敏捷凝视卫星密集点目标聚类与最优观测规划

针对敏捷凝视卫星密集点目标观测规划问题,提出一种快速观测任务聚类策略和启发式蚁群优化算法.首先,针对敏捷凝视卫星视场范围特点,提出基于顶点度的团划分算法,解决密集点观测任务聚类问题,形成系列团观测目标,有效提高观测效率;其次,为得到最优团目标观测序列,考虑目标可见时间窗口约束以及卫星敏捷机动能力约束,构建基于多目标观测收益和姿态机动能耗的性能指标,实现能量高效的任务规划;再次,为克服传统蚁群算法易陷入局部极小值和收敛较慢的缺点,设计一种同时考虑目标点优先级、目标可见时间窗口、目标之间卫星姿态转换时间等因素的启发式蚁群算法;最后,选取大规模密集地面目标验证所提出算法的可行性和高效性.     

基于多边形距离的卫星对地时间窗口快速计算方法

随着近地轨道上的卫星数量急剧上升、卫星之间通过组网以星座的方式协同工作,增加了对地监测的能力;“星链”是近年来低轨巨型星座的典范,“星链”星座卫星轨道高度低,周期短,重访率高;卫星携带传感器后对地球表面形成探测区域,星座不同卫星能够同时对重点区域实现多重覆盖,可对全球主要地区完成24小时不间断侦察监视;将建模计算得到的覆盖区域和目标区域在二维平面表示为多边形(星下点表示为平面内一点),可以把卫星对目标区域覆盖时间窗口计算问题转化为图形之间的几何关系判断问题;同时,针对固定步长耗时较长的问题,根据多边形之间的距离设计了求解时间窗口的快速计算方法;依据平面内多边形预测距离的变化率动态设置步长,一天内参与覆盖边界计算、与目标区域相交判断的采样点数目由86 500个减少为457个,相比于固定步长方法效率提升约99.5%。     

卫星对区域目标的时间窗口快速计算方法

为了提高卫星对区域目标时间窗口的计算效率,并兼顾结果的精确性,提出一种基于迭代修正的时间窗口计算方法.利用问题特性将卫星对区域的时间窗口计算化为对区域每条边界的时间窗口计算,首先在不考虑地球自转下得到每条边界的时间窗口,然后根据地球自转特征对计算结果进行迭代修正,最后对所有的边界的时间窗口进行综合得到区域目标时间窗口.该算法充分利用卫星轨道的基本特性,实现了对区域目标时间窗口的快速和精确计算.数值计算结果表明,改进算法计算效率高,计算结果精确.     

基于改进SIFT算法的双目视觉距离测量

针对视觉传感器距离测量中所使用的图像特征匹配算法精度不高、计算量大、实时性差等问题,提出了一种改进尺度不变特征变换(SIFT)图像特征匹配算法,并应用于双目测距系统当中.改进SIFT算法基于简化尺度构造空间,以曼哈顿距离作为最邻近特征点查询中的相似性度量,提高了算法效率.初次匹配之后与随机采样一致算法(RANSAC)结合,剔除误匹配点;基于精度较高的二次匹配点,提取匹配点像素信息进行距离计算,通过测距试验验证算法的可行性.实验结果表明:提出的方法获取目标距离达到较高精度,满足观测设备要求.     

基于扫描线的卫星区域覆盖分析算法

针对传统网格点法评估卫星区域覆盖性能时运算量大且效率低的问题,提出一种改进的卫星区域覆盖分析算法。在卫星覆盖带多边形生成和目标区域包围盒网格划分的基础上,基于经度方向的网格点构造扫描线,将扫描线与目标区域的相交部分作为初始计算对象,通过初始计算对象与覆盖带多边形的求交实现扫描线的分段划分,统计扫描线分段数据得到覆盖率、覆盖重数等指标。算例分析结果表明,该算法具有较低的时空复杂度,当网格数量超过80万时,运算时间仅为传统网格点法的1.19%。     

复杂约束条件下卫星观测多目标获取优化算法

在复杂约束条件下,卫星对多目标的获取效率成为卫星观测研究领域的热点问题。提出基于贪婪方法的实际复杂约束条件下多目标获取优化算法。该方法基于传感器约束模型对多目标进行可视筛选,基于卫星侧摆约束模型对可视目标实现可访问互斥目标集合分类,采用考虑能源约束模型的贪婪优化算法获取最优目标访问路径。实验结果表明,实际复杂约束条件下,该算法可在最少能源消耗情况下获取更多目标,获取效率及能耗明显优于传统的蚁群算法和遗传算法。     

基于演化算法的带侧摆多星点目标调度算法

针对成像卫星观测效率较低的问题,提出了一种侧摆情况下的多星点目标调度方法。首先分析了卫星与地面目标的角度关系、正负侧摆角度以及时间窗口的计算方法。在此基础上,以最大化观测收益、最小化侧摆次数及最小化总的侧摆角度为优化目标,建立了带侧摆的多星点目标调度模型。并基于演化算法,提出了一种载荷侧摆情况下优化调度算法。算法中采用任务级别的单点交叉算子,通过时间窗口的选取进行变异操作,定义了基于冲突度的适应度计算函数,通过调整活动的实际开始时间来减少冲突,基于目标的优先顺序设计了个体的选择策略,基于冲突代价的概念设计了冲突消除方法。最后,针对一个具体的实例,给出了5星100个点目标在侧摆情况下的调度与仿真结果,并对侧摆角度分别为0°、10°、25°时的调度性能进行了分析。实验结果表明,当侧摆角度为25°时,其观测效率比无侧摆时提高18%,该方法在应急救灾及战时快速响应等应用上有着重要的价值。     

多卫星区域观测任务的效率优化研究

多颗对地观测卫星对区域目标进行观测的效率优化问题涉及到时间窗口、存储容量、地面分辨率等诸多因素,是一个十分复杂的优化问题。在分析该问题的特点的基础上,首先对原始数据进行仿真预处理,通过STK仿真软件计算处理难以量化的时间窗口等复杂的约束条件;然后在仿真的输出数据的基础之上建立数学优化模型。在模型求解问题上,通过对问题特点的分析,提出并实现了遗传算法。最后通过一个想定实例验证了模型和算法的求解的有效性。     

一种改进的广义标签多伯努利机动扩展目标跟踪算法

针对广义标签多伯努利滤波器(GLMB)预测步和更新步分别需要进行剪枝而导致计算量大、运行效率低且只考虑到单个运动模型的问题,提出一种多模型一步更新广义标签多伯努利机动扩展目标跟踪算法.首先通过公式推导将预测步与更新步合并,给出一种新的一步递归表达式;然后将多模型思想引入到一步递归表达式中,得到最终的多模型一步更新方程,同时基于吉布斯采样提出一种快速剪枝方法对其进行剪枝.由于改进后的滤波算法只涉及到一次剪枝且剪枝方法高效,算法的运行时间大大缩短;同时,由于采用了多模型思想,对机动目标的跟踪精度有了一定的提高.仿真实验表明,所提出的改进算法可以有效估计机动目标状态,且相比于多模型标签多伯努利滤波器(MMGLMB)计算效率明显提高.     

基于改进RRT*的移动机器人路径规划算法

RRT~*算法在路径规划过程中确保了其概率完备性和渐进最优性,但仍存在收敛速度慢且产生大而密集的采样空间等问题。为此,在RRT~*的基础上提出一种新的离线路径规划算法。在开始采样前快速瞄准目标区域,生成包含起始点与目标点的有界连通性区域。采用人工势场法优化采样过程,减少计算量,在势场合力的作用下有界区域内执行目标偏差采样,调整采样区域,在较短时间内生成较优路径。实验结果表明,当生成的路径成本相同时,该算法所需的迭代次数和执行时间远小于RRT~*算法,算法效率更高。     

面向深空探测任务的实数遗传编码多星任务规划算法

针对面向深空探测任务的多星任务规划问题,综合考虑卫星对目标时间窗口、卫星姿态机动以及工作能耗等约束条件,建立了面向深空探测任务的多星任务规划问题模型,针对常规01编码在进行大规模卫星任务规划时,存在的编码长度过长等问题,提出了一种基于实数编码方式的遗传算法,以求解面向深空探测的多星任务规划问题.该算法采用了一种以目标为染色体的实数编码方式,相比传统的以时间窗口为染色体的01编码方式,缩短了染色体长度,可有效提高算法的求解效率.通过仿真算例分析,验证了基于实数编码的遗传算法对求解多星任务规划问题的正确性、合理性和有效性,并将其与基于传统01编码方式的遗传算法进行对比分析,其结果表明基于实数编码方式的遗传算法在寻优能力和计算速度上具有明显优势,这为求解面向深空探测任务的多星任务规划问题提供了一种新的思路和方法.     

基于窗口与线段双重几何变换的线段裁剪新算法

鉴于裁剪算法中求交的时间复杂性和求交的技术必要性,如何尽快舍弃与窗口根本不相交的冗余线段成为提高裁剪效率的关键。鉴于传统编码技术取舍线段的高效性,引入一次编码技术;针对一次编码技术的局限性,文章首次提出窗口几何变换的概念,并引入二次编码技术,通过广义窗口高效舍弃冗余线段,尽量避免求交运算;后续流程引入线段几何变换技术实施裁剪,尽可能加快求交进程。窗口变换与线段变换集成的双重变换技术,将线段重新划分为六类,分别采取高效的处理策略,算法实现表明裁剪算法效率显著提高。该文算法具有一定的理论意义和普遍的应用意义。     

基于双约束滑动时间窗口的告警预处理方法研究

在通信网告警相关性分析中,针对传统时间窗口提取告警数据效率低的问题,提出了一种基于双约束滑动时间窗口的告警预处理方法.在双约束的条件下,滑动时间窗的窗口宽度和滑动步长能够根据告警序列的实际情况自动地调整,并选取时间段的中点作为参照点.实验证明,采用双约束滑动时间窗划分算法可以获得比传统方法更高的数据提取效率,并且能够有效去除噪声数据,非常适合于通信网告警数据的预处理.     

一种可以用于小卫星跟踪的平滑粒子滤波器

针对小卫星的地面机动目标跟踪环境日趋复杂,跟踪精度要求日益提高的现状,引入平滑粒子滤波器。算法结合粒子滤波器和吉布斯采样器(Gibbs Sampler),通过对系统的机动性和测量与目标关联问题的平滑估计,很好地解决了在杂波环境下具有非高斯非线性特性机动目标的跟踪问题。在对杂波环境下机动目标跟踪问题的仿真研究中,对比了该算法与BMM PDA算法(BMM,靴带多模型算法)的跟踪性能,结果证明了新的平滑粒子滤波器算法以计算量为代价获得了更好的跟踪性能。     

双目区域视差快速计算及测距算法

目的 双目测距对水面无人艇自主避障以及视觉侦察具有重要意义,但视觉传感器成像易受光照环境及运动模糊等因素的影响,基于经典Census变换的立体匹配代价计算方法耗时长,且视差获取精度差,影响测距精度。为了提高测距精度并保证算法运行速度,提出一种用于双目测距的快速立体匹配算法。方法 基于传统Census变换,提出一种新的比特串生成方法,在匹配点正方形支持窗口的各边等距各选3个像素点,共选出8个像素点,这8个像素点两两比较生成一个字节的比特串。将左右视场中的匹配点与待匹配点的比特串进行异或,得到两点的汉明距离,在各汉明距离中找到距离最小的像素点作为匹配像素点,两像素点的横坐标差为视差。本文采用区域视差计算的方法,在左右视场确定同一目标区域后进行视差提取和滤波,利用平均视差计算目标的距离。结果 本文算法与基于传统Census变换的立体匹配视差获取方法相比,在运算速度方面优势明显,时间稳定在0.4 s左右,用时仅为传统Census变换算法的1/5。在Middlebury数据集中的图像对teddy和cones上进行的算法运行时间对比实验中,本文基于Census变换改进的算法比已有的基于Census变换的匹配算法在运行时间上快了近20 s。在实际双目测距实验中,采用本文算法在1019 m范围内测距误差在5%以内,根据无人艇的运动特点和避障要求,通过分析可知该算法的测距精度可以满足低速无人艇的避障需求。结论 本文给出的基于改进Census变换的匹配算法在立体匹配速度上有大幅提高,提取目标视差用于测距,实际测距结果表明,本文算法能够满足水面无人艇的视觉避障要求。     

基于局部聚类的轨迹数据流偏倚采样

移动对象轨迹数据管理是移动计算领域的研究热点。通过采样技术构造数据流摘要是普通采用的方法之一。传统的均匀采样往往容易丢失某些关键变化数据。利用轨迹数据流的局部连续性特征,提出一种基于滑动窗口的偏倚采样算法。算法将滑动窗口通过聚类划分成若干大小不一的基本窗口,并针对每个基本窗口给定一个采样率,对窗口内数据进行偏倚采样,从而形成数据流摘要。算法利用了轨迹数据的内在特征,因此具有较高的采样质量。最后,基于实际数据对算法进行了实验,结果证明了算法的有效性。     

基于STK/Matlab的地面站选址与卫星可见性仿真分析

随着我国航天事业迅猛发展,在轨运行卫星数量急剧增加,有限的航天测控资源难以满足日益增长的测控需求。因此,基于网格球顶相控阵天线技术及现有地面测控站数学结构,提出了符合实际工程需求的半椭球面共形相控阵阵列地面测控站模型,通过STK/Matlab联合仿真,以卫星两行数作为目标库进行数据采集,通过地球坐标系与子阵视线坐标系实现数据转换,以此探讨地面站选址与中国现役卫星之间的可见性关系。仿真结果表明,在海拔一致的情况下,纬度和经度均与卫星可见性成正相关关系。同时,实验结果为全国范围内地面站测控站工作积累科学数据,为后续相控阵阵列天线最大化利用提供数据基础与应用支持。