在成像衛(wèi)星的工程應(yīng)用中,常常遇到這樣的場景,在指定的時(shí)間內(nèi),需要使用多顆成像衛(wèi)星協(xié)同對單個(gè)較大的區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行成像觀測。制定該場景下衛(wèi)星合理的覆蓋計(jì)劃即為本文研究的面向多星協(xié)同觀測的區(qū)域覆蓋優(yōu)化問題。給定一個(gè)待觀測的大區(qū)域,和若干成像衛(wèi)星,每顆衛(wèi)星每次只能覆蓋一個(gè)矩形條帶區(qū)域(小于待觀測區(qū)域)。由于衛(wèi)星所攜帶的相機(jī)可以側(cè)擺,不同側(cè)擺角度下覆蓋的條帶區(qū)域的位置不同;衛(wèi)星相機(jī)具有固定的視場角,不同側(cè)擺角度下覆蓋的條帶區(qū)域的寬度不同;衛(wèi)星相機(jī)的開關(guān)機(jī)時(shí)間不同,覆蓋的條帶區(qū)域的位置和長度也不相同。因此,不同的衛(wèi)星觀測動作,會覆蓋不同位置、不同長度、不同寬度的條帶區(qū)域。覆蓋優(yōu)化要求:合理地安排每個(gè)衛(wèi)星每次過境機(jī)會內(nèi)的觀測動作,使得總體的覆蓋方案對應(yīng)某一個(gè)給定的目標(biāo)盡可能的優(yōu)。該問題是一個(gè)與計(jì)算幾何高度耦合的連續(xù)空間組合優(yōu)化問題,其求解具有一定的挑戰(zhàn)性。本文對該問題進(jìn)行了深入研究,提出了一系列技術(shù)方法,所取得的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)提出了三種面向多星協(xié)同觀測的區(qū)域覆蓋優(yōu)化問題,即覆蓋資源有限情形下最大覆蓋面積、覆蓋資源充足情形下最小完工時(shí)間、覆蓋資源充足情形下最小化覆蓋成本問題,分析了各個(gè)問題的特征,并基于網(wǎng)格離散化技術(shù)建立了相應(yīng)的整數(shù)線性規(guī)劃模型。(2)針對最大覆蓋面積問題,設(shè)計(jì)了多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度的啟發(fā)式算法,并使用拉格朗日松弛技術(shù)計(jì)算對應(yīng)的上界,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在小規(guī)模情況下,該啟發(fā)式算法能夠求得近似最優(yōu)解(最優(yōu)性GAP1%);針對最小完工時(shí)間問題,提出了多項(xiàng)式時(shí)間的兩階段啟發(fā)式算法,仿真實(shí)驗(yàn)表明,該兩階段啟發(fā)式算法能夠以較少的計(jì)算花費(fèi)求得高質(zhì)量的解;針對最小覆蓋成本問題,設(shè)計(jì)了基于隱枚舉算法求解子問題的branch and price算法(IE-BP),提出并證明了可以削剪價(jià)格子問題解空間的支配原則,使得大量的列可以預(yù)先排除,大大加速了求解的速度,仿真實(shí)驗(yàn)表明,所提出的支配原則可以削減約68%的列,部分算例能夠求得近似最優(yōu)解,且計(jì)算效率優(yōu)于美國著名商業(yè)優(yōu)化軟件Gurobi。(3)提出基于嵌套網(wǎng)格的逼近策略。先使用啟發(fā)式、兩階段啟發(fā)式、IE-BP算法在單元格尺寸較大的網(wǎng)格上進(jìn)行求解,在求得解方案以后,進(jìn)一步地,在現(xiàn)有網(wǎng)格內(nèi)構(gòu)造一個(gè)單元格尺寸更小的嵌套網(wǎng)格,并且在已有的解方案(即覆蓋方案)“周圍”再次進(jìn)行搜索尋優(yōu),進(jìn)行精度更細(xì)的求解。由于二次搜索是在一次求解的基礎(chǔ)上進(jìn)行,僅需消耗少量的計(jì)算量。重復(fù)使用這樣的逼近策略可以不斷提高離散化的精細(xì)程度,求得高質(zhì)量的解方案。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法穩(wěn)定高效。(4)針對大規(guī)模問題,基于“分而治之”的總體思路,提出一種基于分區(qū)的求解策略:即將大區(qū)域分割成較小的分區(qū),將覆蓋資源分配給各個(gè)分區(qū),并在各個(gè)分區(qū)內(nèi)求解覆蓋方案,各分區(qū)覆蓋方案合并起來形成總體覆蓋方案。不同的資源分配方案對應(yīng)不同的分區(qū)覆蓋方案,從而導(dǎo)致不同的總體覆蓋方案。為獲取高質(zhì)量的總體覆蓋方案,采用模擬退火亞啟發(fā)式算法,對覆蓋機(jī)會分配方案進(jìn)行搜索,實(shí)現(xiàn)覆蓋機(jī)會的動態(tài)分配。仿真實(shí)驗(yàn)表明,直接求解需要消耗極大的計(jì)算資源,甚至無法直接求解,而基于分區(qū)的求解策略能夠在可接受的時(shí)間內(nèi)求得高質(zhì)量的解。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P228
【部分圖文】：

第三章 面向多星協(xié)同觀測的最大覆蓋面積問題因此在Y 中，最多存在兩個(gè)分區(qū)所分配到的覆蓋機(jī)會發(fā)生了改變，對發(fā)生改變的分區(qū)進(jìn)行重新求解即可。述的分區(qū)法，以及基于模擬退火的覆蓋資源分配方法，結(jié)合一起，規(guī)模算例的一套行之有效的求解策略，稱之為基于分區(qū)的求解策略真實(shí)驗(yàn)了驗(yàn)證所述方法的優(yōu)效性，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)�；谙嚓P(guān)的仿真軟件驗(yàn)環(huán)境。使用高分系列、風(fēng)云系列、遙感系列、海洋系列等衛(wèi)星，道參數(shù)可從軟件的庫文件中獲得。構(gòu)造待觀測的區(qū)域目標(biāo)，其頂點(diǎn)度表示。所構(gòu)造的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖 3.8 所示。

圖 3.9 仿真環(huán)境中區(qū)域目標(biāo)及衛(wèi)星成像過程圖示 A view of the simulated area target and the observing process from the s真軟件，計(jì)算衛(wèi)星對區(qū)域目標(biāo)的觀測機(jī)會，如圖 3.10 所示其中，第 1、2 列為訪問的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，第 3、4 列時(shí)對應(yīng)的地面的經(jīng)度和緯度，第 6、7 列為衛(wèi)星離開區(qū)域 R度和緯度。觀測機(jī)會的星下點(diǎn)軌跡直線方程可由第 3、4、）得到。第 5、8 列數(shù)據(jù)分別表示衛(wèi)星到達(dá)區(qū)域 R 上方和衛(wèi)高度，從圖中可以觀察到，衛(wèi)星在訪問區(qū)域 R 時(shí)高度變化進(jìn)入時(shí)和離開時(shí)高度的平均值作為衛(wèi)星訪問區(qū)域 R 的高度

圖 3.9 仿真環(huán)境中區(qū)域目標(biāo)及衛(wèi)星成像過程圖示Fig 3.9 A view of the simulated area target and the observing process from the simulator基于仿真軟件，計(jì)算衛(wèi)星對區(qū)域目標(biāo)的觀測機(jī)會，如圖 3.10 所示。圖中共有8 列數(shù)據(jù)。其中，第 1、2 列為訪問的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，第 3、4 列為衛(wèi)星到達(dá)區(qū)域 R 上方時(shí)對應(yīng)的地面的經(jīng)度和緯度，第 6、7 列為衛(wèi)星離開區(qū)域 R 上方時(shí)對應(yīng)的地面的經(jīng)度和緯度。觀測機(jī)會的星下點(diǎn)軌跡直線方程可由第 3、4、6、7 列數(shù)據(jù)計(jì)算（近似）得到。第 5、8 列數(shù)據(jù)分別表示衛(wèi)星到達(dá)區(qū)域 R 上方和衛(wèi)星離開區(qū)域R 上方時(shí)的高度，從圖中可以觀察到，衛(wèi)星在訪問區(qū)域 R 時(shí)高度變化極小，為方便計(jì)算，以進(jìn)入時(shí)和離開時(shí)高度的平均值作為衛(wèi)星訪問區(qū)域 R 的高度。

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1 萬|_;周祖義;

本文編號：2821884