航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法及系统，其提出了一种考虑布局方案之间多样性的双目标优化方案，能够同时生成多组性能较好且具有较大差异性的航天器仪器舱组件布局方案，很大程度上缓解了陷入局部最优的局限性，为航天器工程设计提供了更多参考，并且，采用DI

【技术实现步骤摘要】
航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及航天器仪器舱的组件布局设计
，特别地，涉及一种航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法及系统、电子设备、计算机可读取的存储介质。

技术介绍

[0002]航天器仪器舱组件布局方案设计是航天器总体设计的关键一环，指在满足工程技术条件及内部和周围环境的各种约束要求的前提下，研究如何充分利用航天器有限的空间，将各种组件或仪器、设备布置到最优，它需要航天、力学、图形学和几何学等多学科知识的综合运用，设计指标的优劣程度直接关系到航天器的性能、可靠性和成本等。
[0003]需要注意的是，航天器组件布局方案设计问题作为一类大型系统问题，由于几何非干涉的强约束性，组件放置的解空间呈非连续、强非线性等特点，如果采用常用的蒙特卡洛随机采样方法进行优化求解，得到的样本绝大部分都是存在干涉的无效解。因此，目前的航天器仪器舱组件布局优化设计重点是研究如何解决组件之间的干涉问题，主要是通过构造解析的几何干涉公式，采用梯度优化方法高效地由随机初始值迭代收敛至非干涉可行解。例如，文献1【Chen X,Yao W,Zhao Y,Chen X,Zheng X.Apractical satellite layout optimization design approach based on enhanced finite
‑
circle method[J].Structural and Multidisciplinary Optimization,2018,58(6):2635
–
2653】提出的航天器布局优化设计方法中，作者采用了有限包络圆方法来近似描述待布局组件，将组件与组件之间的干涉计算问题近似转换为了一系列圆与圆(或球与球)之间的距离计算问题，通过控制圆(或球)之间的不相交来实现组件之间的不干涉。文献2【Chen X,Yao W,Zhao Y,Chen X,Liu W.A novel satellite layout optimization design method based on phi
‑
function[J].Acts Astronautica,2021,180:560
–
574】采用一种Phi函数的方法解决了卫星布局组件之间复杂的干涉计算问题，Phi函数值是能够准确反映两个几何体之间相互距离的一种度量，故通过采用该方法就可以准确高效地判断组件之间是否发生干涉，并计算出干涉量的大小，从而指导卫星布局优化过程朝着布局可行解的方向进行搜索。
[0004]但是，基于梯度算法进行优化求解具有严重的初值依赖性，其结果很容易陷入局部最优，这些局部最优解很难跳出当前的相对几何关系，这极大地限制了它们在性能指标上的进一步提升。而如何获得更多、更好的布局方案仍然是一个没有解决的问题，但这对于设计者而言是十分重要的。因此，通过研究航天器组件布局优化设计问题，形成多样化布局方案求解的智能算法，对于航天器设计的发展具有十分重要的意义。另外，目前的航天器仪器舱组件布局优化设计通常都是针对单目标进行优化求解，而无法针对双目标进行优化求解，因此，如何针对双目标优化形成多样化布局方案成为下一步需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法及系统、电子设备、计算机可读取的存储介质，以解决现有航天器组件布局方案设计无法针对双目标优
化问题形成多样化布局方案的技术问题。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法，包括以下内容：
[0007]随机生成若干个可能存在几何干涉的初始布局方案；
[0008]以初始布局方案之间的相似度值最小作为目标函数、初始布局方案不发生几何干涉为约束条件，构造考虑多样性的航天器仪器舱组件布局优化问题并进行优化求解，得到多个初步优化布局方案；
[0009]采用行列式点过程采样方法基于多个初步优化布局方案进行筛选，得到多个深度优化布局方案；
[0010]构造航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化问题，将多个深度优化布局方案作为双目标优化问题的初始解，并采用DI
‑
SNC算法进行求解得到最终的多个布局优化方案。
[0011]进一步地，所述将多个深度优化布局方案作为双目标优化问题的初始解，并采用DI
‑
SNC算法进行求解得到最终的多个布局优化方案的过程包括以下内容：
[0012]将多个深度优化布局方案作为初始解分别进行单目标优化求解，得到单目标性能最优的两个单目标优化布局方案，并将两个单目标优化布局方案对应的目标函数向量作为双目标问题优化求解的定位点和反定位点；
[0013]将定位点和反定位点作为近似Pareto前沿的顶点，并连接两个顶点得到理想近似线；
[0014]在理想近似线上生成均匀分布的若干个近似点；
[0015]计算每个近似点到近似Pareto前沿顶点的智能距离，基于智能距离最大的近似点构建添加正交约束的单目标优化问题并进行求解，以生成新的Pareto前沿点；
[0016]判断新生成的Pareto前沿点是否保留，并将保留的Pareto前沿点作为新的Pareto最优解；
[0017]将新的Pareto最优解作为近似Pareto前沿的一个新顶点，重复上述步骤完成迭代，直至没有多余的近似点可以产生新的Pareto最优解。
[0018]进一步地，在理想近似线上生成均匀分布的若干个近似点的过程中，第i个近似点的计算公式为：
[0019][0020]其中，U
i
表示第i个近似点的目标函数向量，P
1*
和P
2*
分别表示两个近似Pareto前沿顶点的目标函数向量，和分别表示权重参数，其以固定增量δ从0增加到1，且
[0021]进一步地，所述添加正交约束的单目标优化问题的表达式为：
[0022][0023]其中，f1(X)和f2(X)表示两个目标函数，c(X)表示组件之间不干涉的约束条件，
△
ij
表示组件i和组件j之间的重叠量，N表示组件的总个数，X
l
和X
u
分别表示设计变量的下限值和上限值，N
12
表示双目标问题的近似线向量，N
12
＝f
1*
‑
f
2*
，f
1*
和f
2*
分别表示两个近似Pareto前沿顶点的目标函数向量，f
*
(X)表示待求解的Pareto前沿点，U
l
‑1和U
l+1
分别表示到近似Pareto前沿顶点智能距离最大的近似点U
l
的前后相邻两个近似点。
[0024]进一步地，所述判断新生成的Pareto前沿点是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法，其特征在于，包括以下内容：随机生成若干个可能存在几何干涉的初始布局方案；以初始布局方案之间的相似度值最小作为目标函数、初始布局方案不发生几何干涉为约束条件，构造考虑多样性的航天器仪器舱组件布局优化问题并进行优化求解，得到多个初步优化布局方案；采用行列式点过程采样方法基于多个初步优化布局方案进行筛选，得到多个深度优化布局方案；构造航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化问题，将多个深度优化布局方案作为双目标优化问题的初始解，并采用DI
‑
SNC算法进行求解得到最终的多个布局优化方案。2.如权利要求1所述的航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法，其特征在于，所述将多个深度优化布局方案作为双目标优化问题的初始解，并采用DI
‑
SNC算法进行求解得到最终的多个布局优化方案的过程包括以下内容：将多个深度优化布局方案作为初始解分别进行单目标优化求解，得到单目标性能最优的两个单目标优化布局方案，并将两个单目标优化布局方案对应的目标函数向量作为双目标问题优化求解的定位点和反定位点；将定位点和反定位点作为近似Pareto前沿的顶点，并连接两个顶点得到理想近似线；在理想近似线上生成均匀分布的若干个近似点；计算每个近似点到近似Pareto前沿顶点的智能距离，基于智能距离最大的近似点构建添加正交约束的单目标优化问题并进行求解，以生成新的Pareto前沿点；判断新生成的Pareto前沿点是否保留，并将保留的Pareto前沿点作为新的Pareto最优解；将新的Pareto最优解作为近似Pareto前沿的一个新顶点，重复上述步骤完成迭代，直至没有多余的近似点可以产生新的Pareto最优解。3.如权利要求2所述的航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法，其特征在于，在理想近似线上生成均匀分布的若干个近似点的过程中，第i个近似点的计算公式为：其中，U
i
表示第i个近似点的目标函数向量，P
1*
和P
2*
分别表示两个近似Pareto前沿顶点的目标函数向量，和分别表示权重参数，其以固定增量δ从0增加到1，且4.如权利要求2所述的航天器仪器舱组件多样化布局的双目标优化方法，其特征在于，所述添加正交约束的单目标优化问题的表达式为：其中，f1(X)和f2(X)表示两个目标函数，c(X)表示组件之间不干涉的约束条件，
△
ij
表示组件i和组件j之间的重叠量，N表示组件的总个数，X
l
和X
u
分别表示设计变量的下限值和上限值，N
12
表示双目标问题的近似线向量，N
12
＝f
1*
‑
f
2*
，f
1*
和f
2*
分别表示两个近似Pareto前沿顶点的目标函数向量，f
*
(X)表示待求解的Pareto前沿点，U
l
‑1和U
l+1
分别表示到近似Pareto前沿顶点智能距离最大的...

【专利技术属性】
技术研发人员：都柄晓，丛威，赵勇，樊程广，陈利虎，李松亭，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：