25
    2.2.1 卫星测控原理  20-23
    2.2.2 卫星测控过程  23-24
    2.2.3 卫星轨道覆盖分析  24-25
  2.3 多星地面站测控调度建模  25-28
    2.3.1 设计变量  26
    2.3.2 约束条件  26-27
    2.3.3 目标函数  27-28
  2.4 多目标优化概述  28-31
    2.4.1 多目标优化问题描述  28-29
    2.4.2 多目标优化问题最优解  29-30
    2.4.3 多目标优化算法  30-31
  2.5 小结  31-32
第三章多星地面站测控调度经典多目标优化求解  32-57
  3.1 引言  32
  3.2 经典多目标优化方法  32-36
    3.2.1 加权法  32-34
    3.2.2 目标分层法  34-36
  3.3 基于加权法的穷举法求解  36-39
    3.3.1 穷举法  36
    3.3.2 基于加权法的多星地面站测控调度穷举法求解  36-37
    3.3.3 算例仿真  37-39
  3.4 基于加权法的遗传算法求解  39-48
    3.4.1 遗传算法  39-40
    3.4.2 遗传算法改进措施及求解流程  40-43
    3.4.3 算例仿真  43-46
    3.4.4 非可行解修复遗传算法可靠性分析  46-48
  3.5 基于目标分层法的遗传算法求解  48-55
    3.5.1 基于目标分层法的多星地面站测控调度遗传算法求解  48-49
    3.5.2 算例仿真  49-55
  3.6 小结  55-57
第四章多星地面站测控调度多目标进化求解  57-74
  4.1 引言  57
  4.2 多星地面站测控调度多目标进化策略  57-59
    4.2.1 NSGA-Ⅱ算法  57-59
    4.2.2 优化模型  59
  4.3 算例仿真及分析  59-64
    4.3.1 算例配置  59-60
    4.3.2 策略结果  60-61
    4.3.3 Pareto最优前沿分析  61-64
  4.4 不同方法计算结果对比分析  64-73
    4.4.1 目标函数值对比分析  64-68
    4.4.2 不同方法求解结果甘特图对比分析  68-73
  4.5 小结  73-74
第五章卫星测控管理仿真软件  74-90
  5.1 引言  74
  5.2 软件需求分析  74-75
    5.2.1 软件功能分析  74-75
    5.2.2 软件性能分析  75
  5.3 软件设计与实现  75-79
    5.3.1 通用基础子系统  76-78
    5.3.2 多星地面站测控调度子系统  78-79
    5.3.3 软件实现  79
  5.4 软件接口设计  79-80
    5.4.1 内部接口  79-80
    5.4.2 外部接口  80
  5.5 软件运行说明  80-88
    5.5.1 自主运行方式  80-86
    5.5.2 读入STK文件运行方式  86-88
  5.6 小结  88-90
结束语  90-92
  论文的主要研究成果  90-91
  进一步工作的展望  91-92
致谢  92-93
参考文献  93-97
作者在学期间取得的学术成果  97
  主要发表于期刊及学术会议论文  97
  主要参与科研任务  97

多星地面站测控调度多目标优化研究

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