空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方法.pdf

1、空天資源對地觀測技術(shù)是人類直接感知客觀世界的重要手段，在近年來得到了快速發(fā)展，隨著平臺縱深和載荷類型日趨多樣化，空天平臺機動能力、在線處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提高，載荷觀測精度和幅寬也顯著改善，空天觀測數(shù)據(jù)獲取能力大大增強，當(dāng)前對地觀測已經(jīng)進入多平臺、多傳感器發(fā)展階段。如何根據(jù)觀測任務(wù)需求和空天資源的能力及約束制定空天平臺協(xié)同對地觀測的任務(wù)計劃，充分利用空天平臺的互補優(yōu)勢，提升對地觀測的觀測時效性、空間分辨率、時間分辨率、空間覆蓋范圍

2、和譜域覆蓋范圍等性能指標(biāo)，已成為近年來對地觀測領(lǐng)域研究的重點之一，其在軍事和民用方面具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的目標(biāo)即是面向用戶提出的觀測任務(wù)需求，協(xié)同利用衛(wèi)星平臺和無人機平臺，統(tǒng)籌安排數(shù)據(jù)獲取過程中涉及的用戶資源、測控資源、觀測資源、數(shù)傳資源、地面數(shù)據(jù)傳輸資源以及數(shù)據(jù)處理資源，確定執(zhí)行任務(wù)的資源及其任務(wù)計劃，提高對地觀測任務(wù)完成度、觀測時效性和觀測質(zhì)量，最大化系統(tǒng)整體觀測效益。本研究主要內(nèi)容包括：

3、>　?、沤⒘丝仗熨Y源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題模型。分析比較了衛(wèi)星和無人機的對地觀測特性，引出了空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題；對空天對地觀測系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)進行了分析，并將其映射為Holonic組織模型。在此基礎(chǔ)上，從自頂向下的視角、水平視角和自下向上的視角分別探討了在Holonic組織模型下進行協(xié)同任務(wù)規(guī)劃需要解決的三個關(guān)鍵問題：父holon與子holon之間的協(xié)同問題，子holon之間的協(xié)同問題以及子holon內(nèi)部的協(xié)同問題，并結(jié)

4、合空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的實際應(yīng)用需求進行了問題分析，提出了適用于多階段觀測任務(wù)的橫向協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模式以及適用于應(yīng)急觀測任務(wù)的面向用戶的縱向協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模式；詳細分析了衛(wèi)星觀測資源要素、無人機觀測資源要素、觀測任務(wù)要素及優(yōu)化目標(biāo)等關(guān)鍵要素；在此基礎(chǔ)上建立了空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模型，明確了模型的輸入信息、決策變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)并進行了數(shù)學(xué)形式化描述，為后續(xù)的研究工作奠定了問題模型基礎(chǔ)。
　　⑵提出了基于魯棒性決策

5、樹和支持向量機的衛(wèi)星任務(wù)可調(diào)度性預(yù)測算法針對衛(wèi)星運控中心任務(wù)規(guī)劃周期長、不利于協(xié)同規(guī)劃的問題，研究了衛(wèi)星任務(wù)可調(diào)度性預(yù)測問題?；跉v史規(guī)劃方案信息，利用模式識別領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進行衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的預(yù)測。首先選取了分類特征，明確了分類器性能評估指標(biāo)；在對決策樹學(xué)習(xí)、支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這三種主要的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進行評估以后，提出了基于魯棒性決策樹和集成支持向量機的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃結(jié)果預(yù)測算法，其中支持向量機技術(shù)用于提高預(yù)測的精確性，魯棒性決策樹

6、技術(shù)則用于降低預(yù)測的誤差均值及方差。仿真實驗表明本文提出的算法預(yù)測時間短、魯棒性強、預(yù)測精度高，能夠為空天資源協(xié)同任務(wù)規(guī)劃提供有效的預(yù)測信息。
　　⑶針對多階段觀測任務(wù)，研究了基于市場模型的異構(gòu) MAS協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方法，并在此基礎(chǔ)上提出了空天資源對地觀測任務(wù)規(guī)劃算法。首先對空天資源的差異性和多階段觀測任務(wù)分解方式的多樣性進行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了問題的形式化模型，將其映射為異構(gòu)MAS多階段協(xié)同任務(wù)規(guī)劃模型；分析了異構(gòu)MAS多階段

7、任務(wù)協(xié)同規(guī)劃問題的特點并基于馬爾可夫決策過程理論建立了問題模型；通過引入市場協(xié)商機制，提出了基于市場模型的異構(gòu)MAS協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法，能夠提高多階段任務(wù)的整體完成度，提高協(xié)同規(guī)劃的動態(tài)響應(yīng)能力；最后，考慮到 MAS的天然并行性，基于CSP理論研究算法的并行化方法，提出了基于自適應(yīng)“超級步”的多智能體協(xié)同迭代求解模式，并利用通信順序進程分析工具對比了幾種經(jīng)典的協(xié)同迭代求解模式，分析結(jié)果表明本文提出的方法較傳統(tǒng)方法具有一定的優(yōu)勢。在此研究基

8、礎(chǔ)上，建立了空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法框架；針對衛(wèi)星資源和無人機資源的規(guī)劃特點分別設(shè)計了本地規(guī)劃求解算法，形成了完整的面向多階段觀測任務(wù)的空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法體系，統(tǒng)籌考慮空天資源對地觀測涉及的各類資源，最大化空天信息系統(tǒng)的整體觀測收益。最后，構(gòu)建了空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)規(guī)劃實驗平臺，采用模擬數(shù)據(jù)進行了仿真實驗，結(jié)果表明該方法在不同的問題規(guī)模下均得到了較優(yōu)化的空天資源協(xié)同觀測方案，能夠有效解決空天資源對地觀測協(xié)同任務(wù)

9、規(guī)劃問題。
　　⑷提出了帶有沖突消解的標(biāo)簽約束最短路徑尋優(yōu)方法，并基于此方法提出了面向應(yīng)急觀測任務(wù)的空天數(shù)據(jù)快速獲取全鏈路任務(wù)規(guī)劃算法。先分析了快速響應(yīng)衛(wèi)星和無人機的觀測數(shù)據(jù)獲取流程，建立了空天數(shù)據(jù)快速獲取全鏈路任務(wù)規(guī)劃模型。在此基礎(chǔ)上，借鑒圖論中正則語言約束路徑規(guī)劃理論的新成果，提出了帶有沖突消解的標(biāo)簽約束最短路徑尋優(yōu)方法，分析了該方法的時間復(fù)雜度；然后從快速響應(yīng)衛(wèi)星和無人機的觀測過程實際出發(fā)，設(shè)計了空天數(shù)據(jù)快速獲取全鏈路任務(wù)規(guī)