空间目标光学监视卫星轨道设计及任务规划
受更小尺寸目标的观测跟踪需求、空间目标详细信息观测需求以及处理大数量的编目需求的驱动，必须大力提高观测能力和编目能力。天基光学监视融合了天基平台和光学传感器两者的优势，已作为空间目标监视系统的重要手段吸引了国内外的关注和研究。本文以提高天基光学监视系统观测效能为目的，系统研究了天基光学监视卫星轨道优化设计问题、天基光学监视任务合成问题以及天基光学监视任务规划问题。主要研究成果如下： 发展完善了天基光学监视约束模型及求解算法。1)完善了包括地球遮挡、地影、太阳光干扰和月光干扰等四类光学可见性约束模型；2)发展了包括观测视场角、观测星等、相对角速度和视场背景等四类可观测性约束模型。3)针对各类子约束满足度差异较大的情况，提出了基于自适应排序的多约束满足问题求解算法，与普通串行算法相比，平均减少计算量达40%。 研究提出了远距离探测轨道设计方法。1)建立了弧段长度、重访间隔、回归周期、可观测率和覆盖比例等五类远距离探测性能指标模型；2)针对远距离相对运动对探测性能的影响，建立了包括相对轨道倾角、相对升交点赤经、相对地心角和相对距离等四类描述远距离相对运动的相对轨道要素模型，给出了监视卫星与空间目标轨道根数偏差对相对轨道要素影响的变化规律；3)针对大样本空间目标监视任务轨道设计问题，提出了基于随机抽样与多变异位自适应遗传算法相结合的优化方法，通过随机抽样策略，在确保优化结果质量的同时明显提高了计算效率。 研究提出了抵近成像监视轨道设计方法。1)建立了抵近成像弧段长度、最小抵近成像距离和抵近时刻相对角速率3类抵近成像性能指标模型以及描述抵近成像的小偏差相对运动模型，分析了切平面内小偏差相对运动典型构型以及偏心率偏差和半长轴偏差对典型构型的影响；2)推导了相对交点抵近问题的二体解析解；针对监视卫星与空间目标相对轨道倾角较大的抵近成像问题，研究了交点轨控抵近、相对漂移抵近和混合抵近三类抵近策略；3)针对最大收益抵近序列优化问题，利用空间目标轨道的聚类特性，提出了打包剪枝策略，解决了有限计算资源内普通剪枝法难以获得全局最优的问题；针对最小成本抵近序列优化问题，提出了分段剪枝策略，有效解决了轨道面漂移速率均方差较大的多星多目标抵近序列对时间敏感的问题。 研究提出了空间目标光学监视任务规划方法。1)建立了空间目标光学监视的规划目标、在轨存储容量约束模型和功率容量约束模型、基于图着色的规划模型，给出了空间目标光学监视任务的求解框架；2)针对多个成像任务同时监视问题，提出了基于粒子群算法的任务合成算法，通过仿真分析，验证了任务合成算法的有效性，任务合成效果与空间目标个数成近线性关系，且比随机观测的平均收益高近8倍；3)提出了禁忌搜索算法和知识型蚁群算法两类任务规划算法，两类算法都能获得与0-1整数规划相近的解，在问题规模较小时，两类算法性能相当，而在问题规模较大时，知识型智能算法优化结果明显优于禁忌算法，但计算开支时间也远远超出禁忌搜索算法，而采用禁忌搜索算法与知识型蚁群算法相结合的策略则可实现以较快的速度获得较优的解。
空间目标;任务规划;自适应遗传算法;光学监视卫星;轨道设计
国防科学技术大学
博士
航空宇航科学与技术
廖瑛
2018
中文
V412.41
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）