【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，用以提升地面成像的分辨率和覆蓋率，屬于衛(wèi)星星座優(yōu)化領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
1、在現(xiàn)代航天科技領(lǐng)域，衛(wèi)星星座作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。衛(wèi)星星座指的是由多顆衛(wèi)星按照一定的形狀和相位關(guān)系組成的空間系統(tǒng)，它們協(xié)同工作以提供全球或特定區(qū)域的連續(xù)或近連續(xù)的覆蓋服務(wù)。這些服務(wù)涵蓋了通信、氣象觀測(cè)、導(dǎo)航定位、偵察預(yù)警以及環(huán)境監(jiān)視等多個(gè)方面。其中，對(duì)地覆蓋性能是衡量一個(gè)衛(wèi)星星座性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。從軌道動(dòng)力學(xué)的角度來看，衛(wèi)星在軌道上的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了其對(duì)地球表面特定區(qū)域的觀測(cè)能力。因此，衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)成為分析和設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座的基礎(chǔ)。通過對(duì)軌道參數(shù)的精確計(jì)算和仿真分析，科研人員可以預(yù)測(cè)和評(píng)估衛(wèi)星星座對(duì)地面或空間特定目標(biāo)的覆蓋性能。這種性能不僅包括了覆蓋區(qū)域的大小和位置，還涉及到覆蓋頻率、覆蓋質(zhì)量和持續(xù)時(shí)間等多個(gè)維度。
2、隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高分辨率和高覆蓋率的需求日益增長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員提出了多種星座設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。這些方法從最初的幾何解析法，到基于仿真計(jì)算的比較評(píng)估設(shè)計(jì)法，再到現(xiàn)代優(yōu)化算法的應(yīng)用，不斷推動(dòng)了衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步。例如，混合星座的概念就是通過組合不同類型或不同高度的衛(wèi)星，利用它們各自的優(yōu)勢(shì)，來實(shí)現(xiàn)更高的觀測(cè)效率和更高品質(zhì)的信息獲取。然而，我國(guó)目前對(duì)地觀測(cè)主要依賴于單星應(yīng)用或少數(shù)幾顆衛(wèi)星的配合應(yīng)用，這在應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)需求方面顯得力不從心。為此，有必要深入研究和開發(fā)新的星座設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化策略，以提高衛(wèi)星星座的時(shí)間效率、空間分辨率和即時(shí)信
3、綜上所述，
技術(shù)介紹
部分詳細(xì)介紹了衛(wèi)星星座在軌道動(dòng)力學(xué)、覆蓋性能分析、星座設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)挑戰(zhàn)。這些內(nèi)容為后續(xù)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
的展開奠定了基礎(chǔ)，并明確了本專利技術(shù)旨在解決的問題和提出的解決方案。
4、隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，高精度仿真分析模型在星座設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然高精度分析模型提高了分析精度與設(shè)計(jì)置信度，但也顯著地增加了仿真的計(jì)算成本，例如高精度星座模型通常需要數(shù)個(gè)小時(shí)完成一次仿真分析。由于傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法(如加權(quán)法、基于群體的非pareto法等)往往需要直接調(diào)用分析模型實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)空間的探索，導(dǎo)致衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)優(yōu)化面臨高耗時(shí)、低效率、長(zhǎng)周期的技術(shù)瓶頸。為了降低衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題的計(jì)算成本，常用的方法是通過數(shù)學(xué)手段構(gòu)造代理模型對(duì)原始優(yōu)化問題進(jìn)行近似，并代替原仿真分析模型進(jìn)行優(yōu)化。徑向基函數(shù)相比于其他代理模型，在魯棒性、近似性能與構(gòu)造效率等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星星座優(yōu)化的目的是用盡量少的衛(wèi)星資源，以合理的軌道配置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求。同時(shí)區(qū)域覆蓋的星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及多個(gè)特征點(diǎn)和多項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)，是一種比較典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題。
5、為了更好的說明本專利技術(shù)的技術(shù)方案，下面對(duì)所涉及到的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：
6、一般多目標(biāo)優(yōu)化問題數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
7、find?x＝[x1,x2,…,xn]
8、min?y＝f(x)＝[f1(x),f2(x),…,fk(x)]
9、s.t.g(x)＝[g1(x),g2(x),…,gm(x)]≤0
10、其中k維目標(biāo)向量y＝(y1,y2,…,yk)∈y，x表示決策向量形成的決策空間，y表示目標(biāo)向量形成的目標(biāo)空間，而g(x)為約束條件，它決定了決策向量放入可行取值范圍。
11、nsga-ii(non-dominated?sorting?genetic?algorithm-ii)多目標(biāo)優(yōu)化方法是一種基于pareto最優(yōu)概念的遺傳算法。通過對(duì)種群的非支配排序得到對(duì)種群的分級(jí)，計(jì)算種群個(gè)體的擁擠距離來保持種群的多樣性，在達(dá)到終止條件時(shí)得到近似解。
12、徑向基函數(shù)(radial?basis?function)是一種多變量空間插值方法，可以表示為徑向?qū)ΨQ基函數(shù)的線性加權(quán)和形式如下。
13、
14、根據(jù)插值條件，權(quán)重系數(shù)矢量w按如下公式求解
15、
16、式中，φ(r)為徑向函數(shù)；r為樣本點(diǎn)之間的歐式距離，常用的徑向函數(shù)如表1下：
17、表1常用徑向基函數(shù)類型
18、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，通過衛(wèi)星星座總體設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的復(fù)雜黑箱模型構(gòu)造徑向基函數(shù)代理模型，提升對(duì)不同問題的近似性能、優(yōu)化效率與魯棒性，本專利技術(shù)能夠應(yīng)用于衛(wèi)星星座總體設(shè)計(jì)的快速優(yōu)化，并解決衛(wèi)星設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)問題。
2、本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
3、本專利技術(shù)公開的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
4、步驟a：確定低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)優(yōu)化問題的初始條件，所述的初始條件包括優(yōu)化的低軌觀測(cè)星座分析模型、低軌觀測(cè)星座優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、低軌觀測(cè)星座優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)空間；確定基于徑向基函數(shù)代理模型的非支配遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化策略參數(shù)，所述的多目標(biāo)優(yōu)化策略參數(shù)包括種群規(guī)模np、新增樣本點(diǎn)數(shù)量nadd以及最大模型調(diào)用次數(shù)nfemax。
5、步驟b：通過最優(yōu)拉丁超方設(shè)計(jì)方法生成用于基于徑向基函數(shù)代理模型的非支配遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化的初始樣本點(diǎn)，計(jì)算樣本點(diǎn)處低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座真實(shí)模型真實(shí)響應(yīng)值，并將樣本點(diǎn)保存至樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中db。
6、步驟c：徑向基函數(shù)是一種多變量空間插值方法，rbf徑向基函數(shù)代理模型的綜合性能優(yōu)于其他代理模型。以低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座的分辨率和低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座的覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座優(yōu)化問題。基于步驟b中的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中所有樣本的低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座真實(shí)模型響應(yīng)值，分別構(gòu)造低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座分辨率目標(biāo)函數(shù)的rbf代理模型和低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座覆蓋率目標(biāo)函數(shù)的rbf代理模型，將低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座多目標(biāo)優(yōu)化問題的參數(shù)化模型。
7、所述的低軌觀測(cè)衛(wèi)星星座多目標(biāo)優(yōu)化問題的參數(shù)化模型如式(1)所示：
8、
9、s.t.xlb≤x≤xub
10、式中，x為nv維的設(shè)計(jì)變量；表示rbf代理模型近似的目標(biāo)函數(shù)，xlb為設(shè)計(jì)變量的取值下界；xub為設(shè)計(jì)變量的取值上界。
11、步驟d：采用交叉變異生成子代種群，合并父代與子代種群作為試驗(yàn)種群q，基于步驟c所構(gòu)建的rbf代理模型預(yù)測(cè)試驗(yàn)種群中個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)值，根據(jù)非支配排序和擁擠度距離得出新種群。判斷當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)是否達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)，若未達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行步驟d進(jìn)化，否則進(jìn)化結(jié)束，得到進(jìn)化后的種群，執(zhí)行步驟e。
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟，
2.如權(quán)利要求1所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟C中，
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：還包括步驟G，
4.如權(quán)利要求2所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：可行解集Xf為所有滿足約束條件的決策向量x的集合，即：
5.如權(quán)利要求2所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：徑向?qū)ΨQ基函數(shù)的線性加權(quán)和形式如下；
【技術(shù)特征摘要】
1.一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟，
2.如權(quán)利要求1所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟c中，
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種低軌觀測(cè)星座多目標(biāo)敏捷設(shè)計(jì)方法，其特征在于：還包括步驟g...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：史人赫，李軒，張寶收，太鑫輝，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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