前    言

21 世纪以来，我国航天事业步入快速发展时期，卫星规模呈“爆炸式”增长。为统筹在轨卫星及管控资源，满足卫星应用需求，最大限度发挥卫星系统社会、经济和军事效益，卫星任务调度至关重要。随着我国卫星管控与应用方式的不断变化，跨部门、跨型号成为卫星管控的新常态，一体化、快速响应成为卫星应用的新要求。在此背景下，当前“一星一系统”的卫星任务调度系统研发与应用弊端日益突出，各部门、各型号、各类卫星任务调度系统难以互容，相关模型与算法的通用性亟须提升。鉴于此，为打破“一星一系统”的卫星管控壁垒，支撑各类卫星联合机动管控与灵活高效应用，同时突破美国STK/Scheduler 在相关软件技术领域的垄断地位，本书开展了卫星任务调度引擎研究，重点研究了通用化的卫星任务调度建模与求解方法。主要内容如下：

（1）设计了卫星任务调度引擎顶层框架。针对卫星任务调度引擎的应用背景，界定了遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类主要的卫星任务调度问题，明确了研究范畴和“立足实际、面向应用”的研究原则，给出了卫星任务调度引擎的基本定义，指明了卫星任务调度引擎的功能需求。在此基础上，设计了一种“模型—常规算法—应急算法”解耦的卫星任务调度引擎顶层框架，阐释了框架优势，为各类卫星任务调度问题提供了一种通用化、模块化的建模与求解新思路，为本书模型、算法研究工作指明了具体方向。

（2）提出了卫星任务调度通用化建模方法。针对卫星任务调度模型通用性问题和“一星一系统”管控现状，首先将卫星任务调度问题统一描述为一个包含任务集、资源集、评分集和决策矩阵的四元组，系统地、层次化地描述了卫星任务调度问题。其次，创造性地阐释了“任务集—资源集”之间，即“卫星事件—事件执行时机”之间存在的决策关系，构建了通用的0-1 混合整数决策模型，给出了遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类卫星任务调度问题的决策模型示例，为松耦合的卫星任务调度引擎框架提供了“关键耦合点”。基于此，分析、总结了卫星任务调度主要约束条件，通过约束对象、约束阈值和约束关系设计了统一的约束模板，以及基于约束网络的约束计算方法。最后，给出了四类卫星任务调度问题的收益函数模型。以上，通过“决策—约束—收益”松耦合的卫星任务调度通用化建模方法，成功将遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类主要的卫星任务调度问题纳入一套统一的建模体系，开辟了一条卫星任务调度问题通用化、精细化建模的新思路，为卫星任务调度引擎提供重要的通用模型支撑。

（3）提出了一种面向卫星常规任务调度的自适应并行模因演化算法。面向卫星管控部门每日、每周的常规任务调度需求，围绕初始解质量、局部寻优能力、全局寻优能力、自适应性、通用性和时间复杂性等算法设计需求，提出了一种通用的自适应并行模因演化算法（adaptive parallel memetic algorithm，APMA），依次集成了基于启发式的快速初始解构造策略、基于并行搜索的通用局部优化策略、基于竞争的算法算子自适应选择策略和基于种群演化的全局优化策略，形成了相互协同、优势互补的策略优势。在此基础上，通过定向问题、简化版遥感卫星任务调度问题等标准问题（benchmark）测试了APMA，阐明了其求解标准问题的通用性和有效性，为卫星常规任务调度问题提供了通用、高效的求解手段，为卫星任务调度引擎提供了核心算法支撑。

（4）设计了一种面向卫星应急任务调度的分布式动态滚动优化算法。针对增减任务、卫星故障等现实管控环境中卫星应急任务调度需求迫切、常规调度算法时效性不足的实际情况，围绕应急任务调度算法设计需求，设计了一种通用的分布式动态滚动优化（distributed dynamic rolling optimization，DDRO）算法，依次集成了基于动态合同网的任务协商与分配策略、基于滚动时域的单平台任务重调度策略、基于可调度预测的任务快速插入策略和基于约束网络的实时冲突消解策略，在卫星常规任务调度结果的基础上实施动态、实时、有效的优化，为卫星应急任务调度问题提供了通用、灵活的求解手段，为卫星任务调度引擎提供了又一算法支撑。

（5）完成了卫星任务调度引擎实践应用。基于以上卫星任务调度通用化建模与优化方法，以“高景一号”商业遥感卫星、“天链一号”中继通信卫星、“北斗三号”导航卫星和美国空军卫星测控任务等四类实际卫星任务调度问题为例，完成了卫星任务调度引擎应用实验，实践了卫星任务调度通用化建模方法，检验了卫星常规、应急任务调度算法APMA 和DDRO，介绍了相关应用系统，说明了卫星任务调度引擎的可行性和应用前景，为卫星任务调度引擎的工程化应用提供了实践依据。

本书是作者在国防科技大学系统工程学院求学与工作期间完成的。本书的完成离不开作者导师邢立宁研究员的悉心指导，以及团队陈英武、贺仁杰、姚锋、刘晓路、陈盈果、张忠山、陈宇宁、吕济民、王涛、沈大勇、何磊老师的大力支持和指导。本书在撰写过程中参考了许多参考文献，本书的完成也离不开这些学者的贡献和启发。在此，向所有给予我们指导、帮助与启发的各位老师与学者表示衷心感谢。同时，由于作者水平有限，本书难免存在不妥与待完善之处，欢迎专家学者和读者朋友批评指正，提出宝贵意见，我们将不胜感激。

作者

2022 年6 月于长沙