面向典型观测目标类型的空间天文卫星多任务规划统一建模方法研究

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随着我国空间科学先导专项的启动,包括“硬X射线调制望远镜”、“暗物质探测”等一批空间天文卫星项目已经开始逐步实施。开展空间天文卫星的任务规划是空间天文卫星地面系统的主要工作之一,对于优化星地资源使用、获取最大的科学回报具有重要意义。  大量的空间天文观测目标在观测时间需求上具有多样性,比如不可分割、周期性、间隔性;同时卫星观测模式包括定点观测、小天区扫描观测等多种工作模式,约束条件也更为复杂。目前国内空间天文卫星任务规划研究多针对具体卫星项目,没有一个统一的模型,扩展性不强、观测任务目标类型覆盖的不全面,这对研制具有较强可扩展性的地面任务规划系统带来一定的难度,也对建立任务规划统一模型提出了迫切需求。因此,本文调研了国内外空间天文卫星任务规划方面的建模与求解算法,在国内现有任务规划的研究基础上,结合国外任务规划系统的特点,开展了面向典型观测目标类型的空间天文卫星多任务规划统一建模方法研究。本文主要工作及创新点如下:  1)着眼于任务规划问题统一建模,开展典型观测任务目标类型分析  从空间观测任务目标观测机理和观测时间需求出发,梳理了四类典型观测目标类型,将其纳入到统一任务规划模型框架下,使得模型能够适应普通观测任务目标、不可分割观测任务目标、周期观测任务目标、自定义间隔观测任务目标等多样化任务规划需求,解决了传统基于单一目标类型建模的不准确性和不完备性问题。  2)提出了一种面向典型观测目标类型的天文卫星多任务规划问题统一模型  着眼最大化科学回报,统一考虑观测优先级、卫星数传、观测目标类型、空间环境影响等多种约束条件,将典型的观测目标类型与不同工作模式进行整合成模型框架,提出以任务完成质量和任务实现质量为规划准则的多任务规划统一模型,通过增删相关约束,满足中长期及短期多样化的任务规划要求,为研制具有可扩展性的任务规划系统提供模型和方法支持。  3)设计了基于观测窗口序列的多目标任务规划求解算法  针对空间天文卫星任务规划统一模型,提出了基于观测窗口序列的多目标任务规划求解算法,解决了现有算法求解缺乏灵活性的问题。采用基于观测窗口序列组织编码代替二值编码或多值编码,并采用贪婪随机自适应算法思想构造算法初始解,解决了初始解难以构造的问题。统一考虑任务约束与资源约束等多种约束条件,在观测机会窗口序列的基础上根据约束条件生成观测活动窗口序列,能够分别规划出的结果是观测任务的不同规划周期的观测活动窗口序列。  4)针对提出的模型和算法,结合HXMT卫星,开展了实验分析与验证  针对提出的空间天文卫星任务规划问题统一模型和其求解算法,进行了仿真实验。仿真结果表明所建立的模型能够较好的表达任务规划的需求,设计的求解算法可以快速收敛,证明了本文提出建模方法与求解算法是有效的,可以满足现有空间天文卫星任务规划的实际需求。
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