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《国防科学技术大学》 2004年
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成像侦察卫星调度问题研究

贺仁杰  
【摘要】:成像侦察卫星调度是根据用户需求,合理分配卫星系统资源,充分发挥卫星系统的能力,以满足未来战争中日益增多的图像需求。成像侦察卫星实际是一种对地观测卫星,目前多颗观测卫星调度问题不论是在国外还是国内都是一个崭新的课题。于是,开展成像侦察卫星调度问题的研究,不仅可以从理论探讨多颗观测卫星调度方法,也可以满足成像侦察卫星应用中的实际需求。在对成像侦察卫星的工作原理和用户需求分析的基础上,本文建立了成像侦察卫星的调度模型,给出了相应的模型求解算法,并最终设计和实现了一个资源调度软件系统。本文的主要研究内容和创新成果如下: 首先,在分析成像侦察卫星的工作原理基础上,给出了成像侦察卫星调度中的主要约束条件,并且将成像侦察卫星调度分为预处理和优化两个阶段。其中预处理过程是根据用户需求来筛选卫星系统资源,确定每个观测任务的可选资源;优化过程是根据优化目标来确定哪些观测任务将安排执行以及为这些观测任务分配相应的资源和执行时间。通过采用调度预处理过程,可以事先筛选不可能完成的任务,降低需要调度的任务的数量,同时可以针对任务给出失败的原因。这是本文的一个主要创新点。 其次,在调度约束条件分析和一些基本假设的基础上,本文建立了成像侦察卫星调度问题两种调度模型:约束满足问题模型和混合整数规划模型,并给出了相应的的禁忌搜索和列生成算法。这是本文研究的另一个主要创新点。 在禁忌搜索算法研究中,本文给出了一种初始解生成算法,提出了一种结合约束满足和邻域搜索技术的禁忌搜索算法,并且给出了针对多卫星调度问题的几种特殊的邻域结构和邻域的可行性判断算法。为了降低邻域交换中移动可行性判断的计算时间,本文提出了一种多时间窗口条件下任务的后移空余时间的概念,用来计算在不违反其他任务时间约束的情况下任务的最大后移时间,并在此基础上计算活动在插入活动队列时的有效性。 在列生成法算法研究中,本文将多卫星调度问题分解为一个集合分割主问题和一个单卫星调度子问题,通过循环迭代来求解调度模型。在单卫星调度子问题求解中,论文将该问题转换为一个具有时间窗口约束的最短路问题,并给出了相应的求解算法。该最短路算法具有一般性,可以对存在负权回路图的最短路进行求解。 最后,在调度模型及算法的研究基础上,文中设计和实现了成像侦察卫星调度的软件系统。同国外类似系统相比较,本文建立的软件系统能对卫星资源进行可视化管理,通过调度预处理模块能自动分析任务的可以满足其要求的卫星系统资源,提前筛选不可能完成的任务,并给出具体的失败原因。此外,本文研究的软件系统能够提供多种图形方式展现调度方案,并完全集成了STK软件的三维仿真演示模块,能够有针对性的对卫星侦察监视任务进行三维仿真演示,使用户可以很方便对侦察任务进行分析。
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