衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、對全球性資源探測、天基預(yù)警、導(dǎo)航和無線通信等服務(wù)的需求日益增長,推動(dòng)了衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的快速發(fā)展。衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的大規(guī)模、高度約束、多目標(biāo)和多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,協(xié)同優(yōu)化方法之前已成功地求解過此類設(shè)計(jì)問題。協(xié)同優(yōu)化法的分布式分析結(jié)構(gòu)可以有效提高衛(wèi)星星座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)與部署總的成本,對于設(shè)計(jì)可負(fù)擔(dān)的衛(wèi)星星座系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了將協(xié)同優(yōu)化方法用于衛(wèi)星星座設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)效率和降低計(jì)算復(fù)雜度,本文在

2、系統(tǒng)研究衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,建立了一個(gè)基于改進(jìn)的協(xié)同優(yōu)化方法的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)框架。
　　此改進(jìn)的設(shè)計(jì)框架包含以下內(nèi)容:
　　首先,指出了衛(wèi)星星座傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)有優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的局限性,針對原始構(gòu)型的選擇提出了基于分類與回歸樹(CART,ClassificationAndRegressionTree)算法的衛(wèi)星星座原始構(gòu)型選擇策略,將星座原始構(gòu)型選擇空間從滿足約束條件的全空間縮小到一個(gè)包含少于8個(gè)穩(wěn)定的星座原始構(gòu)型的小空間

3、。在此策略的基礎(chǔ)上,結(jié)合衛(wèi)星星座構(gòu)型三種典型設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)提出了層次遞進(jìn)的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。利用此方法設(shè)計(jì)了一個(gè)區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座的構(gòu)型,并用數(shù)值仿真驗(yàn)證了與現(xiàn)有星座構(gòu)型設(shè)計(jì)方法相比層次遞進(jìn)的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)方法計(jì)算效率高,設(shè)計(jì)的星座能夠長期保持穩(wěn)定的構(gòu)型。
　　其次,針對NSGA-II(Non-dominatedSortinginGeneticAlgorithmsII)的計(jì)算復(fù)雜度高的缺點(diǎn),改進(jìn)了其非支配排序算法。改進(jìn)后的NSGA-I

4、I其計(jì)算復(fù)雜度為O(MNlogN),遠(yuǎn)小于原NSGA-II的O(MN2),降低了原算法的計(jì)算量。改進(jìn)的NSGA-II算法被用于衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的子學(xué)科性能分析中,提高了衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算效率。
　　最后,針對衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)涉及學(xué)科多,衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化法設(shè)計(jì)系統(tǒng)級迭代計(jì)算次數(shù)多,而且每次迭代計(jì)算開銷大的缺陷,提出了一種基于比例、積分和微分(PID,ProportionIntegrationDifferentiation)控

5、制的衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)法。數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法與原協(xié)同優(yōu)化法達(dá)到了相同的設(shè)計(jì)結(jié)果,但子學(xué)科耦合變量本地值與系統(tǒng)級對應(yīng)耦合變量的目標(biāo)值之間差值的下降速度加快,系統(tǒng)級迭代的次數(shù)減少33.3％,計(jì)算量明顯下降。
　　結(jié)果表明,本文在衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié)所進(jìn)行的改進(jìn),形成了一套靈活高效的衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)框架,促進(jìn)了衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化。另外,此設(shè)計(jì)框架在系統(tǒng)級是以星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署總成本為優(yōu)化目標(biāo),為設(shè)計(jì)最小成本衛(wèi)星星座系