卫星舱布局的双系统协同进化算法与CAD系统关键技术

摘要

卫星舱布局设计是基于卫星公用平台的卫星总体设计的重要内容。通常，它是指在卫星舱内外如何对卫星的各种仪器、设备进行布置，以满足各种工程技术约束条件并尽可能对布局方案的各项性能指标进行优化。卫星舱的布局设计对于缩短卫星设计周期、节约成本、提高卫星的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。面临的主要困难是既存在数学上的组合爆炸问题，又要达到工程实用。 本文以中国航天科技集团某部委托项目“航天器布局优化设计与仿真系统平台研究与开发”为工程背景，在国家自然科学基金项目和国家863高技术研究发展计划项目的资助下，研究高效、实用的卫星舱布局优化求解算法及其CAD开发关键技术。主要工作包括以下两个方面： (1) 以航天器 (如卫星) 的布局设计为应用背景，根据协同设计思想，提出解决一类复杂工程布局问题求解的算法——变粒度双系统协同进化算法 (Bi-system Co-evolutionary Algorithm with Variable-grain Model，简称BCCEA)。该算法借鉴合作式协同进化算法 (Cooperative Co-evolutionary Algorithm，CCEA)、变粒度以及双系统互补的思想，首先将原问题P系统 (一级) 按物理 (结构或学科) 单元分解为若干并行子系统，然后将P系统复制为两个独立的A、B系统(二级)，A、B系统中均包含上面提到的若干并行子系统 (三级)，构成双系统协同进化框架。该双系统具有互补关系，变粒度策略体现在适应度函数的繁简和设计变量数量的多寡上。A、B 系统共享原问题的设计变量，A与B系统、B系统的子系统BB间采用并行优化策略，并实现A、B系统之间(即 A、B 系统对应的子系统之间)的个体迁移。目的是增加群体多样性，又尽量减少计算复杂度。用于求解一类工程系统布局优化设计与仿真，以提高其计算效率、计算精度和计算成功率。 (2) 针对上述委托项目，提出了卫星舱布局优化设计与仿真系统平台的若干关键开发技术，包括该系统 CAD 平台总体设计、待布物和布局空间的三种描述模型、布局方案的自动装配定位技术、嵌入 Pro/E 的粗精两种三维干涉碰撞检测等技术。从工程实用角度出发，将本文所提出的算法与目前常用的各种算法库 (GAlib 遗传算法库、RAPID三维碰撞检测包)、工程软件 (Pro/Engineer) 等相结合，开发出一套针对三维复杂实体CAD 模型的、具有稳定算法内核并能实现三维干涉碰撞检测和自动装配定位的布局优化系统软件，构成上述系统平台的重要组成子系统。上述关键开发技术和布局优化系统软件经卫星舱布局优化实例验证，证明有助于 CAD 系统二次开发过程的研究与应用。 通过卫星舱布局优化设计的实例验证，与过去的不同之处在于格外考虑了卫星舱外的测控天线和太阳能帆板，以及发射和在轨飞行两种状态，并且舱内仪器和设备采用了逼近实际的3D外形，验证了本文方法的可行性和有效性。将本文所提出的双系统协同进化算法的实现，纳入工程软件集成的系统平台中，构成了“航天器布局优化设计与仿真系统平台”。经用户鉴定验收，并已用于某型号卫星布局设计与仿真的研发。 本文在理论上，给出了新的变粒度双系统协同进化算法，有助于协同进化算法的理论研究进展；在工程上，探讨了本文算法在卫星舱布局方案设计中的应用，提出了若干CAD 布局优化设计与仿真系统平台开发的关键技术，该系统平台可望推广应用于其它类型的航天器布局相关设计。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语表

声明

1绪论

1.1工程背景和问题的提出

1.2卫星舱布局设计研究进展

1.2.1布局问题概述

1.2.2卫星舱布局建模与求解方法

1.2.3小结

1.3协同进化算法研究进展

1.3.1竞争式协同进化算法的研究

1.3.2合作式协同进化算法的研究

1.3.3小结

1.4卫星舱布局与协同进化算法的研究进展评述

1.5本课题组前期相关工作基础

1.6论文研究目的、意义与研究内容、方法

1.6.1研究目的与意义

1.6.2研究方法和研究内容

2变粒度双系统协同进化算法

2.1卫星舱布局模型

2.2双系统的建立与协同进化框架

2.3变粒度策略

2.4数学优化模型

2.4.1原问题P的优化模型

2.4.2系统A的优化模型

2.4.3系统B及其子系统BB的优化模型

2.5双系统间最优个体迁移

2.5.1个体迁移准则

2.5.2个体编码串

2.5.3种群迁移的编码表示

2.6结束准则

2.7双系统互补匹配组合形式

2.8卫星舱布局算例验证

2.8.1已知条件

2.8.2数学模型

2.8.3求解方法

2.8.4仿真实验设置

2.8.5仿真实验结果与讨论

2.8.6仿真实验结论

2.9双系统互补协调机制与协调一致性问题

2.9.1协调机制与协调一致性问题

2.9.2双系统中的协调机制与一致性约束

2.10小结

3布局优化设计与仿真系统平台开发关键技术

3.1设计目标和约束条件及处理

3.2待布物和布局空间的理论模型

3.3系统平台总体设计

3.3.1 CAD/CAE软件应用方案

3.3.2系统平台开发

3.4自动装配定位技术及其实现

3.5干涉碰撞检测

3.6布局优化系统软件

3.7小结

4国际商业通信卫星舱布局优化设计与仿真实例

4.1卫星舱布局优化算法与软件系统验证

4.1.1仿真实验目的

4.1.2已知条件

4.1.3数学模型

4.1.4求解方法

4.1.5仿真实验设置

4.1.6仿真实验结果与讨论

4.1.7仿真实验结论

4.2小结

5结论与展望

5.1论文工作总结

5.2后续研究工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文、参加科研项目及获奖情况

致谢

创新点摘要