面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度研究

楊文沅，國防科技大學助理研究員，獲得國防科技大學管理科學與工程專業博士學位。主要研究方向為系統規劃與管理決策技術、智能任務規劃與調度、無人集群智能協同，長期從事對地觀測衛星任務規劃與調度相關工作。作為骨幹成員參與國家、軍隊以及省部級等各類項目10余項，目前在國內外重要刊物和會議上發表學術論文10余篇，申請和授權國家發明專利9項。

目   錄

 

第1章  緒論  1

1.1  研究背景與意義  1

1.1.1  研究背景  1

1.1.2  研究意義  5

1.2  國內外研究現狀與總結  6

1.2.1  移動目標運動預測問題研究現狀  6

1.2.2  敏捷能力下的單星自主調度問題研究現狀  9

1.2.3  多星自主協同規劃問題研究現狀  14

1.2.4  機器學習方法在組合優化問題中應用現狀  17

1.2.5  現狀分析與總結  19

1.3  本書主要工作  20

1.3.1  研究內容  20

1.3.2  組織結構  22

1.3.3  創新點  24

第2章  問題描述與求解框架  26

2.1  目標——資源分析  26

2.1.1  移動目標特征與分類  26

2.1.2  天基遙感衛星資源特征與分類  28

2.1.3  面向移動目標跟蹤的星座資源  29

2.2  面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度問題  33

2.2.1  問題約束特征  34

2.2.2  問題優化目標  40

2.2.3  問題分析總結  41

2.3  多星協同規劃與自主調度問題通用求解框架  41

2.3.1  多星協同規劃與自主調度的分層式通用求解框架  42

2.3.2  通用求解架構下的多星協同規劃與自主調度問題分解  43

2.4  本章小結  48

第3章  面向移動目標跟蹤的星上自主任務管理  49

3.1  移動目標運動模型與預測方法  49

3.1.1  非時敏移動目標運動模型與預測方法  49

3.1.2  時敏移動目標運動模型與預測方法  61

3.2  面向移動目標的星上自主任務生成  65

3.2.1  任務生成時間決策  66

3.2.2  任務生成要素決策  68

3.3  面向移動目標的任務優先級統籌  69

3.3.1  面向非時敏移動目標的任務優先級統籌  69

3.3.2  面向時敏移動目標的目標優先級統籌  72

3.4  本章小結  74

第4章  面向非時敏移動目標跟蹤的單星自主任務調度技術  75

4.1  問題描述與建模  76

4.1.1  問題假設  76

4.1.2  符號說明  77

4.1.3  問題模型  77

4.1.4  敏捷姿態機動能力下時間依賴轉換時間約束處理  81

4.2  基於圖註意力網絡的問題特征提取  83

4.2.1  圖註意力網絡  83

4.2.2  單星自主任務調度問題特征提取  84

4.2.3  單星自主任務調度問題的圖註意力網絡結構  88

4.3  基於近端策略優化的深度強化學習的問題求解  90

4.3.1  問題求解框架  91

4.3.2  強化學習中的基本概念  92

4.3.3  基於GAT的問題求解  93

4.3.4  基於PPO的網絡模型訓練  93

4.4  仿真實驗及分析  96

4.4.1  仿真實驗設計  96

4.4.2  訓練過程分析  99

4.4.3  算法可行性分析  100

4.4.4  算法效能分析  102

4.5  本章小結  109

第5章  面向非時敏移動目標跟蹤的多星協同任務分配技術  111

5.1  問題描述與建模  112

5.1.1  多星協同任務分配問題  112

5.1.2  問題假設  113

5.1.3  符號說明  114

5.1.4  問題模型  114

5.1.5  問題復雜性分析與求解思路  115

5.2  基於自適應機制的啟發式多星協同任務分配方法  116

5.3  基於基因表達式編程演化構造啟發式多星協同任務分配方法  121

5.3.1  問題求解框架  122

5.3.2  問題特征選取與歸一化  122

5.3.3  基於GEP的規則演化方法  127

5.4  仿真實驗及分析  135

5.4.1  仿真實驗設計  135

5.4.2  演化過程分析  135

5.4.3  算法可行性分析  139

5.4.4  算法效能分析  140

5.5  本章小結  145

第6章  面向時敏移動目標跟蹤的多星自主協同規劃技術  147

6.1  問題描述與建模  148

6.1.1  多星協同任務規劃問題  148

6.1.2  問題假設  152

6.1.3  符號說明  153

6.1.4  問題模型  154

6.2  分散式多星自主協同任務規劃方法  158

6.2.1  問題求解分析  159

6.2.2  面向時敏移動目標的星上自主任務管理  159

6.2.3  基於知識規則的單星自主調度方法  160

6.2.4  基於RRB的多星在線協同機制  164

6.3  仿真實驗及分析  167

6.3.1  仿真實驗設計  167

6.3.2  算法可行性分析  168

6.3.3  算法參數分析  174

6.3.4  候選子任務選擇策略分析  176

6.4  本章小結  177

第7章  結論與展望  178

7.1  結論  178

7.2  展望  180

參考文獻  183

附錄A  縮略語表  194