基于多星协同多目标优化的大区域覆盖策略问题研究.pdf

中文摘要

卫星区域覆盖问题是航天研究领域的一项重要问题.在多星协同进行对

地观测任务的前提下,考虑整个卫星系统的最优覆盖问题尤为重要.特别是在

卫星的实际工作场景中,经常需要考虑如何运用最少的资源消耗,尽可能多地

实现对地观测任务.该问题能够抽象为数学中的多目标函数的优化问题,进而

通过使用智能算法对目标函数进行计算与覆盖策略研究.

本文基于数学理论知识与算法架构,针对吉林一号系列卫星数据构建了

单元格生成算法,备选覆盖条带生成算法,条带筛选算法等生成计算数据.进

而应用多目标优化理论的相关知识构建了以最大覆盖面积,最小侧摆角度之

和,最少条带数为目标函数的多目标优化模型.继而分别对四川,吉林,云南地

区进行仿真验证,通过NSGA-II算法选取适当参数进行迭代计算目标函数并

求解模型.同时得出目标区域的Pareto解集,最终可以分区域给出在利用卫

星资源最低的情况下的最优覆盖策略.在选取最优覆盖策略后,为实现目标区

域全覆盖,结合启发式算法再进行二次覆盖,最终得到最低资源消耗的多星协

同区域全覆盖方案.最后,将本文所得的覆盖方案与传统启发式算法覆盖方案

进行比较,分析本文方法存在的优缺点.

结论表明:(1)本文算法是能够直接将覆盖面积,侧摆角度,条带数进行计

算量化,更为直观.(2)在对目标区域几乎全覆盖的前提下,本文所选择的覆盖

方案在条带重叠率上显著低于传统启发式算法所得的覆盖方案,但覆盖条带

数量略多于传统启发式算法的结果.又由于本文算法最终形成的覆盖条带数

量高度依赖于决策者所选择的覆盖方案,故在实际应用中可以通过调整选择

方案得到更多不同的结果.(3)相较于传统启发式算法,本文算法能够在不同

的目标函数值下给出大量的覆盖方案,大大提升了决策者的选择空间,给决策

者提供更多灵活的选择.(4)本文算法在资源有限的情况下更具优势.能够为

更多场景的实际任务观测提供应用空间,如卫星资源有限下的任务观测等.

关键词:多目标优化问题;NSGA-II;最大覆盖面积;最小侧摆角度之和;最少

条带数.

I

Abstract

Abstract

Satelliteareacoverageisanimportantprobleminspaceresearch.It

isimportanttoconsidertheoptimalcoverageofthewholesatellitesystem

underthepremiseofmulti-satellitecooperativeEarthobservationmission.

Especiallyintheactualworkingscenarioofsatellite,itisoftennecessaryto

considerhowtorealizeasmanyEarthobservationtasksaspossiblewiththe

leastresourceconsumption.Thisproblemcanbeabstractedasanoptimization

problemofmultipleobjectivefunctionsinmathematics,andthentheobjective

functionscanbecalculatedandcoveredbyintelligentalgorithms.

Basedonmathematicaltheoreticalknowledgeandalgorithmarchitecture,

thispaperconstructscellgenerationalgorithm,alternativecovera