任务规划是保障空间站长期在轨运营的关键技术,有助于提高空间站运营安全性和鲁棒性、更多地发挥空间应用效益、减少运营费用。本文以我国空间站工程为背景,研究了飞行轨道方案优化、后勤补给策略优化、多任务综合规划和任务方案仿真等面向长期在轨运营的总体层面规划与仿真问题。主要研究成果如下:提出了空间站长期飞行轨道方案两层规划高效求解方法。1)分别建立了综合规划自主飞行、交会对接和组合体飞行等多个阶段轨道高度,及综合规划目标调相、轨道维持、轨道抬升、对地观测瞄准和载人飞船返回调整等多个任务轨道机动的非线性两层规划模型。2)提出了解析计算公式与摄动轨道积分相结合的打靶迭代策略,作为两个下层优化问题处理机动冲量的快速求解方法;并分别采用单纯形法和遗传算法对两个上层优化问题寻优。3)仿真结果表明:提出的方法有助于利用大气摄动衰减规律及综合考虑不同飞行阶段对轨道高度选择的影响,有助于综合考虑不同飞行任务轨道机动对空间站轨道特性的相互影响,获得满足复杂工程实际约束的推进剂优化解。提出了空间站后勤补给策略单目标与多目标优化方法。1)建立了统筹设计多艘货运飞船补给方案的非线性规划模型,从后勤补给的角度提出了总应用能力、平均应用能力、后勤补给鲁棒性和补给飞行独立性等评价空间站应用效益和运营鲁棒性的指标。2)分别以每个指标作为目标函数进行单目标优化,采用遗传算法寻优;考虑不同指标之间的相互影响,综合四个评价指标进行多目标优化,采用结合物理规划与遗传算法的方法寻优。3)仿真结果表明:货运飞船载货单和发射时间对于后勤补给策略均具有重要影响,优化平均应用能力比优化总应用能力可以更好地发挥空间站的应用效益,后勤补给鲁棒性和补给飞行独立性具有相反的变化趋势,且应用效益和运营鲁棒性两类指标具有此消彼长的关系;多目标优化相比单目标优化可以得到应用效益和运营鲁棒性均较高的后勤补给策略。提出了空间站多任务分层多目标综合规划方法。1)建立了处理维护维修、载荷应用、轨道机动、航天员驻留、货运飞船补给、载人飞船访问等多个任务之间复杂约束的在轨运营与后勤支持任务综合规划模型,并建立了兼顾效益和费用的应用效益与运营费用综合优化模型。2)采用分层规划的约束满足策略对在轨运营与后勤支持任务综合规划问题进行求解,采用结合物理规划与混合整数遗传算法的方法对应用效益与运营费用综合优化问题寻优。3)仿真结果表明:提出的方法有助于处理多个任务的相互约束、获得满足约束的任务方案,有助于权衡效益与费用之间的冲突、获得反映设计人员特定评价偏好的任务方案,可为空间站工程任务方案设计提供有效的解决方法。提出了空间站长期运营任务方案离散事件仿真方法。1)针对飞船发射延迟、空间站严重故障和航天员健康威胁发生的随机特性,提出了货运飞船发射延迟频率、载人飞船发射延迟频率、空间站严重故障发生频率、航天员健康威胁发生频率和任务方案未按时完成频率等不确定性统计评价指标。2)建立标称和不确定性任务方案的离散事件仿真模型,仿真结果表明:货运飞船补给延迟是否造成站上物资消耗不足取决于延迟时间和在轨物资的最低储备值,载人飞船访问延迟通常会造成航天员在轨驻留时间超过轮换周期而带来健康威胁,设计人员应该准备好应急预案以应对空间站严重故障和航天员健康威胁等在轨危急事故的随机发生,飞船发射延迟的随机性可能会导致空间站运营任务方案不能按时完成。论文紧密结合我国空间站工程实际,开展了面向长期在轨运营的总体层面任务规划与仿真研究,研究成果可为我国将来空间站的运营管理提供技术支持,具有较重要的工程实践价值。同时,论文从工程问题中提炼总体任务规划问题的特性、抽象数学规划模型、提出有效的规划方法,并开展任务方案仿真研究,具有一定的理论意义。