面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度研究 9787302690436 楊文沅 劉曉路 何磊 等

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書名：面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度研究
ISBN：9787302690436
出版社：清華大學
著編譯者：楊文沅 劉曉路 何磊 等
頁數：xxx
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1744643
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編輯推薦
本書的特色是平實易懂地為讀者介紹面向移動目標跟蹤的成像衛星任務規劃問題及方法，面向的讀者群體主要包括：運籌學相關方向的本科生和研究生、高校相關專業的教師、相關科研機構的研究人員、工業部門相關領域的技術人員、對該問題感興趣的所有讀者。

內容簡介
移動目標跟蹤在軍民領域有著顯著的現實應用價值，而成像衛星是實現移動目標跟蹤的重 要平臺之一。本書創造性地提出面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度框架、模型及方法。

作者簡介
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餘篇，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 移動目標特徵與分類 26
2 1 2 天基遙感衛星資源特徵與分類 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 問題約束特徵 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 基於圖注意力網絡的問題特徵提取 83
4 2 1 圖注意力網絡 83
4 2 2 單星自主任務調度問題特徵提取 84
4 2 3 單星自主任務調度問題的圖注意力網絡結構 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 問題複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 問題特徵選取與歸一化 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 分布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
前 言
移動目標跟蹤在打擊海盜犯罪、緝拿毒品走私、空間武器預警以及海上災難救援等軍民領域都有著廣泛的應用場景與顯著的實際價值。天基遙感衛星作為主要的空間信息採集平臺，具有覆蓋範圍廣、運行時間長以及不受國界限制等特點。這些特點賦予了天基遙感衛星在跟蹤移動目標方面獨有的優勢，但目標運動多變性、圖像識別概率性、目標到達隨機性等諸多不確定性因素也給天基遙感衛星跟蹤移動目標帶來了挑戰。新一代敏捷衛星具備靈活的三軸姿態機動能力，擴展了對目標的觀測窗口；傳統的”地面規劃 星上執行”管控模式對移動目標響應嚴重滯後，星上計算能力的增強以及人工智能（artifical intelligence，AI）技術的發展為星上自主智能提供了前提，帶來解決滯後短板的契機。同時，敏捷機動以及自主智能也給當前的衛星任務規劃系統帶來新的問題：敏捷能力帶來了時間依賴特徵的約束，使得衛星規劃調度變得更為複雜；移動目標具有動態不確定性，需要更合理的任務管理與任務決策機制；對移動目標的及時響應依賴於快速、高質量以及精細化的自主任務調度；多移動目標的跟蹤需要高效的星間協同。鑒於此，本書圍繞關注的海洋低速移動目標（非時敏移動目標）與空間高速移動目標（時敏移動目標）兩類目標，介紹面向移動目標跟蹤的多星協同規劃與自主調度框架、模型以及方法，其主要研究內容包含以下五個方面。
1）提出多星協同規劃與自主調度的分層式通用求解框架
移動目標動態不確定性使得對其跟蹤明顯區別於對靜止目標的觀測，並且資源存在一定的共用性，星座資源不可能僅服務于單一類型目標，通用求解框架的設計需要兼顧多類型移動目標和對靜止目標的觀測。此外，由於衛星能力差異以及通信鏈路差異，還需要考慮多種協同架構的兼容性。基於上述兩點，本書提出一種分層式、模塊化的多星協同規劃與自主調度通用求解框架，該框架包括星上自主任務管理層、星間自主任務協同層以及星上自主任務調度層，支持不同資源協同方式下的模塊組合與順序搭配。基於該框架，針對非時敏移動目標設計集中---分布式協同架構；針對時敏移動目標設計具有互斥目標池的分布式協同架構，引入互斥目標池，降低通信代價。在不同的協同架構下，實現對多星協同規劃與自主調度問題的分解與解耦。
2）設計通用求解框架下的星上自主任務管理模塊
星上自主任務管理是通用求解框架中的重要模塊之一，主要分為目標運動預測、自主任務生成以及優先級統籌，負責將目標的不確定性轉化為定量化屬性描述的任務，這依賴於目標運動建模與資源領域知識構建兩者間的關聯關係。對於非時敏移動目標，在集中---分布式協同架構下，採用基於高斯分佈的雙約束預測模型實現運動預測，構建任務生成決策樹實現對任務的生成，設計多層級任務優先級統籌實現對生成任務的優先級配置；對於時敏移動目標，在分布式協同架構下，結合橢圓軌道與龍格-庫塔積分方法進行軌跡預測，引入動態優先級實現對目標的動態屬性配置。3）提出一種基於圖注意力網絡與近端策略優化的深度強化學習求解面向非時敏移動目標跟蹤的單星自主任務調度問題
在集中—分布式協同架構下，研究面向非時敏移動目標的單星自主任務調度問題。在建模過程中，引入時姿鄰接圖模型對問題進行描述。借鑒動態規劃與序列解構造思想，將問題的約束模型轉化為馬爾可夫決策過程模型。在問題求解中，採用圖注意力網絡對問題進行特徵提取，並基於近端策略優化的深度強化學習對網絡進行訓練。仿真結果表明，該算法不但在求解質量上大幅超越了啟發式、經典的元啟發式以及深度Q學習算法，而且求解速度很快，在典型場景下能夠實現近實時的求解。
4）提出一種基於基因表達式編程的演化構造啟發式求解面向非時敏移動目標跟蹤的多星協同任務分配問題
在集中---分布式協同架構下，研究面向非時敏移動目標跟蹤的多星協同任務分配問題，旨在通過快速的任務分配，將星上自主任務管理模塊生成的任務分配給各衛星，實現多星協同任務規劃的收益最大化。在建模過程中，對問題進行描述並建立整數規劃模型。考慮求解的時效性，提出一種基於基因表達式編程的演化構造啟發式方法，借鑒序列解構造思想，在序列化決策過程中採用演化規則求解該問題。首先基於領域知識提取該問題的16個特徵，然後採用基因表達式編程對問題求解規則進行演化。仿真結果顯示，該演化規則全面超越了引入自適應機制的三類啟發式規則，並取得了接近元啟發式算法的求解效果，求解速度同樣很快。
5）提出一種基於知識規則的分布式多星自主協同任務規劃方法求解面向時敏移動目標跟蹤的多星自主協同任務規劃問題
相比非時敏移動目標的跟蹤，面向時敏移動目標的多星自主協同任務規劃問題依賴於更短的決策週期，通過星上快速決策、調度與協同實現對目標不確定性的及時響應。本書在分析時敏移動目標獨有特性的基礎上，對具有互斥目標池的分布式協同架構進行具體設計；採用馬爾可夫決策過程實現單星自主任務調度的建模，並基於分布式馬爾可夫決策過程實現對多星協同任務規劃的建模；同時針對問題求解的難度進行了分析，並在此基礎上，採用基於知識規則的方法實現包括目標決策、候選子任務生成以及候選子任務選擇的單星自主任務調度求解。然後，對星間在線協同設計了基於需求---響應的任務規劃衝突消解機制來提升系統的整體效益。該方法能夠有效求解面向時敏移動目標的多星自主協同任務規劃問題，具備星上部署的實用性。
2017—2024年，作者始終致力於衛星任務規劃及優化調度方面的研究，本書凝結了這期間積累的主要研究成果。在內容研究及書稿撰寫期間，賀仁傑導師、劉曉路老師給予了作者悉心的指導，課題組的老師、同窗、師兄弟及秘書等提供了很多幫助，項目合作夥伴也提供了不少技術支持。當然，書籍的成稿出版，也離不開清華大學出版社陳凱仁編輯的辛勤付出。在此，作者由衷感謝為本書研究、撰稿以及出版提供了支持和幫助的各位老師、同門以及專家學者！
本書圍繞時敏與非時敏兩類移動目標的跟蹤，對多星協同規劃與自主調度的框架、模型及方法等進行了初步研究。研究的問題背景源于工程應用，涉及衛星任務規劃、組合優化、運籌學、不確定性調度等多方面的學科交叉點，研究成果可為相關領域的理論研究和工程應用提供有價值的借鑒與參考。當然，本書介紹的研究工作仍有待進一步拓展。作者撰寫本書不僅是為與相關領域工作者分享所悟，更是期待通過本書激發廣大讀者對相關科學問題的興趣，共同加入未知但可期的求知探索中。
儘管作者已竭盡全力提高本書的內容與質量，但是受限於個人水平，書中不可避免會出現疏漏之處，懇請各位讀者不吝賜教，對書中不當之處，敬請批評指正！
作者
2024年11月於北京

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