衛(wèi)星有效載荷配置和布局設(shè)計(jì)方法.pdf_第1頁(yè)
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1、衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同設(shè)計(jì)是衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。衛(wèi)星有效載荷配置和布局設(shè)計(jì)是指從有效載荷的備選集中選擇滿足客戶功能要求和約束條件的有效載荷,并通過合理的組合最大限度的滿足并優(yōu)化用戶提出的性能指標(biāo)集,獲得優(yōu)化的產(chǎn)品配置方案;同時(shí)將該配置方案中有效載荷合理地布置在衛(wèi)星艙內(nèi)外,滿足各種工程技術(shù)約束條件并盡可能優(yōu)化布局方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)。所謂有效載荷是指裝載在衛(wèi)星上的直接實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行特定任務(wù)的儀器、設(shè)備。在基于衛(wèi)星設(shè)計(jì)公用平臺(tái)基礎(chǔ)上

2、,衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同一體化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)系列新衛(wèi)星的關(guān)鍵,對(duì)于縮短衛(wèi)星設(shè)計(jì)周期、節(jié)約成本、提高衛(wèi)星性能等方面有著重要作用。在數(shù)學(xué)上,它屬于組合最優(yōu)化問題;在工程上,屬于復(fù)雜工程系統(tǒng)問題。面臨的主要困難在于既涉及數(shù)學(xué)上的組合爆炸問題,又涉及工程復(fù)雜性問題,并要達(dá)到工程實(shí)用。 本文以委托的相關(guān)衛(wèi)星設(shè)計(jì)項(xiàng)目和航天領(lǐng)域“863”項(xiàng)目子課題為工程應(yīng)用背景,在相應(yīng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下,研究衛(wèi)星有效載荷配置和布局設(shè)計(jì)及協(xié)同一體化設(shè)計(jì)

3、方法,研究基于知識(shí)融合的人機(jī)結(jié)合協(xié)同進(jìn)化設(shè)計(jì)方法。本文目的一是探索工程組合優(yōu)化問題求解策略和方法,二是為支持衛(wèi)星設(shè)計(jì)公用平臺(tái)的衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)提供配置和布局協(xié)同一體化設(shè)計(jì)模塊,三是為面向未料變化的應(yīng)急設(shè)計(jì)提供理論方法和技術(shù)支持。論文的主要工作如下: (1)根據(jù)衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)的過程和原則,建立了基于配置模塊的衛(wèi)星有效載荷配置設(shè)計(jì)模型,形成類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次樹。通過配置模塊的實(shí)例化完成一定功能的衛(wèi)星有效載荷(產(chǎn)品組件)選擇,分

4、析了布局和接口兩種配置約束關(guān)系。給出基于配置多Agent系統(tǒng)的求解方法(Configuringmulti-agentsystem,CMAS),實(shí)現(xiàn)配置約束滿足和性能指標(biāo)優(yōu)化分離,即通過配置Agent之間交互處理配置約束,獲得配置實(shí)例構(gòu)成可行的配置方案,進(jìn)而采取基于蟻群算法的配置多Agent優(yōu)化配置方案,利用蟻群算法的信息素濃度更新策略實(shí)現(xiàn)配置方案性能指標(biāo)優(yōu)化,并用于MSG-1衛(wèi)星的有效載荷輻射儀(SEVIRI)配置設(shè)計(jì)。 (2)

5、分析了衛(wèi)星有效載荷布局設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)和求解策略,給出了一種用于求解衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)問題的散射協(xié)同進(jìn)化算法(Cooperativecoevolutionaryscattersearch,CCSS)。散射搜索算法(Stattersearch,SS)是近年來興起的求解組合優(yōu)化問題有效方法,易于同啟發(fā)式和局部搜索算法集成。針對(duì)本文衛(wèi)星有效載荷布局問題為非連續(xù)多峰函數(shù)、易于早熟特點(diǎn),對(duì)散射搜索算法進(jìn)行了改進(jìn),給出了基于坐標(biāo)變換的多樣性解生成方法

6、,采取新的參考集更新方法,給出了針對(duì)兩類布局問題的兩種新解改進(jìn)方法。經(jīng)帶約束圓形Packing問題算例實(shí)驗(yàn)表明,散射搜索算法具有較好的全局搜索和局部搜索能力。針對(duì)衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)屬耦合復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題,具有計(jì)算復(fù)雜性,采取分解策略,將合作式協(xié)同進(jìn)化框架和散射搜索法相結(jié)合,構(gòu)成散射協(xié)同進(jìn)化算法(CCSS),衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明了該散射協(xié)同進(jìn)化算法的可行性和有效性。 (3)給出了基于知識(shí)融合的人機(jī)結(jié)合協(xié)同進(jìn)化設(shè)計(jì)方法(Human

7、-computercooperativecoevolutionarydesignbasedonknowledgefusion,HCCKF),用于求解復(fù)雜衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)問題。首先建立廣義知識(shí)模型和求解模型,采用協(xié)同進(jìn)化框架,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化求解,提出了基于人智知識(shí)、先驗(yàn)知識(shí)和算法知識(shí)三者融合的求解策略,進(jìn)而建立了問題廣義知識(shí)模型,用以描述算法計(jì)算方案、先驗(yàn)知識(shí)方案和在線人智方案,又給出了針對(duì)該模型的廣義進(jìn)化模型(也可看作

8、知識(shí)融合模型),采用本文改進(jìn)的擴(kuò)展散射搜索算法作為知識(shí)融合算法,實(shí)現(xiàn)人智知識(shí)、先驗(yàn)知識(shí)和算法知識(shí)有效充分融合。編制該方法系統(tǒng)原型,處理難數(shù)學(xué)化描述的設(shè)計(jì)因素,以發(fā)揮人機(jī)各自特長(zhǎng),從而達(dá)到工程實(shí)用和優(yōu)化的目的。本方法也可用于配置和布局協(xié)同一體化設(shè)計(jì)(4)在上述工作和本課題組開發(fā)的航天器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上,給出了衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同一體化設(shè)計(jì)方法和過程,討論了相應(yīng)的基于共生進(jìn)化的配置和布局協(xié)同一體化設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)流程及其系統(tǒng)

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