卫星星座一体化优化设计研究

论文摘要

星座设计是星座部署和运行的前提,一个合理的星座设计方案能够实现整体性能最优,达到各方面综合平衡。论文首先系统地提出了星座构形一体化设计概念,进行了星座几何构形相关的主要性能测度和边界条件分析,提出了一体化优化方法,实现了星座构形的一体化优化设计。在此基础上对包括星座构形和卫星系统的星座系统一体化优化设计问题进行了研究。研究了星座时空布局与覆盖性能、功能星座工作性能、星间链路性能、星座运行维持阶段的容错性能、稳定性能等之间的关系,将这些性能作为星座构形的设计准则,通过各种性能的权衡比较获得整体性能最优的星座几何构形。建立了多种面向现代优化方法的星座描述模型。对星座星间链路构建准则和优化设计方法进行了研究,确定了能够反映空间几何特性的Walker星座星间链路设计的基本准则,给出了星座全连通性数学解析判据和永久星间链路分析设计流程。提出了天基多基地雷达系统方案并进行了系统设计,分析了系统各种性能测度与系统站址空间布局之间的关系。基于星座轨道构形约束条件,对有利于小RCS目标探测的大双基地角区域、双基地多普勒频率展宽以及三星T/R-R2系统定位精度与几何布站和载星飞行几何之间的关系进行了分析,实现了单个性能指标要求下的星座几何构形优化设计,得到了进行星座一体化设计的性能测度分析模型以及指导星座设计的有用结论。论文提出了星座构形一体化优化方法并进行了深入研究,该方法以进化算法作为解决星座优化设计的基本手段。针对一体化设计时,由于约束条件复杂导致求解困难的问题,提出了有效的约束处理方法,包括自适应序列约束边界法和约束邻域排斥策略。针对星座设计存在计算开销大,设计周期长的问题,提出了约束组织和预处理、动态分段策略等优化策略。应用此方法进行了全球导航星座、特定构形的区域覆盖的天基多基地雷达和全球覆盖的天基多基地雷达星座构形的一体化优化设计。设计结果表明该方法能够高效解决综合考虑多种设计因素、具有离散/连续混合变量、无梯度信息的星座一体化优化设计问题。对星座系统一体化优化设计问题进行了研究。首先针对有源主动探测类型星座系统成本模型的特点,采用并改进了天基雷达系统成本模型、卫星设计模型、可靠性模型和系统运行性能分析模型等,模型充分考虑了天基雷达星座的组网工作、采用分布式探测结构对系统性能和成本的影响。然后,将星座系统设计问题分解成多个子问题,建立了设计结构矩阵,分析了它们之间的耦合关系。最后应用了协作优化方法作为设计的组织和协调框架,根据各子问题的特点设计了各自的优化器,对星座系统进行了设计优化。设计结果表明,本文所进行的系统分解和组织,构建的优化体系以及针对问题域的优化算法构成了一套灵活有效的星座系统一体化设计方法,能够对星座系统的性能和成本进行综合权衡,在兼顾子系统间耦合特性和自治的前提下实现星座系统的一体化设计。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 论文研究背景与意义
• §1.1.1 星座构形一体化设计
• §1.1.2 星座系统一体化设计
• §1.1.3 星座一体化优化设计问题求解的复杂性
• §1.2 星座设计方法概述
• §1.2.1 星座构形设计方法
• §1.2.2 星座系统设计方法
• §1.3 天基雷达系统发展概况
• §1.4 本文主要研究内容和创新点
• §1.4.1 主要内容
• §1.4.2 主要创新点
• 第二章 星座设计的性能测度和边界条件
• §2.1 星座性能指标的一般统计方法
• §2.2 功能星座的特殊性能
• §2.2.1 通信星座的频率共享约束问题
• §2.2.2 天基雷达星座多基地和分布式探测工作模式
• §2.3 星座协同工作与信息传递
• §2.3.1 星座中卫星间的协同关系
• §2.3.2 星座中的信息传递问题
• §2.4 星座稳健运行与维持测度分析
• §2.4.1 星座几何构形相关的容错性
• §2.4.2 星座几何构形相关的稳定性
• §2.5 星座构形描述模型
• §2.5.1 星座结构基本动力学约束
• §2.5.2 Walker星座构形模型
• §2.5.3 小量偏置Walker星座模型
• §2.5.4 复合Walker星座模型
• §2.5.5 椭圆轨道+赤道轨道星座构形模型
• §2.5.6 太阳同步轨道异构星座模型
• §2.5.7 非均匀星座构形模型
• §2.6 系统设计中的权衡与选择分析
• §2.7 小结
• 第三章 星座星间链路构建准则及优化设计研究
• §3.1 星座信息链路
• §3.2 Walker星座空间结构
• §3.3 任意两卫星星间链路建立准则
• §3.4 星座全连通准则
• §3.5 星间链路构建分析流程
• §3.6 分析设计实例
• §3.7 小结
• 第四章 天基多基地雷达系统性能分析
• §4.1 天基多基地雷达系统概念
• §4.1.1 基本概念
• §4.1.2 系统提出
• §4.2 天基雷达覆盖模型
• §4.3 前向散射增强区几何特性分析
• §4.4 双基地多普勒频率展宽与载星飞行几何关系
• §4.4.1 双基地多普勒频率展宽
• §4.4.2 同轨卫星多普勒频率展宽
• §4.4.3 异轨卫星多普勒频率展宽
• §4.5 三站定位精度特性分析
• 2系统定位原理'>§4.5.1 T/R-R²系统定位原理
• 2系统定位精度'>§4.5.2 T/R-R²系统定位精度
• §4.5.3 受控区域几何特征点确定
• §4.5.4 定位精度与站址布局关系
• §4.5.5 最优工作弧段三星结构设计方法
• §4.6 小结
• 第五章 星座构形一体化优化方法研究
• §5.1 星座设计优化模型
• §5.1.1 优化数学模型描述
• §5.1.2 目标函数定义与评价指标确定
• §5.1.3 约束组织与预处理
• §5.2 进化算法约束处理
• §5.2.1 罚函数法
• §5.2.2 可行解搜索法
• §5.3 基于序列约束边界法的约束处理方法
• §5.3.1 自适应序列约束边界法
• §5.3.2 约束邻域排斥策略
• §5.4 动态分段优化控制
• §5.5 强约束条件下一体化优化方法
• §5.5.1 进化算法设计
• §5.5.2 优化算法结构
• §5.6 优化设计实例
• §5.6.1 间歇式覆盖天基雷达星座设计
• §5.6.2 导航星座优化设计
• §5.7 小结
• 第六章 特定结构星座构形优化设计
• §6.1 多基地雷达星座基本结构单元
• §6.1.1 系统基本组成
• §6.1.2 星座基本结构
• §6.2 覆盖要求解析和轨道选择
• §6.2.1 覆盖要求解析
• §6.2.2 基本轨道选择和设计
• §6.3 三星多基地雷达星座区域覆盖模型
• §6.3.1 双星邻轨道周期覆盖模型
• §6.3.2 三星邻轨道周期覆盖模型
• §6.4 多基地雷达星座设计
• §6.4.1 区域覆盖三星星座设计流程
• §6.4.2 优化设计模型
• §6.4.3 优化设计实例
• §6.4.4 全球覆盖复合星座设计
• §6.5 小结
• 第七章 星座系统一体化优化设计研究
• §7.1 星座系统设计和成本模型
• §7.1.1 主动探测式星座设计和成本模型特点
• §7.1.2 星座系统ICO成本模型
• §7.1.3 电源子系统成本和设计模型
• §7.1.4 有效载荷成本模型
• §7.1.5 搜索雷达几何关系和距离方程
• §7.1.6 平台成本和设计模型
• §7.1.7 发射选择与费用
• §7.2 系统可靠性模型
• §7.2.1 雷达网分布式探测任务概率
• §7.2.2 卫星可靠性模型
• 7.2.3 基于可靠性的卫星成本模型
• §7.3 系统性能分析模型
• §7.3.1 平均探测时间
• §7.3.2 最小可探测速度
• §7.4 系统分解与协调
• §7.5 基于协作优化方法的星座系统优化设计
• §7.5.1 典型的多学科优化方法
• §7.5.2 协作优化方法
• §7.5.3 星座系统优化设计
• §7.6 优化实现与结果
• §7.6.1 系统要求定义
• §7.6.2 天基雷达系统优化模型
• §7.6.3 优化结果和分析
• §7.7 小结
• 第八章 总结和展望
• §8.1 论文主要工作总结
• §8.2 下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果