题目：空间对地观测任务规划与调度研究

空间对地观测具有观测范围广、持续时间长、数据产品均一性和同一性好等优势，是全球变化敏感因子监测不可替代的技术手段。经过数十年的不断发展，在轨运行的对地观测卫星数量不断增加，但是相对于迅速增长的影像数据需求，现有的卫星资源仍显得异常宝贵。本文的研究目的之一就是在现有对地观测任务的基础上，开发和实现面向全球变化研究的对地观测任务规划新方法和新技术。此外，合理利用现有卫星资源是提升空间对地观测应用能力的有效手段，本文的另一研究目的就是建立对地观测任务调度问题的求解模型。围绕上述研究目的，本文主要完成了以下研究工作：以系统工程思想为指导，在航天任务阶段划分理论的基础上，分析和总结一般航天任务规划与调度问题的基本特征。基于以上分析，以空间观测全球变化为应用背景，归纳和总结针对对地观测任务的规划与调度基础理论，为后续研究工作的开展奠定理论基础。根据对地观测任务的需求特点，本文分析了对地观测任务中的常用轨道以及有效载荷的观测几何。根据对地观测任务规划中有效载荷观测几何与轨道参数耦合性强的特点，提出了在任务规划阶段可用于快速确定对地观测任务轨道参数范围的设计方法。无论是对地观测任务的规划方案评估，还是观测任务的运行调度，准确获取卫星、太阳、地球三者之间的相对时空关系都是非常重要的前提条件。本文将规划与调度的预处理问题归结为可见时间窗口的计算问题，给出了问题的数学描述，并开发了基于Hermite插值的可见窗口快速算法。为了求解多约束条件下的可见时间窗口问题，本文定义了约束状态函数，并给出了基于此函数的多约束时间窗口计算方法。结合对地观测的实际案例，给出了相关预处理技术的应用步骤。为了给对地观测规划决策人员提供相关的数据支持工具，本文创新性地将来自与对地观测任务相关的不同业务系统的数据整合到一起，构建了以分层体系结构为基础的对地观测任务数据仓库。基于构建好的数据仓库，论文从航天任务的宏观对比、对地观测任务的轨道特性、有效载荷观测特性等三个方面对仓库中的数据进行了挖掘分析，并分别阐述了这些分析对于任务规划的决策支持。针对空间组网观测全球变化这一对地观测任务规划领域的新课题，论文通过对国内外经典任务发展与运行的分析，归纳出了两类典型的组网观测任务类型：以提高观测时间分辨率为目的的多星联合组网观测和以提高光谱分辨率为目的的多星协同组网观测。针对这两类任务规划，论文分别给出了基于地面轨迹分布图的联合观测规划方法和基于星下点跟飞的协同观测规划方法，并利用基于相对轨道要素的航天器近距离运动理论分析了卫星与标称轨位之间的相对运动关系。为了实现对地观测任务调度问题的有效求解，论文分析了对地观测任务调度的业务流程和所涉及到的对象以及相互之间的约束关系。在此基础上，论文提出了基于规划领域建模语言NDDL的对地观测任务调度建模方法，并构建了一个简化的对地观测任务调度模型，最后，通过利用统一求解框架EUROPA对模型的求解验证了模型的有效性。本文以空间对地观测任务为研究对象，以空间观测全球变化敏感因子为应用背景，围绕任务规划与调度技术开展研究，总结归纳了相关基础理论，并在对地观测任务轨道参数初选、可见时间窗口计算、规划决策数据工具开发与分析、空间组网观测规划以及对地观测调度问题建模与求解等方面取得了一定的成果。本文所做的研究以及所取得的研究成果可以为我国开展空间对地观测任务规划与调度提供相关技术参考。