带有时间依赖特征的主动推扫式敏捷卫星任务规划研究

Active-scanning agile satellites can not only maneuver along roll, pitch and yaw axis, but also maneuver while imaging. On one hand, the strong maneuver ability can efficiently improve the observing efficacy, on the other hand it brings out new problems such as non-tracking strip-partitioning and time-dependent features. Based on mission planning theory and methods, this work analyzes the ability of active-scanning agile satellites and various constraints during the observing procedure. Afterwards, several methods and techniques are studied such as two different non-tracking strip-partitioning methods for line-targets and area-targets, time-dependent imaging quality model, time-dependent imaging time model, time-dependent maneuvering time model, constraint propagation and incremental constraint checking of constraint network, multi-objective intelligent optimization algorithm aimed at time-dependent features. In such courses, problems are to be solved such as non-tracking strip-partitioning problem, the high computing spending problem brought by frequently evoking constraint check methods, and the multi-objective optimization problem of mission planning brought by time-dependent features. The contribution of the work will enrich and expand the research on mission planning theory and methods. It will contribute to improving the management of earth-observing systems of the country.

主动推扫式敏捷卫星不仅具有绕翻滚、俯仰和偏航三轴机动的能力，还能在成像的同时进行姿态机动。强大的姿态机动能力能够显著提高卫星的观测效率，也给任务规划问题带来非沿迹条带划分和时间依赖特征等新的难题。本课题基于任务规划调度理论和方法，分析主动推扫式敏捷卫星的能力和对地观测过程中的各种约束条件，研究针对线目标和区域目标的两类非沿迹条带划分方法、时间依赖成像质量模型、时间依赖成像时间模型、时间依赖姿态转换时间模型、约束网络中约束传播和增量式约束检查技术、针对时间依赖特征的多目标智能优化算法，解决非沿迹条带划分问题、迭代算法中需要频繁调用约束检查方法造成的高计算开销问题以及由于时间依赖特征造成的任务规划中多目标优化问题，丰富和扩展卫星任务规划的理论方法研究，对提升我国对地观测系统的管控水平具有重要意义。

和传统对地观测卫星相比，主动推扫式敏捷卫星具备三轴姿态机动能力。这一特点在提高卫星机动能力的同时，也给其规划调度带来了极大的挑战。具备时间依赖特征，是其区别于传统卫星规划调度的最显著的一点。本项目针对具有时间依赖特征的主动推扫式敏捷卫星任务规划开展研究。首先，提出基于推扫轨迹的条带模型，基于该模型建立了面向区域目标的非沿迹条带划分方法。其次，建立了给定转序下的姿态计算模型，并对目标观测时间与目标开始观测时间之间的时间依赖性进行了实验分析，提出时间依赖成像时间的处理方法。第三，建立了考虑时间窗口的时间依赖成像质量优化模型，提出了差异化控制遗传算法。考虑不同成像完成时刻对成像质量的影响，基于卫星对地观测时间窗口特点，建立了时间依赖成像质量优化模型。针对该问题优化过程中适应度评估函数出现的“平原”现象，设计了一种改进的差异化控制策略。该策略相比传统的海明距离更能够科学地衡量不同个体之间的真是差异，进而使得搜索策略跳出“平原”地区。最后，.结合敏捷卫星姿态转换时间的时间依赖特点，建立了一种能够兼容黑箱姿态转换模型的优化调度模型。该模型无需显式给定卫星姿态转换模型的数学解析式，在工程应用上有很强的适应性。针对该模型，设计了一种能够高效求解问题的自适应差分进化算法，该算法将转换时间约束检查及寻优过程转换成给定自变量取值下的有向无环图中的最长路径问题，然后采用自适应差分进化算法在搜索空间内寻找最优自变量。由于问题的离散组合优化特点，每代生成的试用个体进入下一代的比例偏低，容易造成某个变化较为剧烈的样本使统计之后的参数也发生剧烈的变化。本项目在自适应寻优过程中采用控制自适应参数调整的阈值，使得算法避免因偶然因素造成的参数大幅变化，实验结果表明，本方法针对时间依赖特点的敏捷卫星调度问题具有很高的求解效率。