卫星有效载荷配置和布局设计方法

摘要

卫星有效载荷配置和布局协同设计是卫星总体设计的关键内容。卫星有效载荷配置和布局设计是指从有效载荷的备选集中选择满足客户功能要求和约束条件的有效载荷，并通过合理的组合最大限度的满足并优化用户提出的性能指标集，获得优化的产品配置方案；同时将该配置方案中有效载荷合理地布置在卫星舱内外，满足各种工程技术约束条件并尽可能优化布局方案的各项性能指标。所谓有效载荷是指装载在卫星上的直接实现卫星在轨运行特定任务的仪器、设备。在基于卫星设计公用平台基础上，卫星有效载荷配置和布局协同一体化设计是设计系列新卫星的关键，对于缩短卫星设计周期、节约成本、提高卫星性能等方面有着重要作用。在数学上，它属于组合最优化问题；在工程上，属于复杂工程系统问题。面临的主要困难在于既涉及数学上的组合爆炸问题，又涉及工程复杂性问题，并要达到工程实用。 本文以委托的相关卫星设计项目和航天领域“863”项目子课题为工程应用背景，在相应国家自然科学基金项目资助下，研究卫星有效载荷配置和布局设计及协同一体化设计方法，研究基于知识融合的人机结合协同进化设计方法。本文目的一是探索工程组合优化问题求解策略和方法，二是为支持卫星设计公用平台的卫星有效载荷设计仿真系统提供配置和布局协同一体化设计模块，三是为面向未料变化的应急设计提供理论方法和技术支持。论文的主要工作如下： (1)根据卫星有效载荷设计的过程和原则，建立了基于配置模块的卫星有效载荷配置设计模型，形成类产品结构层次树。通过配置模块的实例化完成一定功能的卫星有效载荷(产品组件)选择，分析了布局和接口两种配置约束关系。给出基于配置多Agent系统的求解方法(Configuringmulti-agentsystem，CMAS)，实现配置约束满足和性能指标优化分离，即通过配置Agent之间交互处理配置约束，获得配置实例构成可行的配置方案，进而采取基于蚁群算法的配置多Agent优化配置方案，利用蚁群算法的信息素浓度更新策略实现配置方案性能指标优化，并用于MSG-1卫星的有效载荷辐射仪(SEVIRI)配置设计。 (2)分析了卫星有效载荷布局设计的数学模型特点和求解策略，给出了一种用于求解卫星舱布局设计问题的散射协同进化算法(Cooperativecoevolutionaryscattersearch，CCSS)。散射搜索算法(Stattersearch，SS)是近年来兴起的求解组合优化问题有效方法，易于同启发式和局部搜索算法集成。针对本文卫星有效载荷布局问题为非连续多峰函数、易于早熟特点，对散射搜索算法进行了改进，给出了基于坐标变换的多样性解生成方法，采取新的参考集更新方法，给出了针对两类布局问题的两种新解改进方法。经带约束圆形Packing问题算例实验表明，散射搜索算法具有较好的全局搜索和局部搜索能力。针对卫星舱布局设计属耦合复杂工程设计问题，具有计算复杂性，采取分解策略，将合作式协同进化框架和散射搜索法相结合，构成散射协同进化算法(CCSS)，卫星舱布局设计数值实验表明了该散射协同进化算法的可行性和有效性。 (3)给出了基于知识融合的人机结合协同进化设计方法(Human-computercooperativecoevolutionarydesignbasedonknowledgefusion，HCCKF)，用于求解复杂卫星舱布局设计问题。首先建立广义知识模型和求解模型，采用协同进化框架，实现系统分解为若干子系统的协同进化求解，提出了基于人智知识、先验知识和算法知识三者融合的求解策略，进而建立了问题广义知识模型，用以描述算法计算方案、先验知识方案和在线人智方案，又给出了针对该模型的广义进化模型(也可看作知识融合模型)，采用本文改进的扩展散射搜索算法作为知识融合算法，实现人智知识、先验知识和算法知识有效充分融合。编制该方法系统原型，处理难数学化描述的设计因素，以发挥人机各自特长，从而达到工程实用和优化的目的。本方法也可用于配置和布局协同一体化设计(4)在上述工作和本课题组开发的航天器布局优化设计与仿真平台基础上，给出了卫星有效载荷配置和布局协同一体化设计方法和过程，讨论了相应的基于共生进化的配置和布局协同一体化设计模型、设计流程及其系统框架。在原有的航天器布局优化设计与仿真平台上增加了本卫星有效载荷配置和布局设计一体化设计模块。最后通过简化的欧洲第二代气象卫星MSG-1整星有效载荷配置和布局设计实例，对本文协同一体化设计方法和过程进行验证。 本文的研究具有理论意义和应用价值，可望推广应用于其它航空航天器、工程机械、隧道掘进机、船舶、高速列车等领域的配置和布局一体化设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2研究背景和问题提出

1.3研究内容和方法

1.4国内外相关技术研究进展

1.5存在的问题和求解策略

1.6研究意义和前期工作基础

1.7论文主要工作和组织结构

2卫星有效载荷配置设计建模与求解

2.1引言

2.2卫星有效载荷配置设计过程及定义

2.3卫星有效载荷配置设计建模

2.4基于配置多Agent系统的卫星有效载荷配置求解

2.5简化的MSG-1卫星有效载荷配置设计验证

2.6小结

3卫星有效载荷布局设计建模与求解

3.1引言

3.2卫星舱布局问题描述及特点分析

3.3散射搜索算法

3.4改进的散射搜索法

3.5散射协同进化算法

3.6简化的国际商业通信卫星舱布局设计验证

3.7小结

4基于知识融合的人机结合协同进化设计

4.1引言

4.2仿工程师成功设计模式启示：人智+先验知识+计算

4.3知识描述和建模

4.4知识融合实现

4.5简化的国际商业通信卫星舱布局设计验证

4.6小结

5卫星有效载荷配置与布局协同一体化设计方法及系统原型实现

5.1引言

5.2配置和布局协同一体化设计方法

5.3配置和布局协同一体化设计系统原型

5.4简化的MSG-1气象卫星有效载荷配置和布局协同一体化设计验证

5.5小结

6结论与展望

6.1论文工作总结

6.2后续研究工作展望

参考文献

发表学术论文和参加科研项目情况及获奖情况

论文创新点摘要

致谢

作者简介