衛(wèi)星有效載荷配置和布局設計方法.pdf

1、衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同設計是衛(wèi)星總體設計的關鍵內(nèi)容。衛(wèi)星有效載荷配置和布局設計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集，獲得優(yōu)化的產(chǎn)品配置方案；同時將該配置方案中有效載荷合理地布置在衛(wèi)星艙內(nèi)外，滿足各種工程技術約束條件并盡可能優(yōu)化布局方案的各項性能指標。所謂有效載荷是指裝載在衛(wèi)星上的直接實現(xiàn)衛(wèi)星在軌運行特定任務的儀器、設備。在基于衛(wèi)星設計公用平臺基礎上

2、，衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同一體化設計是設計系列新衛(wèi)星的關鍵，對于縮短衛(wèi)星設計周期、節(jié)約成本、提高衛(wèi)星性能等方面有著重要作用。在數(shù)學上，它屬于組合最優(yōu)化問題；在工程上，屬于復雜工程系統(tǒng)問題。面臨的主要困難在于既涉及數(shù)學上的組合爆炸問題，又涉及工程復雜性問題，并要達到工程實用。 本文以委托的相關衛(wèi)星設計項目和航天領域“863”項目子課題為工程應用背景，在相應國家自然科學基金項目資助下，研究衛(wèi)星有效載荷配置和布局設計及協(xié)同一體化設計

3、方法，研究基于知識融合的人機結合協(xié)同進化設計方法。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)星設計公用平臺的衛(wèi)星有效載荷設計仿真系統(tǒng)提供配置和布局協(xié)同一體化設計模塊，三是為面向未料變化的應急設計提供理論方法和技術支持。論文的主要工作如下： (1)根據(jù)衛(wèi)星有效載荷設計的過程和原則，建立了基于配置模塊的衛(wèi)星有效載荷配置設計模型，形成類產(chǎn)品結構層次樹。通過配置模塊的實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系。給出基于配置多Agent系統(tǒng)的求解方法(Configuringmulti-agentsystem，CMAS)，實現(xiàn)配置約束滿足和性能指標優(yōu)化分離，即通過配置Agent之間交互處理配置約束，獲得配置實例構成可行的配置方案，進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現(xiàn)配置方案性能指標優(yōu)化，并用于MSG-1衛(wèi)星的有效載荷輻射儀(SEVIRI)配置設計。 (2)

5、分析了衛(wèi)星有效載荷布局設計的數(shù)學模型特點和求解策略，給出了一種用于求解衛(wèi)星艙布局設計問題的散射協(xié)同進化算法(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，對散射搜索算法進行了改進，給出了基于坐標變換的多樣性解生成方法

6、，采取新的參考集更新方法，給出了針對兩類布局問題的兩種新解改進方法。經(jīng)帶約束圓形Packing問題算例實驗表明，散射搜索算法具有較好的全局搜索和局部搜索能力。針對衛(wèi)星艙布局設計屬耦合復雜工程設計問題，具有計算復雜性，采取分解策略，將合作式協(xié)同進化框架和散射搜索法相結合，構成散射協(xié)同進化算法(CCSS)，衛(wèi)星艙布局設計數(shù)值實驗表明了該散射協(xié)同進化算法的可行性和有效性。 (3)給出了基于知識融合的人機結合協(xié)同進化設計方法(Human

7、-computercooperativecoevolutionarydesignbasedonknowledgefusion，HCCKF)，用于求解復雜衛(wèi)星艙布局設計問題。首先建立廣義知識模型和求解模型，采用協(xié)同進化框架，實現(xiàn)系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)的協(xié)同進化求解，提出了基于人智知識、先驗知識和算法知識三者融合的求解策略，進而建立了問題廣義知識模型，用以描述算法計算方案、先驗知識方案和在線人智方案，又給出了針對該模型的廣義進化模型(也可看作

8、知識融合模型)，采用本文改進的擴展散射搜索算法作為知識融合算法，實現(xiàn)人智知識、先驗知識和算法知識有效充分融合。編制該方法系統(tǒng)原型，處理難數(shù)學化描述的設計因素，以發(fā)揮人機各自特長，從而達到工程實用和優(yōu)化的目的。本方法也可用于配置和布局協(xié)同一體化設計(4)在上述工作和本課題組開發(fā)的航天器布局優(yōu)化設計與仿真平臺基礎上，給出了衛(wèi)星有效載荷配置和布局協(xié)同一體化設計方法和過程，討論了相應的基于共生進化的配置和布局協(xié)同一體化設計模型、設計流程及其系統(tǒng)