本文關(guān)鍵詞：航天器多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃方法研究

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【摘要】：自主管理是實(shí)現(xiàn)航天器自主運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),任務(wù)調(diào)度和規(guī)劃是自主管理的核心技術(shù)之一。依據(jù)任務(wù)目標(biāo)和當(dāng)前狀態(tài)對觀測任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,并根據(jù)選擇的觀測目標(biāo)對航天器活動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃,是航天器多目標(biāo)觀測任務(wù)的核心內(nèi)容。隨著航天器數(shù)量的增加和觀測任務(wù)的復(fù)雜化,航天器觀測調(diào)度與規(guī)劃問題成為航天器任務(wù)規(guī)劃研究的熱點(diǎn),對提高航天器觀測活動(dòng)的收益、降低航天器運(yùn)行成本和操控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等均具有重要意義。然而,航天器多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃中存在的約束復(fù)雜、觀測目標(biāo)眾多、常規(guī)任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃計(jì)算效率低等特點(diǎn),給該問題的研究帶來困難和挑戰(zhàn)。本文圍繞航天器多目標(biāo)觀測任務(wù)的調(diào)度與規(guī)劃問題,在建立合理的多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度規(guī)劃問題模型基礎(chǔ)上,針對規(guī)劃中的時(shí)間約束分析及處理、啟發(fā)式快速規(guī)劃算法、以觀測效果為目標(biāo)函數(shù)的任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化等幾個(gè)方面,研究了復(fù)雜約束條件下的多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃問題。在對多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度和規(guī)劃過程分析的基礎(chǔ)上,給出基于目標(biāo)觀測任務(wù)、航天器活動(dòng)及活動(dòng)時(shí)間線的問題描述。深入分析了目標(biāo)觀測任務(wù)和航天器活動(dòng)之間的約束關(guān)系,通過將觀測任務(wù)之間的時(shí)間及資源約束轉(zhuǎn)化為航天器活動(dòng)之間的時(shí)間及資源約束,進(jìn)行觀測問題中活動(dòng)規(guī)劃和觀測任務(wù)調(diào)度的統(tǒng)一表述和處理,建立航天器觀測問題的任務(wù)調(diào)度規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。分析航天器觀測任務(wù)調(diào)度和規(guī)劃問題中時(shí)間約束特點(diǎn),利用活動(dòng)間及活動(dòng)與時(shí)間線間約束,建立局部時(shí)間約束網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合最短路徑算法,提出了局部時(shí)間約束處理方法,快速計(jì)算規(guī)劃過程中的時(shí)間約束一致性及活動(dòng)可行時(shí)間區(qū)間。該方法減少了需要處理的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,有效地提高時(shí)間約束處理的計(jì)算效率,解決了規(guī)劃過程中的時(shí)間約束處理占用計(jì)算資源大、效率低的問題。針對活動(dòng)規(guī)劃過程中活動(dòng)選擇困難,考慮約束的數(shù)值特性,定義了規(guī)劃活動(dòng)的相關(guān)度概念。并以相關(guān)度作為規(guī)劃過程中的啟發(fā)式信息,提出一種基于規(guī)劃活動(dòng)相關(guān)度的啟發(fā)式快速規(guī)劃算法。通過自學(xué)習(xí)式的相關(guān)度動(dòng)態(tài)更新和基于相關(guān)度的活動(dòng)選擇機(jī)制,有效地減少了規(guī)劃過程中規(guī)劃步數(shù)和回溯步數(shù),提高了航天器活動(dòng)規(guī)劃的效率。為了提高多目標(biāo)觀測的效果,本文給出了以蟻群算法為基礎(chǔ)的航天器多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度和規(guī)劃優(yōu)化方法。該方法以觀測任務(wù)為探索節(jié)點(diǎn),以任務(wù)對應(yīng)的活動(dòng)規(guī)劃為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移中的約束檢查過程,對觀測任務(wù)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。針對不同類型資源約束,設(shè)計(jì)了基于規(guī)劃活動(dòng)相關(guān)度的觀測任務(wù)需求預(yù)測方法和實(shí)時(shí)分類選擇策略。結(jié)合任務(wù)分類選擇策略、時(shí)間信息及優(yōu)先級約束,設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)間的啟發(fā)式轉(zhuǎn)移規(guī)則和信息素更新策略,提出了一種基于啟發(fā)式的多目標(biāo)觀測任務(wù)調(diào)度和規(guī)劃優(yōu)化算法,該算法可以有效提高觀測的效果。最后,為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的約束分析和任務(wù)調(diào)度規(guī)劃算法的有效性,設(shè)計(jì)研制了航天器觀測任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃系統(tǒng)仿真平臺(tái),通過局部時(shí)間網(wǎng)絡(luò)算法對規(guī)劃過程中的影響、活動(dòng)相關(guān)度對任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化過程中的影響、啟發(fā)式對優(yōu)化算法過程和結(jié)果的影響三個(gè)方面,對本文所設(shè)計(jì)算法在航天器觀測調(diào)度規(guī)劃過程中的有效性進(jìn)行了綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)算法提高了時(shí)間約束處理、活動(dòng)規(guī)劃及任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化過程的效率。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V47;V448.2

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