面向海洋机动目标跟踪监视的卫星重构组网优化与仿真

摘要： 针对海洋机动目标跟踪监视问题，提出通过卫星相位重构调整进行机动目标搜索跟踪的监视策略，构建地理坐标系下机动目标航位预测模型及基于霍曼转移的卫星调相组网方式，并采用NSGA II算法进行优化求解，对比分析卫星重构组网前后的机动目标发现概率.仿真结果表明：在卫星能量消耗允许范围内进行重构组网，能够有效提升对机动目标的发现概率，为海洋机动目标的搜索跟踪问题提供了一定的方法支持.     

基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法

针对区域侦察弹性星座重构问题,提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multi objective particle swarm optimization,MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法。该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构。首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的指标;其次对一箭多星发射过程和卫星相位机动过程进行了分析,对失效轨道面内剩余正常卫星采取均匀相位的策略。以恢复原有星座性能为目的,考虑最大重访时间、重构成本、重构时间及弹性,建立了重构时间和重构成本最优的重构优化模型。最后对MOPSO算法进行了改进,提出了基于学习机制的种群更新策略,通过变量转化将离散变量转化为连续变量,解决了重构优化模型中混合变量优化问题。针对某一受损星座进行仿真,重构时间最优的重构方案为发射6颗新卫星结合在轨卫星均匀相位;重构成本最优的重构方案为发射4颗新卫星结合在轨卫星均匀相位。案例表明提出的重构方法有效,可为侦察星座的建设提供参考。     

多变量全局寻优与智能优化在星座组网中的应用

顶层任务规划通常与星座组网紧密结合，小卫星分散灵活的特性尤其适用于星群规模化在轨运行。针对热点区域覆盖和全球覆盖的不同任务需求，提出了对构型多变量进行全局寻优和利用智能优化技术进行星座构型优化的方法，两种优化方法可分别获得小规模星群最优效能与超大型星群的较优效能。优化方法不受轨道类型和任务目标分布的约束，具有良好的鲁棒性。     

不规则区域成像覆盖星座构型优化设计

近年来卫星对地观测需要呈现逐年上升趋势.从单个目标点的对地观测卫星星座构型设计方法入手,推广为设计满足不规则大范围成像区域重访时间需求的卫星星座.以卫星数目最少及满足重访时间要求为优化目标,采用改进的模拟退火算法,结合改进的等面积网格点覆盖法,提出了一种针对不规则区域成像全覆盖的卫星星座构型优化设计方法.分析了光照因素对重访时间、所需卫星数目以及星座构型的影响,并通过仿真分析验证了算法的可行性.      

红外低轨星座突发任务多重策略调度方法

面向红外低轨星座的突发任务规划与资源调度问题，结合红外低轨星座的空间与时间分布特性，提出一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。所提方法结合红外低轨星座的设计特点，从星座全球分布的均匀性、结构的对称性及星座内卫星运动的周期性分析作为输入，提出一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在所提策略指导下完成任务分组，开展工作窗口调度。经仿真分析可得:所提策略可有效应对不同区域的目标触发，并实时完成分组及工作窗口规划调度，较好解决了任务突发情况下的系统响应，由于采用优先分组的策略，降低了全局优化的复杂度，具有创新性，且具备较好的应用价值。      

海洋一号卫星观测任务规划算法设计及系统应用

针对海洋一号卫星观测任务规划需求,提出并实现了基于遗传策略的任务规划框架,解决了卫星实际使用中成像任务受卫星其他业务影响的多类型约束成像规划问题。基于海洋一号卫星实际规划业务要求,对任务规划约束和优化目标建立数学模型,提出了由预处理、窗口约束处理和组合约束处理与优化组成的三阶段规划框架。设计了多约束任务规划优化目标函数,并利用交叉、变异和种群选择等遗传机制对优化问题进行了求解。基于海洋一号卫星实际观测需求数据,对提出的算法进行了有效性和性能验证,结果表明本算法能够给出满足多类型约束的观测规划方案,并在观测时间、观测覆盖率等方面较其他策略有显著提升。研究结果表明通过优化目标函数的设计遗传算法能够实现复杂约束条件的成像规划求解,算法框架可为与海洋卫星具有相似业务特点的对地观测规划系统设计提供借鉴。     

基于有向无圈图的敏捷卫星姿态机动策略

针对敏捷卫星一次过境时间内的同轨拼幅观测和同轨多点连续观测模式的姿态机动策略问题,提出一种基于时间序有向无圈图的敏捷卫星姿态机动策略算法.该算法首先将区域目标和点目标转化为若干条带目标,然后通过将各个条带的观测时间窗口离散成一系列带有条带信息的时刻点,构造时间序有向无圈图,将敏捷卫星对地观测姿态机动策略问题转换为图论的寻找最优路径问题.仿真算例表明,该算法能够有效解决敏捷卫星同轨拼幅观测和多点连续观测的姿态机动策略问题,获得最大化观测覆盖收益同时机动时间消耗最小的姿态机动方案.      

概念设计集成系统与星座方案探索

进一步研究了快速方案选择和概念设计新方法.结合概念设计过程,给出星座方案选择和卫星概念设计的基本模型,在方案探索和概念设计中集成了风险和不确定性分析;应用系统综合设计优化平台(SDOF)开发卫星星座概念设计集成系统,实现卫星星座方案探索优选;集成系统交互、演进、分布式协同设计,可自动运行优化过程,同时可监视和控制设计任务单元运行状况,优化完成后用户可定制设计报告内容和格式;最后介绍了对地观测卫星星座概念设计实例,采用多岛遗传算法进行优化,初步验证了该系统在技术原理上的可行性.      

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

基于SBV传感器的地球同步带目标监视系统星座设计

以天基可见光(Space-BasedVisible,SBV)传感器实现对整个地球同步带的监视为研究背景,对监视系统星座构型进行分析与设计.在分析三种观测模式优劣的基础上,给出了最优观测模式;导出了监视卫星轨道高度与搜索栅栏参数之间的关系,并以此确定了监视系统轨道高度的可选范围;通过分析影响天基可见光传感器观测时段和操作策略的因素,给出了SBV传感器的最优观测时段及成像时间的分配原则;在分析单星和双星监视系统方案覆盖率与重访次数的基础上,给出了监视系统卫星数目和搜索栅栏大小的选取原则以及满足回归性的双星监视系统轨道高度选取范围.研究结果表明,监视卫星经过天极附近时采用pinchpoints观测模式可有效提高对较大倾角地球同步轨道目标的覆盖能力,其轨道采用降交点在06:00LT或18:00LT时的太阳同步圆轨道,高度约在615～850km,且在此范围内有6条轨道满足星座回归性要求.      

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。     

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题,首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法,考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况,选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标,建立了轨位优化模型,并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析;然后,基于在轨备份星轨位的优化结果,建立在轨备份星替换的轨道机动模型,并综合考虑速度增量和替换时间,确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明,提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求,增强导航星座的服务性能,实现故障卫星的快速替换,可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

应急轨道机动变轨方案快速设计算法

为了满足应急轨道机动过程中测控约束和时间、燃料资源等各方面的要求 ,提出了一种变轨方案快速设计算法.给出了适用于变量搜索的轨道机动变轨模式,将变轨 方案快速设计问题转化成了约束优化问题;建立了完整的测控约束数学模型和对测控约束的 处理算法;然后利用遗传算法搜索出了同时满足测控约束条件和优化目标的变轨方案.算例 表明,利用此算法设计得到的变轨方案,能够满足应急轨道机动任务的需要.      

未知区域中四旋翼无人机集群协同搜索与围捕算法

四旋翼无人机集群可以被用来进行区域侦察,以建立对环境与兴趣目标的认知。为四旋翼无人机集群提出一种分布式协同搜索算法和动态目标包围技术，以解决在未探测区域定位和监测目标中所遇到的挑战。为降低所提算法的复杂度，通过栅格划分方法将任务区域划分为2级栅格子区域。考虑到动态目标的随机性，设计一种数字信息素来引导多无人机对任务区域进行2次搜索，并以快速搜索到目标为奖励函数，通过滚动优化决策得到最优解作为无人机的输入。然后，基于一致性协议设计一种多无人机协同跟踪与围捕协议，以获取动态目标的实时信息。数个仿真结果与室外飞行实验验证了所提算法能够使四旋翼无人机对未知区域中动态目标进行有效搜索与动态监视。     

基于快速响应的导航星座重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出发射快速响应卫星的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的.对快速响应任务中快速响应卫星的发射方式和入轨方式进行分析,建立快速响应卫星响应时间的数学模型;建立基于快速响应的重构构型优化模型,对优化问题中的优化变量、约束条件、目标函数进行分析;以北斗中MEO卫星失效为例,利用NSGA Ⅱ算法对优化模型进行求解,并采用双层编码的方式对优化参数进行编码得到以星座性能和响应时间为目标函数下的Pareto前沿.从结果可以看出该重构方法能有效提升受损星座的性能,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,响应时间均小于一天.     

基于改进的NSGA-Ⅱ算法的区域覆盖卫星星座优化

对基于Pareto最优概念的非劣性分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了改进，与区域覆盖卫星星座的多目标优化设计相结合，提出基于改进的NSGA-Ⅱ算法的区域覆盖卫星星座优化设计方法，并利用多属性决策中的字典序法，根据目标的重要程度，在得到的Pareto解中进行选择．最后，利用STK和Matlab工具对遥感卫星星座进行了仿真，仿真结果表明该算法可以找到多个Pareto解，避免了传统的多目标优化求解方法的权值选择问题，并且比简单遗传算法具有更好的灵活性，从而解决了多目标优化的星座设计问题。     

一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法

针对区域星座自主导航的任务需求,提出了一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法.介绍了该方法的实现原理,建立了系统状态模型和系统测量方程,并设计了适用于星座时间同步的Kalman滤波算法.仿真结果表明,该方法能够实现星座卫星的时间同步.     

多等级区域侦察弹性星座设计方法

针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题，提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计，直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例，首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束，构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座，共8个轨道面和70颗卫星，星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s，12241s和17437s，弹性指数为2213%，2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求，证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法，在同等设计要求下，Walker星座所需卫星数为156颗，多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座，结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。     

多约束多星快响巡察任务规划方法

多星快响巡察任务是指多个目标卫星出现不明状况,巡察服务平台在短时间内进行轨道转移,携带多个子航天器对目标进行飞越巡察。对于该问题的任务规划,首先基于共面机动给出了平台调相策略并建立了满足光照和机动能力等约束的巡察窗口筛选计算模型;其次提出了一种贪婪搜索和多轮规划的方法,用于确定任务分配方案和巡察次序;最后在高精度轨道模型下验证了方法的有效性并将该方法与混合编码遗传算法进行了对比。在算例中,该方法的优化效果稍优于混合编码遗传算法,而且求解效率是后者的约227倍,表明贪婪搜索和多轮规划方法更适用该问题的高效求解。     

GEO/IGSO混合区域导航星座的设计与优化算法

区域导航星座能够以较低成本和较短时间获得目标区域导航能力，且地球同步轨道是构建非极区区域导航星座的重要轨道类型。提出一种基于GEO（地球静止轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）的区域导航星座设计方法。基于星下点轨迹特性构造对称星座设计参数和优化参数集，并考虑地球扁率长期摄动影响，计算星座轨道参数。以导航服务区的统计GDOP（几何精度因子）为目标函数，利用差分进化算法构建星座优化模型。以印度IRNSS的7星星座为例，仿真检验了设计和优化算法的正确性，讨论了IRNSS星座优化构型和轨道类型选取。本方法采用的对称星座设计参数少，能够提升GEO/IGSO混合区域导航星座的全局优化效率，为后续非对称星座快速提供最佳星数和构型设计。