本书针对我国敏捷对地观测卫星任务调度领域的多个亟待解决的问题进行深入地研究和探讨，包括带有时间依赖特性的敏捷卫星调度问题、多颗敏捷卫星协同调度问题、考虑云层遮挡的多颗卫星协同调度问题和考虑紧急任务的星上分布式协同调度问题，提出了多个数学模型及相应的求解方法，并结合当前技术现状和未来的发展，能够扩展读者的视野和知识面，为相关领域科研技术人员提供有实用价值的参考。主要面向的读者对象为管理科学与工程及遥感应用领域相关专业的研究生、科研工作者和工程技术人员。

“十二五”以来，随着“高分辨率对地观测”重大专项的启动与实施，我国的对地观测卫星进入到一个全新高速发展时期。2014年，“遥感20号”卫星成功发射，标志着我国对地观测卫星平台全面朝着支持大角度姿态机动的敏捷卫星技术方向发展，支持这一类机动技术的卫星称为敏捷对地观测卫星（以下简称敏捷卫星）。与传统非敏捷卫星相比，敏捷卫星具有三个方向的自由度（滚动、俯仰和偏航），这使得它们能够在通过目标正上方之前或之后观测目标，因此能够完成更多任务，同时也能够进行立体成像、连续区域成像等复杂任务。敏捷卫星技术的出现，极大提高了卫星的对地观测能力。

敏捷卫星是一类高成本的稀有资源，通过合理调度以提高其使用效率，能够带来巨大的经济、社会和军事效益。但近年来，卫星能力的提高和新的观测需求的不断涌现，为卫星调度问题的研究提出了新的挑战： 首先，由于敏捷姿态机动能力，卫星对目标的可见时间范围变得更长，开始观测时间的确定更加自由，因此极大地增大了问题的解空间，同时，由于卫星观测每个目标时可能采用不同的姿态角度，卫星两次观测之间的姿态机动时间由两次观测的开始时间决定，这种时间依赖特性使得敏捷卫星调度问题十分复杂。其次，当前我国的卫星管控主要采用地面集中式协同调度方法，即在地面将任务分配给多颗卫星，并统一生成调度方案，但随着各行各业对卫星观测信息需求的不断增加，该模式面临着诸多问题： 大规模卫星协同效率难以提高、无法实现对紧急事件的快速响应、离线调度方案容易受到云层遮挡、卫星故障等不确定性的影响，因此，有必要针对星上自主协同调度问题展开研究，利用星上计算能力提高卫星面向各类任务的时效性。

本书围绕上述背景，系统阐述了作者多年来在敏捷卫星协同调度方面积累的研究成果。敏捷卫星协同调度问题是典型的NPhard的组合优化问题，因此本书主要采用启发式优化方法对其进行求解。启发式方法指的是用于求解组合优化问题的基于直观或经验构造的算法，能够在可接受的计算时间和空间开销下给出问题的可行解或近似最优解。

本书主要面向管理科学与工程及遥感应用领域相关专业的研究生、科研工作者和工程技术人员，在编写过程中力求从应用实践出发，结合当前技术现状和未来的发展，扩展读者的视野和知识面，并为相关领域科研技术人员提供有实用价值的参考。

本书共分6章，主要内容有绪论、带有时间依赖特性的单颗敏捷卫星调度问题、多颗敏捷卫星协同调度问题、考虑时变云层遮挡的多颗敏捷卫星协同调度问题和考虑紧急任务的

多颗敏捷卫星自主协同调度问题、总结与展望等，其中既包括了当前卫星应用的工程实践，也包括了部分前瞻性研究成果。第

1章由陈英武、邢立宁撰写，第3章由刘晓路撰写，第2章及第4~6章由何磊撰写，何磊负责全书的主编和统稿工作。

在撰写本书的过程中，我们参阅了大量的文献，书中所附的主要参考文献仅为其中的一部分，在此向所有列入和未列入参考文献的作者们表示衷心感谢！

本书在撰写、形成和出版过程中，得到了国防科技大学系统工程学院的全力支持和清华大学出版社的大力帮助，本书的出版还受到了国家自然科学基金项目（编号： 72001212）的支持，在此一并表示感谢！

限于作者的水平，书中难免有不妥与疏漏之处，敬请读者不吝赐教。

作者2021年6月于长沙

 

 

第1章绪论

第2章带有时间依赖的单颗敏捷卫星调度问题

2.1问题描述与建模

2.1.1带有时间依赖的姿态转换

2.1.2混合整数线性规划模型

2.2混合ALNS算法

2.2.1ALNS算法框架

2.2.2禁忌搜索混合 

2.2.3随机化邻域算子 

2.2.4部分序列支配

2.2.5快速插入策略 

2.3实验分析

2.3.1算法比较

2.3.2ALNS/TPF算法在其他问题的表现

2.3.3算法特征分析

2.4本章小结

第3章带有时间依赖的多颗敏捷卫星协同调度问题

3.1问题描述与建模

3.1.1任务分配对于多星协同的必要性

3.1.2变量及参数定义

3.1.3数学模型

3.2基于自适应任务分配的大邻域搜索算法

3.2.1AALNS算法框架

3.2.2自适应任务分配协同层设计

3.2.3初始解生成

3.3实验分析

3.3.1算例设计与生成

3.3.2实验结果

3.4本章小结

第4章考虑时变云层遮挡的多颗敏捷卫星协同调度问题

4.1问题描述

4.2分层式协同调度模型

4.2.1预分配

4.2.2粗略调度

4.2.3精细调度

4.2.4复杂度分析

4.3分层式协同调度算法

4.3.1状态转移规则

4.3.2信息素更新规则

4.3.3基于蚁群算法的分层调度流程

4.4实验分析

4.4.1算例设计

4.4.2实验结果

4.4.3关于分层式协同机制的讨论

4.5本章小结

第5章考虑紧急任务的多颗敏捷卫星自主协同调度问题

5.1问题描述

5.1.1问题模型

5.1.2问题特性分析

5.2基于多解合成的多星星上分布式协同重调度算法

5.2.1星上分布式协同重调度算法框架

5.2.2多可行解生成

5.2.3多星分布式协同算法

5.3实验分析

5.3.1小型算例示例

5.3.2算例设计与生成

5.3.3实验结果分析

5.4本章小结

第6章总结与展望

参考文献

附录A分层调度算法详细结果

附录B缩写词列表

本书针对我国敏捷对地观测卫星任务调度领域的多个亟待解决的问题进行深入地研究和探讨，主要面向的读者对象为管理科学与工程及遥感应用领域相关专业的研究生、科研工作者和工程技术人员。

何磊,国防科技大学系统工程学院讲师，2019年获国防科技大学管理科学与工程专业博士学位，现任，于2017.10-2019.10在荷兰代尔夫特理工大学联合培养。长期从事对地观测卫星调度方向的研究，主持国家自然科学基金项目1项，作为骨干成员参与国家和省部级项目10余项。目前在国内外重要刊物和会议上发表学术论文20余篇，其中SCI检索10篇，申请和授权国家发明专利10余项。