基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，该方法包括：对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型；基于简化结构模型，确定设计约束和设计目标，建立单目标多约束的卫星布局优化设计模型；利用多模态分布估计算法对单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取设定设计约束和设计目标下的卫星布局设计方案解集；根据卫星布局设计方案解集，确定设定设计约束和设计目标下的卫星的最终布局方案。本发明专利技术的方法通过利用基于小生境算法和高斯分布估计算法更新机制的多模态分布估计算法能够实现卫星布局设计问题的优化求解，获得设定设计约束和设计目标下的最优卫星布局设计方案。

【技术实现步骤摘要】
基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法
本专利技术涉及卫星设计
，具体涉及一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法。
技术介绍
随着空间技术及产业化的迅速发展，卫星设计的要求越来越高；通常为了缩短卫星设计周期、降低研制成本、以及保证卫星设计的可靠性、标准化、系列化和通用化，要求在卫星确定有效载荷和公用平台后，对卫星上的组件进行合理的总体布局。卫星组件的布局优化设计是卫星总体方案设计的重要内容，现有的卫星组件的布局优化设计方法通过建立一个单目标卫星布局优化设计模型，并设计相应的单目标布局优化算法来对该单目标卫星布局优化设计模型进行求解，以获得一组布局优化结果；工作人员基于获得的布局优化结果，依赖工程经验给出满足要求的一个或几个较优的卫星布局设计方案。但由于卫星布局设计方案利用工程经验给出，无法验证提出的卫星布局设计方案是否为最优方案；并且，现有的单目标布局优化设计算法主要包括梯度法和智能优化算法，但梯度法容易陷入局部最优，而大多数的智能优化算法只能求得一个可行解且无法保证得到的可行解是否为最优方案。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法。为此，本专利技术公开了一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，所述方法包括如下内容：(1)对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型；(2)基于所述简化结构模型，确定设计约束和设计目标，建立单目标多约束的卫星布局优化设计模型；(3)利用多模态分布估计算法对所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取所述设计约束和所述设计目标下的卫星布局设计方案解集；(4)根据获取的所述卫星布局设计方案解集，确定所述设计约束和所述设计目标下的所述卫星的最终布局方案。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型，包括：设定卫星舱外壳为圆柱体或立方体，设定卫星组件为圆柱体或立方体，以及设定所述卫星组件质量均匀分布且质心与形心重合；设定所述卫星组件均安装在所述卫星舱内的承力板上，且不同所述承力板上的所述卫星组件无空间干涉；基于上述设定，建立卫星布局的三维坐标系O-xyz，将所述承力板的中心作为坐标原点O，将所述承力板的安装面作为xOy面，并使z轴垂直于所述承力板的安装面向上，x轴、y轴和所述z轴构成右手直角坐标系。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述设计约束包括卫星系统质心误差和卫星系统惯性夹角误差，所述设计目标包括降低卫星整体的转动惯量。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型表述为：其中，X表示卫星的布局方案，N表示卫星组件总数，(xi,yi)表示卫星组件i的位置坐标，f(X)表示对应卫星整体的转动惯量的目标函数，Jx'表示卫星绕着x轴的转动惯量，Jy'表示卫星绕着y轴的转动惯量，Jz'表示卫星绕着z轴的转动惯量，g1(X)表示卫星组件之间的不干涉约束，ΔVij表示卫星组件i和卫星组件j之间的干涉量，g2(X)和g3(X)表示卫星系统质心约束，(xc,yc)表示卫星的真实质心坐标，(xe,ye)表示卫星的期望质心坐标，(δxe,δye)表示所允许的卫星的最大质心偏差，g4(X)、g5(X)和g6(X)表示卫星系统惯性夹角约束，(θx',θy',θz')表示卫星绕三个坐标轴方向的惯性夹角，(δθx',δθy',δθz')表示所允许的卫星绕三个坐标轴方向的最大惯性夹角。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述利用多模态分布估计算法对所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取所述设计约束和所述设计目标下的卫星布局设计方案解集，包括：(A1)根据卫星的设计约束和设计目标，确定目标函数；(A2)基于目标函数，产生设定数目的卫星布局设计方案，并设置循环终止条件；(A3)利用小生境算法将设定数目的卫星布局设计方案划分为多个小生境；(A4)挑选出每个小生境中的当前最优方案，利用高斯分布估计算法进行采样迭代以获取每个小生境的一个最优方案；(A5)在获取的每个小生境的一个最优方案处使用序列二次规划法进行局部寻优，获取并输出多个全局最优方案；(A6)将获取的每个小生境的一个最优方案存入档案集中，若档案集不存在，设置一个初始为空集的档案集；(A7)判断循环终止条件是否满足，若是，输出档案集，若否，进行下一步；(A8)计算确定最优方案数目，基于目标函数，产生多个新卫星布局设计方案，且使新卫星布局设计方案的数目等于设定数目减去最优方案数目，将最优方案和新卫星布局设计方案作为卫星布局设计方案，返回步骤A3。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述利用小生境算法将设定数目的卫星布局设计方案划分为多个小生境，包括：根据自适应半径划分小生境；根据等数目原则进行小生境调整。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述根据自适应半径划分小生境，包括：(b1)根据目标函数，计算确定设定数目的卫星布局设计方案对应的目标函数值；(b2)根据卫星布局设计方案所对应的目标函数值对未划分小生境的卫星布局设计方案进行排序；(b3)选择最小目标函数值对应的卫星布局设计方案作为聚类中心，根据其他剩余卫星布局设计方案与聚类中心的距离进行排序，依次比较相邻的两个卫星布局设计方案的目标函数值的大小，当大小关系出现变化时，以聚类中心和出现变化时对应的卫星布局设计方案间的距离作为小生境半径，将聚类中心和与聚类中心的距离小于小生境半径的所有卫星布局设计方案划分为一个小生境；(b4)判断未划分小生境的卫星布局设计方案的数目是否为0，若是，进行步骤b5，若否，返回步骤b2；(b5)输出获取的所有小生境。进一步地，在上述基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法中，所述根据等数目原则进行小生境调整，包括：(c1)确定每个小生境内的卫星布局设计方案个数；(c2)根据卫星布局设计方案所对应的目标函数值对每个小生境内的卫星布局设计方案进行排序；(c3)依次判断每个小生境内的卫星布局设计方案个数和设定数目与小生境数目的比值的关系，若卫星布局设计方案个数等于设定数目与小生境数目的比值，输出对应的小生境的全部卫星布局设计方案；若卫星布局设计方案个数大于设定数目与小生境数目的比值，输出对应的小生境中位于前序的部分卫星布局设计方案，且该部分卫星布局设计方案的数目等于设定数目与小生境数目的比值；若卫星布局设计方案个数小于设定数目与小生境数目的比值，利用目标函数产生卫星布局设计方案，且产生的卫星布局设计方案的数目等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：/n(1)对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型；/n(2)基于所述简化结构模型，确定设计约束和设计目标，建立单目标多约束的卫星布局优化设计模型；/n(3)利用多模态分布估计算法对所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取所述设计约束和所述设计目标下的卫星布局设计方案解集；/n(4)根据获取的所述卫星布局设计方案解集，确定所述设计约束和所述设计目标下的所述卫星的最终布局方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：
(1)对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型；
(2)基于所述简化结构模型，确定设计约束和设计目标，建立单目标多约束的卫星布局优化设计模型；
(3)利用多模态分布估计算法对所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取所述设计约束和所述设计目标下的卫星布局设计方案解集；
(4)根据获取的所述卫星布局设计方案解集，确定所述设计约束和所述设计目标下的所述卫星的最终布局方案。


2.根据权利要求1所述的基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述对卫星内部的结构和设备进行近似描述，建立卫星布局设计方案的简化结构模型，包括：
设定卫星舱外壳为圆柱体或立方体，设定卫星组件为圆柱体或立方体，以及设定所述卫星组件质量均匀分布且质心与形心重合；
设定所述卫星组件均安装在所述卫星舱内的承力板上，且不同所述承力板上的所述卫星组件无空间干涉；
基于上述设定，建立卫星布局的三维坐标系O-xyz，将所述承力板的中心作为坐标原点O，将所述承力板的安装面作为xOy面，并使z轴垂直于所述承力板的安装面向上，x轴、y轴和所述z轴构成右手直角坐标系。


3.根据权利要求1或2所述的基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述设计约束包括卫星系统质心误差和卫星系统惯性夹角误差，所述设计目标包括降低卫星整体的转动惯量。


4.根据权利要求3所述的基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型表述为：



其中，X表示所述卫星的布局方案，N表示卫星组件总数，(xi,yi)表示卫星组件i的位置坐标，f(X)表示对应所述卫星整体的转动惯量的目标函数，Jx'表示所述卫星绕着x轴的转动惯量，Jy'表示所述卫星绕着y轴的转动惯量，Jz'表示所述卫星绕着z轴的转动惯量，g1(X)表示卫星组件之间的不干涉约束，ΔVij表示所述卫星组件i和所述卫星组件j之间的干涉量，g2(X)和g3(X)表示卫星系统质心约束，(xc,yc)表示所述卫星的真实质心坐标，(xe,ye)表示所述卫星的期望质心坐标，(δxe,δye)表示所允许的所述卫星的最大质心偏差，g4(X)、g5(X)和g6(X)表示卫星系统惯性夹角约束，(θx',θy',θz')表示所述卫星绕三个坐标轴方向的惯性夹角，(δθx',δθy',δθz')表示所允许的所述卫星绕三个坐标轴方向的最大惯性夹角。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于多模态分布估计算法的卫星布局优化设计方法，其特征在于，所述利用多模态分布估计算法对所述单目标多约束的卫星布局优化设计模型进行优化求解，以获取所述设计约束和所述设计目标下的卫星布局设计方案解集，包括：
(A1)根据卫星的设计约束和设计目标，确定目标函数；
(A2)基于目标函数，产生设定数目的卫星布局设计方案，并设置循环终止条件；
(A3)利用小生境算法将设定数目的卫星布局设计方案划分为多个小生境；
(A4)挑选出每个小生境中的当前最优方案，利用高斯分布估计算法进行采样迭代以获取每个小生境的一个最优方案；
(A5)在获取的每个小生境的一个最优方案处使用序列二次规划法进行局部寻优，获取并输出多个全局最优方案；
(A6)将获取的每个小生境的一个最优方案存入档案集中，若档案集不存在，设置一个初始为空集的档案集；
(A7)判断循环终止条件是否满足，若是，输出档案集，若否，进行下一步；
(A8)计算确定最优方案数目，基于目标函数，产生多个新卫星布局设计方案，且使新卫星布局设计方案的数目等于设定数目减去最优方案数目，将最优方案和新卫星布局设计方案作为卫星布局设计方案，返回步骤A3。


6.根据权利要求5所述的基于多模态分布估计算法的卫星布局优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：常强，姚雯，沈嘉男，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11