未来对地观测系统能够随时响应用户和卫星提出的观测需求,并且能够快速准确的回答什么时间、什么地点、什么目标发生了什么样的变化。但正是这种高效便捷的用户体验,却给对地观测组织过程带来了极大的挑战,尤其是对观测任务的规划方式提出了更高的要求。目前,绝大多数对地观测卫星所执行的观测计划,都是由地面任务规划系统生成的,然后通过星地链路上注至卫星。这种“天地大回路”的管控模式从需求搜集到数据采集,再到产品生成,整个过程需要很长的时间,根本无法满足未来对地观测系统对时效性的要求。与“天地大回路”相比,星上自主规划技术在提高卫星对观测需求的快速响应能力、提高多星协同能力、减少对地面测控系统的依赖等方面都具有巨大的优势,因此非常适合未来对地观测系统。本文的主要研究内容如下:(1)对敏捷对地观测卫星自主规划问题进行了分析,明确了问题的定义与研究范畴,总结了问题的特点与难点,并给出了问题的基本假设。完成了星上自主规划模块架构设计,明确了模块内各个子模块间的关系以及每个子模块的功能。根据每个子模块的功能特点将敏捷对地观测卫星自主规划问题分解为协调控制策略设计、星上任务规划问题和星上动作规划问题,提出了通过逐个求解子问题的方式来求解自主规划问题的求解框架。(2)提出了基于有限状态机的协调控制策略。该策略通过缩短规划周期和缩小规划范围,大幅增加规划次数,实现了用反复进行的小规模的规划问题求解代替一次性大规模的规划问题求解。由于规划次数大幅增加,所以每一次进行规划时都能建立在最新任务信息的基础上,因此能够将观测需求的动态变化及时反映在优化之中。(3)从约束条件、决策变量和优化目标三个方面进行数学抽象,建立了星上任务规划问题的约束满足模型。在问题模型的基础上,设计了变邻域搜索算法。提出了二维矩阵编码方法、三种邻域结构和用于生成观测任务序列的多种启发式规则,并且给出了决策变量的计算方法。实验表明,变邻域搜索算法可以有效解决星上任务规划问题。(4)建立了星上动作规划问题的约束满足模型。模型考虑了对地观测动作、数据回传动作、对日定向动作、对地定向动作、姿态转换动作等9种卫星动作。通过分析卫星动作之间的组合关系,不仅归纳出能够完成各类卫星任务所需要的9种动作序列,而且提出了面向动作序列进行搜索的三阶段变邻域搜索算法TVNS。实验表明,TVNS算法能够较好地解决星上动作规划问题。(5)为验证论文所提出的各项关键技术,在上述研究成果的基础上设计了卫星自主规划实验系统。