适应动态拓扑结构的卫星协同任务规划技术研究

随着我国在轨卫星数量不断增加，今后发展形成一个高、中、低轨道结合，大、中、小卫星协同，多分辨率互补的对地观测网络。多颗卫星分布在对地观测网络中以协同方式完成对地观测任务将是未来获取遥感信息的重要手段。动态拓扑结构下多星协同任务规划问题除了具有传统卫星任务规划问题的非线性、约束复杂等特点外，还具有网络拓扑结构动态变化、控制分散化、随机化、信息局部化等特点。本研究重点针对多星协同任务规划的模型与分布式求解框架、规划任务信息快速路由技术、对地观测网络拓扑控制技术、以及针对不同问题特点的卫星协同规划模型与算法等问题进行研究，具有重要的理论意义与应用价值。

本项目针对适应动态拓扑结构的卫星协同任务规划技术这一新而复杂的问题展开研究，主要研究工作及取得的成果如下：.1、建立了动态拓扑航天遥感网络模型与框架。.一方面，对动态拓扑航天遥感网络的层次结构进行了分析，并将其映射为Holonic组织模型。另一方面，从基本的规划问题出发，分析了卫星分布式协同任务规划问题的要素，建立了卫星协同任务规划问题的分布式求解框架。.2、研究了对地观测网络拓扑控制技术.针对信息实时获取条件下的卫星协同任务规划问题，建立了卫星分布式约束优化模型，提出了基于Nash最优与合作协同进化相结合的分布式优化迭代求解方法。针对通信延迟条件下的卫星协同优化决策问题，建立了卫星协同优化决策模型，提出了适应延迟通信的统一处理策略，设计了卫星优化策略的搜索方法。.3、提出动态拓扑结构下的协同任务规划模型及算法.（1）提出了基于改进合同网的多星分布式任务规划方法。借鉴模式识别领域的聚类思想，提出了基于Mean Shift聚类的单星任务规划Agent投标降载算法，选出具有代表性的标书进行投标操作，在保证了标书多样性、算法优化性的同时，减少了评标过程的计算压力。.（2）提出了面向多用户的卫星方案融合算法。描述了在基于VMOC的卫星任务规划体系下的多用户方案融合问题，建立了用户方案图模型，采用插入、合并、仲裁算子来消解方案间的冲突，保证对用户的及时响应。.（3）为充分利用成像任务资源，设计实现了考虑卫星连续侧摆的卫星成像任务规划算法和卫星具有不同数据压缩比的数传任务调度算法。该方法能够保证平台对于应急任务处理实时性的要求，并满足用户的实际需求。.（4）针对已经建立的多个卫星规划调度系统管理着不同的卫星簇，星簇之间相互孤立且存在差异性这一特殊情况，考虑如何在不改变原星簇任务规划器的前提下，将多个孤立的星簇任务规划器耦合成一个复杂的对地观测系统。设计了专家系统技术结合自适应蚁群算法的任务分配方法，能够解决多星簇任务分配问题。设计了基于冲突修正策略的多星数传规划遗传算法。实验表明，该算法较传统数传资源规划方法能够有效提升数传资源利用率，从而较好地解决卫星数传规划问题。.（5）提出了带有冲突消解的标签约束最短路径寻优方法，并基于此方法提出了面向应急观测任务的卫星簇观测数传全链路任务规划算法.4、构建了动态拓扑结构下的卫星协同任务规划实验系统，促进本研究成果向产业化方向转化。