线性规划在空间目标与碎片观测中的应用

随着人类航天活动的深入开展，为保障载人航天、应用工作卫星等航天器安全等，对空间目标与碎片跟踪观测，掌握其轨道运动规律，越来越为重要。由于空间目标与碎片数量众多，现有观测设备与网络仍不能满足需求，如何对观测计划进行优化，充分发挥现有观测设备的效能就成为研究的重点。本项研究首次将线性规划应用到空间目标与碎片观测中，采用线性规划方法开展相关研究，充分发挥现有观测设备与观测网的效能。课题将针对空间目标与碎片观测实际问题，明确优化问题中的基本要素。对低轨道和中高轨道空间目标与碎片不同的轨道运动规律，分别建立相应的数学模型。在建立完整数学模型基础上，结合空间目标与碎片的轨道实际运动规律和观测实际情况，实现实用的模型与方法，通过线性规划求解进行优化。本项目研究成果能够充分地发挥现有观测设备与网络的效能，随着观测设备与网络的发展，这种优化将发挥更大的作用。

空间目标与碎片由于和人类活动密切相关，因此越来越得到人们的关注。面对众多的空间目标，现有观测资源仍然不足，因此提高观测效率也成为提高观测能力最快捷和重要的途径。空间目标光电跟踪是空间目标编目的重要手段，过去对于空间目标管理主要是少量重点低轨道目标的管理，因此在光电观测中对空间目标实施全过境弧段的跟踪观测。随着空间活动越来越多，需要管理的空间目标数量也大大增加，逐步发展到对低中高轨道各空域空间目标的管理。因此需要有一种有效的跟踪调度方式，以求最大程度的发挥现有观测资源，以实现最优的空间目标编目。.　　　在跟踪模式中，一台设备同时只能对一个目标进行观测，而大量空间目标的过境时间总存在冲突，因此跟踪调度的本质是弧段的选择问题，既能消除需求弧段之间的冲突，又能有利于编目定轨的计算。.　　　本项目研究以光电观测为背景，系统探讨了跟踪调度问题。分别实现了低轨道空间目标跟踪调度优化模型、中高轨道空间目标跟踪调度优化模型以及空间目标的分配模型。通过建模与变换，所有模型均实现了线性化，可采用线性规划求解方法求解，可以处理规模很大的问题，满足大量目标观测的需求。由于模型中采用了0-1变量，因此模型求解是NP的，计算十分困难。通过对模型进行了优化，减少优化变量，使得计算需求能够满足实际使用的需求。并通过分层优化模型实现了多目标的优化，更好符合实际观测的需求。完成了优化软件的编制，软件开放了优化参数，提供多种优化模式，在中科院网内试用效果良好，观测效率提高75%，目前已在野外台站作为常规计划生成和优化软件。.　　　在低轨道跟踪优化调度方面，不同于过去研究只对整个过境弧段进行选取，实现了对于子弧段的选取，更加充分利用观测时间，提高观测目标数量。.　　　在高轨道跟踪优化调度方面，提出了时间离散化的思想，将弧段切分问题转化为指派问题，从而将各种非线性因素可通过参量形式引入模型，扩大了模型的适用性。.　　　在空间目标分配方面，首次将编目过程考虑为随机过程，提出了编目效率作为观测量需求的定量衡量，并给出了具体计算方法。.　　　在建模过程中，将建模技巧和线性规划求解方法应用到了轨道计算上，提出了一种稳健初轨计算方法，和已有方法相比无需初值和门限设定，并具有较高的崩溃点。.　　　本项研究系统的建立了空间目标跟踪调度数学框架，同时具有很强的实用性，当前计算能力能够满足计算需求，计算时间能够满足日常使