对地观测卫星任务规划问题研究

对地观测卫星任务规划是为了最大限度地满足用户的需求，对系统资源和活动进行规划与调度的过程。合理的任务规划是提高航天资源使用效益的重要手段。论文主要分析了对地观测卫星任务规划问题的主要特点，总结了这一问题的若干常用建模方法和求解技术，并探讨了对地观测卫星任务规划技术的未来发展趋势。     

基于地面任务-空间姿态映射的敏捷卫星任务规划

面向观测时间窗口相互重叠的多点目标观测任务需求,对敏捷卫星单星单轨任务规划问题进行研究。针对传统方法在卫星机动能力受限和成像任务冗余两种情况下求解效率低的缺陷,引入任务-姿态协同规划思想。首先,建立地面任务和空间姿态映射关系,并考虑相邻任务间姿态机动时间的最优性使得卫星在观测相邻任务时无多余等待时间,以此来设计任务-姿态协同规划数学模型。其次,根据任务-姿态协同规划数学模型,设计自适应伪谱遗传算法（APGA）,用以求解满足调整时间最优性的敏捷卫星任务规划问题。最后,通过仿真实验,验证了模型和算法能够有效地解决传统算法求解敏捷卫星任务规划问题时存在的求解效率低的缺陷。     

人工智能在卫星任务规划中的应用

智能规划与调度是实现卫星自主规划其飞行任务的关键。将人工智能方法应用于卫星的任务规划,以执行对地观测任务为例,将任务规划问题归于组合优化问题,建立了相应的数学模型,并应用Hopfield神经网络算法进行求解,结果表明,该方法可用于单个仪器的任务规划。     

一种基于优先级的卫星成像任务快速规划流程

针对现有卫星成像任务规划算法模型复杂、计算量大、难以满足快速成像任务规划需求的问题,对成像任务规划中的各个过程进行了分析和分解,讨论了点目标可见预报算法及任务规划过程,建立了星历和星下点计算模型,给出了基于目标的重要程度和紧急程度的成像任务优先级确定方法,通过分析无侧摆和有侧摆卫星任务规划的特点,设计了一种基于观测目标优先级的成像任务规划流程,能够通过分布式或并行计算,实现成像任务快速规划。     

基于执行时段滑动调整策略的中继卫星任务规划算法设计

针对中继卫星任务规划问题开展研究,提出一种基于执行时段滑动调整策略的任务规划算法。首先分析了中继卫星资源调度过程,并对任务申请的时间特征进行形式化描述,然后归纳出任务分配的主要约束,从而完成问题建模。在此基础上,对优化算法进行设计,给出了执行时段滑动调整步骤。通过调整已规划任务执行时段的方法,使部分原本无法执行任务具备执行可能,提升了任务执行率和资源利用率。在仿真实验中,通过大规模测试分析对比不同算法的优化效果,验证了文中所提方法的有效性。     

模块化可重构卫星在轨自重构的分层规划

模块化可重构卫星具有组织灵活、操作方便、适应性强等特点，可以有效降低卫星研制和发射成本、提高卫星对紧急任务的响应速度、延长卫星寿命。重构规划问题对模块的具体移动方式进行求解，是实现自重构需要解决的核心问题之一。针对同构式旋转立方结构，给出其离散运动模型，推导出运动空间求解算法。为降低重构规划问题的不确定性和复杂程度，采用分层规划策略，将规划任务分解为设计中间构型的上层规划和求解实现中间构型移动方式的下层规划，每层规划内部独立进行求解。设计了利用Kuhn-Munkres算法实现上层规划的重构规划算法，使中间构型具有较小的结构跨度，特别适合在轨自重构的重构规划问题求解。仿真结果表明了所提规划策略和所设计规划算法的可行性和有效性。     

一种基于偏好MOEA的卫星地面站资源多目标优化算法

随着中国航天事业的发展,卫星地面站资源匮乏问题日益突出,需要对其进行统筹优化使用。因此,卫星地面站资源规划问题得到了广泛关注。在分析问题特点的基础上,对用户规划结果的偏好信息进行建模表达,建立了涵盖用户偏好的多目标数学规划模型,提出了基于偏好多目标进化算法的卫星地面站资源规划算法。为了进一步提升算法性能,设计了基于领域知识的启发式策略,包括：任务扩充策略、冲突消解策略以及任务缩减策略等。实验结果表明,与现有算法相比,用户偏好信息的引入能有效提升问题求解针对性,在IGD-CF （Inverted Generational Distance based on Composite Front）指标上取得了更好的效果。     

异构MAS结构下的空天资源多阶段协同任务规划方法

利用空天资源的互补优势进行协同观测是对地观测领域的新趋势.为提高对地观测效益和多阶段观测任务的完成度,分析了空天资源协同观测任务规划问题中的观测资源异构性和多阶段观测任务分解方式的多样性.针对卫星和无人机的任务规划模型不一致的特点,建立了异构多智能体系统(MAS)多阶段协同任务规划模型,根据模型特点将问题求解分解为两个协商过程,并分别提出了基于市场模型的异构MAS多阶段协同任务规划算法和基于自适应“超级步”的资源Agent协同任务规划算法.最后,研究了该方法在空天资源联合观测中的应用情况,实验及分析结果表明该方法能够有效解决空天资源对地观测协同任务规划问题.     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

多星任务规划中的FFFS-DTMB与ADTPC-DTMB算法

 多星对地观测任务规划是一类典型组合优化问题,针对该问题中常见的时间窗口冲突问题,根据同一时间窗口内的冲突任务的处理方式提出了两种有效处理此类问题的规划算法：带有冲突任务时间窗口后移的先完成先规划算法(FFFS DTMB)以及冲突任务共存性判断算法(ADTPC DTMB),并给出了关键步骤的算法过程与伪代码。完整的卫星任务规划过程包括了约束检查、优先级检查以及任务规划,不考虑任务间关系与优先级,主要研究处理具有时间窗口冲突的任务规划算法。文中给出的两种算法优化目标均为最大化规划任务数量。算法的主要思路是通过采用一个冲突任务替换一个已规划的任务,并将替换任务后移至下一时间窗口或在同一时间窗口内部后移。最终的评价结果显示了两种算法的有效性。     

Minimum Number of Satellites for Three-Dimensional Continuous Worldwide Coverage

Global positioning by means of satellites requires simultaneous observation by at least four satellites. The problem is to determine the minimum number of satellites and the corresponding orbital geometry necessary to satisfy this requirement on a continuous basis. To model the problem, a fixed number of users are assumed uniformly distributed in a known manner over the surface of the earth, and the satellites are restricted to exist in either three or four orbital planes. However, the orbit radius and inclination angle are left as variables. Under these assumptions, and starting with a small number of satellites which will be increased afterwards, an algorithm is developed to determine the visibility of satellites at each surface location. In this way it is possible to specify the minimum number of satellites needed by any desired orbital geometry. It is found that the number of satellites required for three-dimensional continuous worldwide coverage decreases as the orbit radius is increased. There appears to be no general trend regarding the effect of the inclination angle on the minimum number of satellites.     

天/地基多平台空间目标光电观测时效性分析

针对如何部署光学探测设备才能更好实现对空间目标的高精度高频度监视问题,考虑光照条件、相对关系及探测性能,构建了天/地基空间目标探测与成像仿真模型;按照轨道特征选取了94颗LEO（Low Earth Orbit,低地球轨道）卫星、63颗GEO（Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道）卫星和18颗大椭圆轨道卫星,选用春夏秋冬典型季节的特定时间长度,仿真分析了国内地基、南北极科考站、LEO卫星、准GEO卫星等多平台光电手段的位置探测和成像观测能力;比对分析地基平台纬度和季节、天基平台轨道高度和倾角对探测能力的影响得出：南北极科考站相比于国内站点可提高重点季节的探测时效性,98°倾角LEO平台对低轨目标成像时效性方面更具优势,等.在此基础上,提出了我国空间目标光电观测设备天地一体的布局构想.     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

空间目标编目维持中的观测需求确定方法研究

针对空间目标探测中观测计划制定业务面临的目标观测需求确定问题,首先分析影响目标观测需求确定的因素,据此进行精度指标确定分析,然后结合一类目标,在进行“圈／站／天”组合精度分析的基础上,提出动态观测需求确定方法,并阐述其运行机制。     

Selecting and scheduling observations of agile satellites

This article concerns the problem of managing the new generation of Agile Earth Observing Satellites (AEOS). This kind of satellites is presently studied by the French Centre National d'Études Spatiales (PLEIADES project). The mission of an Earth Observing Satellite is to acquire images of specified areas on the Earth surface, in response to observation requests from customers. Whereas non-agile satellites such as SPOT5 have only one degree of freedom for acquiring images, the new generation satellites have three, giving opportunities for a more efficient use of the satellite imaging capabilities. Counterwise to this advantage, the selection and scheduling of observations becomes significantly more difficult, due to the larger search space for potential solutions. Hence, selecting and scheduling observations of agile satellites is a highly combinatorial problem. This article sets out the overall problem and analyses its difficulties. Then it presents different methods which have been investigated in order to solve a simplified version of the complete problem: a greedy algorithm, a dynamic programming algorithm, a constraint programming approach and a local search method.     

Optical Calibration of Geostationary Satellite Tracking Systems

A precise calibration method for range and angle observation has been developed for eliminating the systematic error of tracking systems, thus improving the accuracy of orbit determination for geostationary satellites. The principle of calibration is based on an orbit determination employing a point of optical angle observation in addition to radio tracking observation, in which we estimate observation bias parameters simultaneously with orbital elements, including the effects of geodetic mismodelings. As shown by an actual calibration experiment in our ground station, orbit determinations is sufficiently accurate that the error of predicting satellite range falls within a few meters at four days after the day of orbit determination.     

地球静止卫星精密测定轨技术的现状及发展

介绍并分析了针对地球静止卫星的各种高精度测定轨跟踪技术.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨在沿迹方向和法向的主要误差源,为保证一致的卫星三维位置解算精度,应利用高分辨率的角度观测约束信息来有效地降低测距偏差对轨道确定的影响,或者利用天地基联合定轨的低轨卫星运动几何在轨道改进的同时精化测距偏差.     

Basic performance of BeiDou-2 navigation satellite system used in LEO satellites precise orbit determination

The visibility for low earth orbit（LEO） satellites provided by the BeiDou-2 system is analyzed and compared with the global positioning system（GPS）. In addition, the spaceborne receivers＇ observations are simulated by the BeiDou satellites broadcast ephemeris and LEO satellites orbits. The precise orbit determination（POD） results show that the along-track component accuracy is much better over the service area than the non-service area, while the accuracy of the other two directions keeps at the same level over different areas. However, the 3-dimensional（3D） accuracy over the two areas shows almost no difference. Only taking into consideration the observation noise and navigation satellite ephemeris errors, the 3D accuracy of the POD is about30 cm. As for the precise relative orbit determination（PROD）, the 3D accuracy is much better over the eastern hemisphere than that of the western hemisphere. The baseline length accuracy is 3.4 mm over the service area, and it is still better than 1 cm over the non-service area. This paper demonstrates that the BeiDou regional constellation could provide global service to LEO satellites for the POD and the PROD. Finally, the benefit of geostationary earth orbit（GEO） satellites is illustrated for POD.     

基于我国深空站三向测量模式的数据精度分析

为了验证我国深空站三向测量模式的正确性,以同步星跟踪试验中的测量数据为基础,建立了站间同步修正算法和三向测量观测模型,通过与同步卫星的精密星历反算测量值比较,得到了测量数据的标定参数,结果表明,我国深空站测控能够实现dm级的测量精度,明显优于“嫦娥二号”测量的水平;同时利用测量数据进行定轨策略分析,最终实现了10 m量级的同步卫星定轨精度.分析结果为“嫦娥三号”探测器实施有效测控提供了依据.