一種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，包括衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊、衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊、衛(wèi)星各分系統(tǒng)技術(shù)要求形成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊、設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分析建模模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊、模型簡化模塊、兩級協(xié)同優(yōu)化建模模塊和協(xié)同優(yōu)化求解模塊、衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫、設(shè)計參數(shù)庫、模型庫、衛(wèi)星總體方案參數(shù)輸出模塊；本方法通過系統(tǒng)指標(biāo)提取、設(shè)計任務(wù)學(xué)科分解、設(shè)計學(xué)科分析建模、設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣構(gòu)造、衛(wèi)星總體方案多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化描述、模型簡化、兩級協(xié)同優(yōu)化建模與求解，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總體方案的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。
【專利說明】—種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，屬于飛行器總體設(shè)計優(yōu)化【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星總體設(shè)計涉及衛(wèi)星本體、運(yùn)載、發(fā)射、測控和應(yīng)用等工程系統(tǒng)，包括載荷、軌道、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、電源、熱控、數(shù)管、測控等傳統(tǒng)學(xué)科，以及性能、制造、成本、可靠性等非傳統(tǒng)學(xué)科，是個包含多個學(xué)科且相互耦合的復(fù)雜工程系統(tǒng)。
[0003]目前，在用戶任務(wù)需求和現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行任務(wù)分解開展各分系統(tǒng)方案的獨(dú)立設(shè)計，通過人工反復(fù)協(xié)調(diào)方式形成總體設(shè)計方案。現(xiàn)有的設(shè)計模式存在以下問題:人工割裂分系統(tǒng)之間的耦合，難以保證分系統(tǒng)之間的充分協(xié)調(diào)和設(shè)計余量的合理分配；各個分系統(tǒng)之間的設(shè)計難以協(xié)調(diào)和綜合評估，不同專業(yè)之間的設(shè)計容易發(fā)生撞車，造成設(shè)計成本的不可控；不同分系統(tǒng)之間串行模式，工作效率相對低下；各分系統(tǒng)的設(shè)計過多依賴設(shè)計師經(jīng)驗(yàn)；各分系統(tǒng)之間的耦合設(shè)計信息以人工方式交互，模型和數(shù)據(jù)很難保證同源；基于模型的設(shè)計與分析水平較低，難以網(wǎng)絡(luò)化或參數(shù)化傳遞，重復(fù)性工作多，整體設(shè)計效率低下；工程型號數(shù)據(jù)眾多，未能進(jìn)行有效的管理，已有的歷史數(shù)據(jù)難以被充分利用。
[0004]此外，復(fù)雜大型通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)多、天線規(guī)模大、載荷重量重，載荷指標(biāo)要求高，載荷和平臺相互滲透，造成總體方案設(shè)計難度加大。基于人工分解和協(xié)調(diào)的方式難以使得系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)達(dá)到整體最優(yōu)，無法滿足日益復(fù)雜、龐大的新型航天器總體設(shè)計需求，迫切需要升級傳統(tǒng)設(shè)計模式。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，建立了面向衛(wèi)星總體設(shè)計的通用性工程實(shí)施系統(tǒng)和方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總體方案快速生成和設(shè)計優(yōu)化。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0007]—種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)包括:衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)輸入系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、中央數(shù)據(jù)庫儲存與管理系統(tǒng)、衛(wèi)星方案參數(shù)輸出模塊；其中衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)輸入系統(tǒng)包括衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊、衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊；FPGA系統(tǒng)包括衛(wèi)星各分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)形成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊、設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)學(xué)科分析建模模塊、衛(wèi)星優(yōu)化建模模塊、模型簡化模塊、兩級協(xié)同優(yōu)化建模模塊和協(xié)同優(yōu)化求解模塊；中央數(shù)據(jù)庫儲存與管理系統(tǒng)，包括衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫、設(shè)計參數(shù)庫、模型庫；
[0008]衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊，根據(jù)用戶需求將衛(wèi)星系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化形成總體技術(shù)指標(biāo)集，并將該指標(biāo)集存入衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫；所述功能性指標(biāo)體現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)；所述非功能性指標(biāo)是指服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)；
[0009]衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊，將衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中的總體技術(shù)指標(biāo)集按照衛(wèi)星系統(tǒng)的組成分系統(tǒng)分發(fā)至FPGA系統(tǒng)中的各個模塊用于作為FPGA系統(tǒng)各個模塊的輸A ；
[0010]衛(wèi)星各分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)形成模塊，接收衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊發(fā)送的總體技術(shù)指標(biāo)集，并根據(jù)該技術(shù)指標(biāo)集確定衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時將各分系統(tǒng)技術(shù)要求發(fā)送至衛(wèi)星各分系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊；
[0011]衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊，根據(jù)衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊發(fā)送的總體技術(shù)指標(biāo)集，將衛(wèi)星總體設(shè)計劃分成不同的設(shè)計學(xué)科，然后確定各設(shè)計學(xué)科的計算任務(wù)，進(jìn)而確定各設(shè)計學(xué)科的輸入輸出參數(shù)，并按設(shè)計學(xué)科的劃分結(jié)果將各設(shè)計學(xué)科的輸入輸出參數(shù)存入設(shè)計參數(shù)庫中；所述設(shè)計學(xué)科為衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)功能或系統(tǒng)性能分析的不同計算模塊；
[0012]設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊，根據(jù)設(shè)計參數(shù)庫中的不同設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)生成衛(wèi)星總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，并將生成的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣發(fā)送至衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊；所述設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的生成方式如下:將各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算，根據(jù)各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)的交集運(yùn)算結(jié)果生成設(shè)計學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表，進(jìn)而生成設(shè)計學(xué)科結(jié)構(gòu)矩陣；
[0013]衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊，將衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中用戶最為關(guān)注的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)確定為優(yōu)化目標(biāo)和衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計邊界條件對應(yīng)的輸出參數(shù)為約束變量，然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)從設(shè)計參數(shù)庫中獲取對應(yīng)的設(shè)計學(xué)科輸入?yún)?shù)，并結(jié)合型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供的設(shè)計參數(shù)，從輸入?yún)?shù)中選取可變更的輸入?yún)?shù)確定為設(shè)計變量；同時根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量確定參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科，以及將設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣和參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科求交集得到面向衛(wèi)星總體優(yōu)化的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，并將所述優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣發(fā)送至模型簡化模塊；參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科確定方式如下:將優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量對應(yīng)的設(shè)計學(xué)科求交集得到參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科；
[0014]衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分析建模模塊，根據(jù)設(shè)計參數(shù)庫中的衛(wèi)星各設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)建立與衛(wèi)星各分系統(tǒng)指標(biāo)要求對應(yīng)的計算模型，并將需要進(jìn)行簡化的不同設(shè)計學(xué)科計算模型發(fā)送至模型簡化模塊，不需要簡化的不同設(shè)計學(xué)科分析模型直接存入模型庫；
[0015]模型簡化模塊，通過衛(wèi)星系統(tǒng)全局靈敏度方程或系統(tǒng)靈敏度分析，計算優(yōu)化目標(biāo)和約束變量對設(shè)計變量的靈敏度系數(shù)，將靈敏度系數(shù)小于等于設(shè)定值的設(shè)計變量剔除，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方法和近似模型方法，建立保留的設(shè)計變量與對應(yīng)優(yōu)化設(shè)計學(xué)科輸出參數(shù)之間的回歸或插值擬合模型，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科分析建模模塊發(fā)送的學(xué)科計算模型簡化，并將簡化后的不同設(shè)計學(xué)科的回歸或插值擬合模型存入模型庫，所述的回歸或插值擬合模型命名為近似模型；同時將靈敏度系數(shù)小于設(shè)定值的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行解耦，并將優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中串聯(lián)關(guān)系的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化；
[0016]兩級協(xié)同優(yōu)化建模模塊，將模型簡化模塊輸出的簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科分解為父級和子級兩級學(xué)科，并通過共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)造的兩級學(xué)科間一致性約束方程將父級學(xué)科與子級學(xué)科以及子級學(xué)科的解耦，并將衛(wèi)星優(yōu)化建模模塊輸出的約束變量和設(shè)計變量分配至父級和各子級學(xué)科；根據(jù)父級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)、一致性約束方程對應(yīng)的約束變量、以及共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)成的父級學(xué)科設(shè)計變量建立父級學(xué)科優(yōu)化模型，并將父級學(xué)科的一致性約束作為子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)，同時根據(jù)子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)、子級學(xué)科約束變量以及設(shè)計變量建立子級學(xué)科的優(yōu)化模型；所述的父級學(xué)科為與其它設(shè)計學(xué)科關(guān)聯(lián)最小的設(shè)計學(xué)科，所述的子級學(xué)科為優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中除父級學(xué)科以外的設(shè)計學(xué)科；
[0017]協(xié)同優(yōu)化求解模塊，根據(jù)兩級協(xié)同優(yōu)化模塊得到的父級和子級優(yōu)化模型、以及模型庫中不同設(shè)計學(xué)科的計算模型進(jìn)行迭代求解得到優(yōu)化后的設(shè)計變量；
[0018]衛(wèi)星方案參數(shù)輸出模塊，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化求解模塊輸出優(yōu)化結(jié)果，形成優(yōu)化得到的衛(wèi)星總體設(shè)計方案參數(shù)集，并由總體方案參數(shù)集生成總體方案報告；
[0019]衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，用于存儲衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊輸出的總體技術(shù)指標(biāo)集；
[0020]型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫，用于存儲已有歷史型號衛(wèi)星(從中選擇型號設(shè)計基線)的設(shè)計參數(shù)，并提供給衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計變量確定；
[0021]設(shè)計參數(shù)庫，用于存儲衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊得到的設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果和輸入輸出參數(shù)；
[0022]模型庫，用于存儲衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科分析建模模塊建立的不同設(shè)計學(xué)科計算模型以及模型簡化模塊簡化后輸出的設(shè)計學(xué)科近似模型。
[0023]所述衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)至少包括覆蓋、指向以及通信容量；所述服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)至少包括整星重量、功率、總熱耗、外形包絡(luò)尺寸、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)基頻、壽命、成本和可靠性。
[0024]所述設(shè)計學(xué)科至少包括有效載荷、軌道、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、電源、熱控、數(shù)管、測控、可靠性、成本模型。
[0025]所述學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表為將生成的各設(shè)計學(xué)科輸入、輸出參數(shù)分別定義為字符串向量，通過字符串向量的交集運(yùn)算，進(jìn)行設(shè)計學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性分析，并自動提取向量運(yùn)算結(jié)果，結(jié)果不為空，表示存在關(guān)聯(lián)，記為“ I ”，否則記為“O”。
[0026]所述各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算分為輸入?yún)?shù)集與輸入?yún)?shù)集求交、輸入?yún)?shù)集與輸出參數(shù)集求交，輸入集與輸入集的交集為共享設(shè)計變量，輸入與輸出集的交集為耦合狀態(tài)變量；
[0027]—種基于衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟如下:
[0028](I)對衛(wèi)星系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，并形成總體技術(shù)指標(biāo)集;
[0029](2)根據(jù)步驟(I)形成的總體指標(biāo)集確定衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時根據(jù)衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求將衛(wèi)星系統(tǒng)劃分成不同的學(xué)科，并根據(jù)該指標(biāo)確定各學(xué)科的計算任務(wù)，進(jìn)而確定各學(xué)科的輸入輸出參數(shù)；
[0030](3)根據(jù)步驟(2)中的學(xué)科劃分結(jié)果生成結(jié)構(gòu)矩陣；所述結(jié)構(gòu)矩陣的生成方式如下:將各學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算，根據(jù)各學(xué)科輸入輸出參數(shù)的交際運(yùn)算結(jié)果生成學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表格，進(jìn)而生成學(xué)科設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；所述學(xué)科求交運(yùn)算分為輸入?yún)?shù)集與輸入?yún)?shù)集求交、輸入?yún)?shù)集與輸出參數(shù)集求交，輸入集與輸入集的交集為共享設(shè)計變量，輸入與輸出集的交集為耦合狀態(tài)變量；
[0031](4)根據(jù)步驟(2)中的衛(wèi)星學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)建立衛(wèi)星系統(tǒng)功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)、以及各分系統(tǒng)功能對應(yīng)的不同設(shè)計學(xué)科計算模型；
[0032](5)將總體技術(shù)指標(biāo)集中用戶最為關(guān)注的指標(biāo)確定為優(yōu)化目標(biāo)和系統(tǒng)需滿足的設(shè)計邊界條件對應(yīng)的輸出參數(shù)確定為約束變量，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定其所對應(yīng)學(xué)科及對應(yīng)的輸入?yún)?shù)，同時根據(jù)基線型號設(shè)計參數(shù)，從中選取可變更的輸入?yún)?shù)確定為設(shè)計變量，同時根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量確定參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科，并將步驟(3)中得到的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣和確定的參與優(yōu)化設(shè)計學(xué)科求交集，得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；
[0033](6)通過系統(tǒng)全局靈敏度方程，計算步驟(5)中的優(yōu)化目標(biāo)和約束變量對設(shè)計變量的靈敏度系數(shù)，將靈敏度系數(shù)小于特定值的設(shè)計變量剔除，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方法和近似模型方法，建立保留的設(shè)計變量與對應(yīng)的優(yōu)化學(xué)科的輸出參數(shù)的回歸或插值擬合模型，實(shí)現(xiàn)步驟(4)中的需要進(jìn)行簡化的設(shè)計學(xué)科計算模型簡化；同時將靈敏度系數(shù)小于特定值的優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中的學(xué)科進(jìn)行解耦，并將優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中串聯(lián)關(guān)系的學(xué)科進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)步驟(5)中優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化；
[0034](7)將步驟(6)中簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科分解為父級和子級學(xué)科，并通過共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)造的兩級學(xué)科間一致性約束方程將父級學(xué)科與子級學(xué)科以及子級學(xué)科之間實(shí)現(xiàn)學(xué)科的解耦，并將步驟(5)中的約束變量和設(shè)計變量分配至系統(tǒng)級和各子系統(tǒng)級學(xué)科；根據(jù)系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)、滿足一致性約束方程的約束變量、共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)成的系統(tǒng)級學(xué)科設(shè)計變量建立系統(tǒng)級優(yōu)化模型，并將父級的一致性約束作為子級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)，同時根據(jù)子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)、子級學(xué)科約束變量以及設(shè)計變量建立子級學(xué)科優(yōu)化模型；所述的父級學(xué)科為靈敏度系數(shù)最小的學(xué)科，所述子級學(xué)科為簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中除父級學(xué)科以外的設(shè)計學(xué)科；
[0035](8)根據(jù)步驟(7)得到的父級和子級學(xué)科優(yōu)化模型、步驟(6)得到的不同設(shè)計學(xué)科簡化模型以及步驟(4)得到的未經(jīng)簡化的不同設(shè)計學(xué)科分析模型進(jìn)行迭代求解得到優(yōu)化結(jié)果(包含設(shè)計變量和優(yōu)化目標(biāo)取值)；
[0036](9)根據(jù)步驟⑶中輸出的優(yōu)化結(jié)果形成衛(wèi)星總體方案參數(shù)和報告。
[0037]適用于低軌、高軌通信衛(wèi)星或星座系統(tǒng)的方案設(shè)計與優(yōu)化。
[0038]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0039](I)本發(fā)明密切圍繞工程實(shí)際需求，充分考慮現(xiàn)有的總體設(shè)計工作組織模式，基于多學(xué)科優(yōu)化方法和模塊化思想，建立了一套通用性的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，通用性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠用于GEO衛(wèi)星總體方案的快速設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化，能夠全方位優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)方案類型和方案參數(shù)的優(yōu)化，大大提高了衛(wèi)星總體設(shè)計水平。
[0040](2)本發(fā)明為衛(wèi)星總體設(shè)計提供先進(jìn)的設(shè)計工具，縮短研制周期和降低研制成本，并提高衛(wèi)星總體設(shè)計水平和設(shè)計效率，設(shè)計效率約達(dá)50%。
[0041](3)本發(fā)明基于多學(xué)科優(yōu)化方法的衛(wèi)星總體設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了不同分系統(tǒng)或設(shè)計學(xué)科之間耦合設(shè)計要素的充分協(xié)調(diào)，能夠更加合理、科學(xué)的分配不同分系統(tǒng)或設(shè)計學(xué)科的設(shè)計余量。
[0042](4)本發(fā)明基于模型和多學(xué)科優(yōu)化方法的衛(wèi)星總體設(shè)計新模式，大大提高了衛(wèi)星總體設(shè)計過程的自動化水平，節(jié)省人工成本約80%以上。
[0043](5)本發(fā)明基于多學(xué)科優(yōu)化方法開展衛(wèi)星總體設(shè)計，規(guī)范了不同設(shè)計學(xué)科之間的數(shù)據(jù)交互方式，進(jìn)一步推進(jìn)了衛(wèi)星總體設(shè)計內(nèi)容和流程的規(guī)范化、科學(xué)化。
[0044](6)本發(fā)明基于中央數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星總體設(shè)計任務(wù)、數(shù)據(jù)和模型的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了不同分系統(tǒng)或?qū)W科之間設(shè)計的數(shù)據(jù)同源，以及歷史型號數(shù)據(jù)的充分應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0046]圖2為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)構(gòu)成示意圖；
[0047]圖3為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星總體設(shè)計涉及學(xué)科組成示意圖；
[0048]圖4為本發(fā)明移動通信通信衛(wèi)星總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣示意圖；
[0049]圖5為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星總體優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的設(shè)計學(xué)科；
[0050]圖6為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星參與優(yōu)化設(shè)計學(xué)科構(gòu)成的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；
[0051]圖7為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星軌道位置的球面三角幾何關(guān)系示意圖；
[0052]圖8為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星小傾角軌道下多波束天線中心視軸指向與覆蓋示意圖；
[0053]圖9為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星推力矢量在坐標(biāo)系中的示意圖；
[0054]圖10為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星邊緣子波束與服務(wù)區(qū)邊界關(guān)系判斷原理示意圖；
[0055]圖11為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星簡化后的優(yōu)化問題設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；
[0056]圖12為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星基于代理模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化求解原理示意圖；
[0057]圖13為本發(fā)明移動通信衛(wèi)星總體兩級協(xié)同優(yōu)化求解框架示意圖；
[0058]圖14為本發(fā)明方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的描述。
[0060]通信衛(wèi)星系統(tǒng)主要由軌道、載荷和衛(wèi)星平臺三部分組成，其中:軌道部分主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的方案設(shè)計；載荷部分主要負(fù)責(zé)滿足用戶指標(biāo)的衛(wèi)星性能設(shè)計，分為天線和轉(zhuǎn)發(fā)器兩子系統(tǒng)；衛(wèi)星平臺部分用于支撐有效載荷的功能實(shí)現(xiàn)，包括供配電分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、數(shù)管(數(shù)據(jù)管理單元DMU)分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)。
[0061]衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)的主要功能簡述如下:
[0062]>供配電分系統(tǒng)是衛(wèi)星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)、分配電能的分系統(tǒng)，向衛(wèi)星的有效載荷及平臺各分系統(tǒng)供電。
[0063]>熱控分系統(tǒng)是指在給定的條件下，采用各種可能的熱控制方法，控制衛(wèi)星內(nèi)、夕卜熱交換，使衛(wèi)星及其設(shè)備的溫度、溫度差、溫度穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)滿足總體技術(shù)要求。
[0064]>控制分系統(tǒng)是指進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)指向、入軌定點(diǎn)和軌道位置保持。
[0065]>推進(jìn)分系統(tǒng)是用于對衛(wèi)星的軌道機(jī)動和保持、姿態(tài)指向控制提供控制力和力矩。
[0066]>結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)是指衛(wèi)星及其儀器設(shè)備提供支撐、承受和傳遞載荷，并保持一定剛度和尺寸穩(wěn)定性的部件或附件的總稱。
[0067]>數(shù)管分系統(tǒng)用于存儲各種程序，采集、處理數(shù)據(jù)以及協(xié)調(diào)管理衛(wèi)星各分系統(tǒng)工作。
[0068]>測控分系統(tǒng)是遙測、遙控和跟蹤測軌三個子部分的總稱。
[0069]在進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)綜合設(shè)計時，涉及到多個衛(wèi)星分系統(tǒng)，跨越多個設(shè)計學(xué)科，且普遍存在復(fù)雜的學(xué)科耦合關(guān)系，為提高衛(wèi)星系統(tǒng)總體性能需要綜合考慮各學(xué)科間的關(guān)系。
[0070]下面以一個具體實(shí)施例說明本發(fā)明的工作過程和工作原理:
[0071]本實(shí)施例中的衛(wèi)星總體方案設(shè)計系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由I臺客戶端和I臺服務(wù)器組成，通過局域網(wǎng)形成衛(wèi)星總體方案分布式協(xié)同設(shè)計實(shí)現(xiàn)環(huán)境，如圖1所示，客戶端運(yùn)行衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分析建模模塊；服務(wù)器端運(yùn)行衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)輸入系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)中除去衛(wèi)星系統(tǒng)學(xué)科分析建模模塊以外的其他模塊、中央數(shù)據(jù)庫儲存與管理系統(tǒng)、衛(wèi)星方案輸出模塊。服務(wù)器與客戶端的硬件及運(yùn)行環(huán)境配置要求如下:
[0072]服務(wù)器是衛(wèi)星方案設(shè)計系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫仿真任務(wù)分與調(diào)度任務(wù)管理功能。配置要求:內(nèi)存大于64G，硬盤大于50t，CPU主頻2.93Hz以上，win7以上操作系統(tǒng)，具備內(nèi)存數(shù)據(jù)保護(hù)功能；
[0073]客戶端主要用于開展各設(shè)計學(xué)科的仿真與建模。要求:內(nèi)存大于SG，硬盤大于lt，CPU主頻2.93Hz以上，win7以上操作系統(tǒng)。
[0074]客戶端和服務(wù)器之間采用IP訪問方式通信，要求100M以上帶寬。
[0075]1、系統(tǒng)指標(biāo)提取模塊
[0076]移動通信衛(wèi)星主要用于為各類小型移動用戶終端提供不間斷的通信業(yè)務(wù)，其核心任務(wù)為手持終端提供足夠高的EIRP (等效全向輻射功率)和G/T (接收系統(tǒng)增益噪聲溫度比)值，以及保證通信服務(wù)質(zhì)量需要在服務(wù)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻和無縫覆蓋，移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，總體設(shè)計需要同時考慮多個學(xué)科之間的耦合，不同設(shè)計學(xué)科之間統(tǒng)籌優(yōu)化，確定最優(yōu)總體方案參數(shù)。
[0077]根據(jù)移動通信衛(wèi)星設(shè)計任務(wù)需求提取衛(wèi)星系統(tǒng)功能性和非功能性指標(biāo)，功能性指標(biāo)具體以衛(wèi)星有效載荷滿足設(shè)計任務(wù)需求為依據(jù)提取，包括覆蓋、指向以及通信容量等；非功能性指標(biāo)主要以衛(wèi)星平臺滿足衛(wèi)星系統(tǒng)整體設(shè)計要求為依據(jù)提取，包含整星重量、功率、熱耗、外形包絡(luò)尺寸、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)基頻、壽命、成本和可靠性。
[0078]衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊提取移動通信衛(wèi)星的系統(tǒng)指標(biāo)，形成指標(biāo)集并存入到衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，移動通信衛(wèi)星的系統(tǒng)指標(biāo)構(gòu)成如圖2所示，包含功能性和非功能性指標(biāo)，功能性指標(biāo)包括覆蓋、指向以及通信容量等，非功能性指標(biāo)包括重量、質(zhì)心、壽命、功率、熱耗和可靠性等。
[0079]2、系統(tǒng)指標(biāo)分發(fā)模塊及技術(shù)要求形成
[0080]根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)總體研究范疇和設(shè)計任務(wù)(包括軌道、載荷和衛(wèi)星平臺，其中衛(wèi)星平臺又包括結(jié)構(gòu)、控制、推進(jìn)、熱控、供配電、測控和數(shù)管分系統(tǒng))，將提取的系統(tǒng)指標(biāo)向軌道、載荷以及衛(wèi)星平臺各個分系統(tǒng)進(jìn)行分發(fā)，同時形成各分系統(tǒng)方案設(shè)計的技術(shù)要求文件。
[0081]3、衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科分解與定義
[0082]根據(jù)衛(wèi)星軌道、載荷以及衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)的技術(shù)要求和衛(wèi)星系統(tǒng)性能指標(biāo)，將各分系統(tǒng)分解成多個相對獨(dú)立的不同設(shè)計學(xué)科，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總體設(shè)計任務(wù)的設(shè)計學(xué)科分解(一個復(fù)雜的分系統(tǒng)，可以根據(jù)包含的設(shè)計子任務(wù)劃分成多個不同設(shè)計學(xué)科)。
[0083]依據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科的劃分，得到移動通信衛(wèi)星總體設(shè)計涉及的設(shè)計學(xué)科組成如圖3所示，包含軌道、載荷、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、熱控、供配電、測控、數(shù)管、性能(覆蓋、重量、質(zhì)心、壽命等)。在本實(shí)施例中，由于測控和數(shù)管與方案設(shè)計優(yōu)化內(nèi)容的關(guān)聯(lián)不大，暫不討論測控、數(shù)管兩個設(shè)計學(xué)科。
[0084]在系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解的基礎(chǔ)上，確定各設(shè)計學(xué)科的設(shè)計任務(wù)和輸入輸出參數(shù)，并將輸入輸出參數(shù)存入設(shè)計參數(shù)庫中。
[0085]本實(shí)施例中，移動通信衛(wèi)星各設(shè)計學(xué)科的任務(wù)及輸入輸出參數(shù)定義如下:
[0086]a.軌道學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星瞬時位置計算。在實(shí)施例中，軌道位置為多波束天線視軸指向提供基點(diǎn)，輸入?yún)?shù)為軌道六根數(shù)Q，i，a，e，ω，Ε，分別為升交點(diǎn)赤經(jīng)、軌道傾角、偏心率、近地點(diǎn)幅角和偏近點(diǎn)角；輸出參數(shù)為慣性系下的衛(wèi)星軌道位置(xi； Yi, Zi)和赤經(jīng)赤緯(Cii, Si)及其地理坐標(biāo)系下的地理經(jīng)緯度(As，Ss);
[0087]b.載荷學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)器配置和天線的設(shè)計。在實(shí)施例中，針對多波束天線中心視軸指向和邊緣子波束排布設(shè)計，輸入?yún)?shù)有衛(wèi)星定點(diǎn)位置、子波束排布與指向、天線視軸中心的標(biāo)稱指向緯度、天線視軸中心動態(tài)指向緯度；輸出參數(shù)有天線相對地心地理系和星體系的指向方位和邊緣子波束的安裝方位，以及載荷分系統(tǒng)的重量及功率；
[0088]c.控制學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星飛行過程的軌道和姿態(tài)控制。在該實(shí)施例中，主要完成天線視軸指向的姿態(tài)偏置控制，輸入?yún)?shù)為瞬時軌道位置、動態(tài)工況天線視軸中心的指向位置；輸出參數(shù)為實(shí)現(xiàn)天線視軸動態(tài)指向的三軸姿態(tài)偏置控制規(guī)律、子波束與服務(wù)區(qū)的交點(diǎn)，以及控制分系統(tǒng)的重量及功率；
[0089]d.推進(jìn)學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)推力器的布局及參數(shù)配置、轉(zhuǎn)移軌道、軌道保持和姿態(tài)控制或動量輪卸載的速度增量和總推進(jìn)劑預(yù)算。在該實(shí)施例中，主要針對1N推力器的布局安裝問題，輸入?yún)?shù)為推力器布局參數(shù)、軌道轉(zhuǎn)移策略、位保策略、軌道傾角；輸出參數(shù)為軌道保持和姿態(tài)控制的控制力、控制力矩、干擾力矩、所需的速度增量、推進(jìn)劑消耗量，以及推進(jìn)分系統(tǒng)的重量及功率；
[0090]e.結(jié)構(gòu)學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星(含星外部件)構(gòu)形拓?fù)洹缀?、以及?fù)合材料參數(shù)設(shè)計等，計算收攏和展開狀態(tài)下的整星基頻和結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量。在本實(shí)施例中，主要研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和星外大部件-天線展開臂的構(gòu)型設(shè)計。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計部分，輸入?yún)?shù)包括主承力結(jié)構(gòu)(承力筒)、平臺幾何(衛(wèi)星南北板、南北隔板、承力筒、東西搬及支架、東西隔板、對地板、中板和背地板)、艙板復(fù)合材料的鋪層厚度和蜂窩芯厚度、攜帶推進(jìn)劑重量，以及各分系統(tǒng)重量及其在各艙板上的質(zhì)量特性；輸出參數(shù)有整星收攏狀態(tài)的基頻和結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量。天線展開臂構(gòu)型部分，輸入?yún)?shù)為大小臂的幾何構(gòu)型以及各部分的質(zhì)量信息；輸出參數(shù)有天線展開后的系統(tǒng)質(zhì)心、質(zhì)心橫偏量；
[0091]f.熱控學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)整星熱控方案設(shè)計。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)為整星散熱需求、單機(jī)設(shè)備安裝位置、軌道高度和各設(shè)備熱耗；輸出參數(shù)包括星上散熱板尺寸、整星散熱能力、熱控分系統(tǒng)重量及功率；
[0092]g.供配電學(xué)科:主要負(fù)責(zé)整星電源系統(tǒng)方案設(shè)計。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)為整星功率需求(各設(shè)備功耗)、太陽翼幾何參數(shù)、太陽電池陣轉(zhuǎn)換效率、蓄電池類型、地影區(qū)時間；輸出參數(shù)為整星輸出功率、蓄電池容量、太陽翼尺寸、供配電分系統(tǒng)重量及功率；
[0093]h.覆蓋學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)評估天線覆蓋特性。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)為任意時刻邊緣子波束與服務(wù)區(qū)的交點(diǎn)；輸出參數(shù)為覆蓋判斷指標(biāo)以及覆蓋品質(zhì)參數(shù)；
[0094]1.重量學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)整星重量的預(yù)估。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)為載荷、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、熱控、供配電分系統(tǒng)重量、推進(jìn)劑重量以及其它部分重量，輸出參數(shù)為整星重量;
[0095]j.質(zhì)心學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)不同飛行時刻衛(wèi)星系統(tǒng)質(zhì)心位置的預(yù)估。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)為天線展開前系統(tǒng)質(zhì)心、天線展開后系統(tǒng)質(zhì)心；輸出參數(shù)為天線展開后衛(wèi)星系統(tǒng)的質(zhì)心及其橫偏量；
[0096]k.壽命學(xué)科:該設(shè)計學(xué)科主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星工作壽命設(shè)計。在該實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)有最低工作壽命要求、結(jié)構(gòu)重量、推進(jìn)劑消耗、發(fā)射重量，輸出參數(shù)有理論上攜帶的推進(jìn)劑重量、實(shí)際消耗的推進(jìn)劑以及理論攜帶與實(shí)際消耗的推進(jìn)劑殘差，實(shí)際工作壽命。
[0097]4、衛(wèi)星總體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣
[0098]根據(jù)上述定義的各設(shè)計學(xué)科所關(guān)注的設(shè)計內(nèi)容及其輸入輸出參數(shù)，通過設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊得到衛(wèi)星總體方案設(shè)計的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣描述。對移動通信衛(wèi)星各設(shè)計學(xué)科對應(yīng)輸入?yún)?shù)做交集，得到不同設(shè)計學(xué)科之間的共享設(shè)計變量；將設(shè)計學(xué)科的設(shè)計變量與另一設(shè)計學(xué)科的輸出變量、以及一個設(shè)計學(xué)科的輸出變量與另一設(shè)計學(xué)科的輸入變量分別作交集，得到不同設(shè)計學(xué)科之間的耦合狀態(tài)變量。其中，交集為空記為“0”，表示非關(guān)聯(lián)；交集不為空記為“1”，表示相互相關(guān)聯(lián)或耦合。如圖4所示為移動通信衛(wèi)星總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，圖中直觀描述出了移動通信衛(wèi)星總體設(shè)計所包含的11個不同設(shè)計學(xué)科相互間的耦合關(guān)系。
[0099]5、衛(wèi)星系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化建模
[0100]a、本實(shí)施例中，移動通信衛(wèi)星采用小傾角軌道設(shè)計方案，功能性指標(biāo)多波束天線覆蓋與非功能性指標(biāo)衛(wèi)星工作壽命相互矛盾，同時小傾角軌道設(shè)計方案與軌道、控制、重量、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)多個學(xué)科密切相關(guān)，需要綜合上述多個學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計來找到既滿足覆蓋要求，同時又延長衛(wèi)星工作壽命的衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計方案。
[0101]本實(shí)施例選擇系統(tǒng)指標(biāo)集中的覆蓋和壽命指標(biāo)作為系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，整星的重量、質(zhì)心、壽命和覆蓋等設(shè)計學(xué)科的輸出參數(shù)作為約束變量。
[0102]將與優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計約束和設(shè)計變量相關(guān)聯(lián)的學(xué)科確定為參與優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計學(xué)科。圖5為與移動通信衛(wèi)星總體優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)相關(guān)的設(shè)計學(xué)科，包括覆蓋、壽命與結(jié)構(gòu)、控制、推進(jìn)、軌道、載荷，不同設(shè)計學(xué)科之間存在相互耦合關(guān)系。整星重量、質(zhì)心特性由結(jié)構(gòu)學(xué)科直接輸出，不獨(dú)立作為設(shè)計學(xué)科。
[0103]結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的基線型號設(shè)計信息，確定參與優(yōu)化的各設(shè)計學(xué)科對應(yīng)的輸入輸出參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計變量集。
[0104]b、根據(jù)上述定義的優(yōu)化三要素，得到移動通信衛(wèi)星總體方案的多學(xué)科優(yōu)化問題，可數(shù)學(xué)描述為:
[?λα(),δ.^λπ^δ.?X^tn.,SI
[0105]D.V.X= --0 ,?0 η α 咖
I /丨，《,’汽’/2J
[0106]min E (X, Y), σ (X，Y) ；max L (X, Y)
[0107]s.t.g_.(X,Y):/Ayj < 9b
[0108]gstruc (X，Y): fx, fy 彡 fh0 ；fz 彡 fv0 (I)
[0109]ggx (X，Y): Δ xm, Δ ym ^ I2 ； Δ zm ^ I3, Ar ^ d0
[0110]gcon(X, Y):Md^M0
[0111 ] gsys (X，Y): m 彡 mmax, L ^ L0
[0112]XLm ^ ^ d ^S<SU
[0113]式中，E和σ為描述覆蓋品質(zhì)參數(shù)的冗余度和均勻度指標(biāo)，L為衛(wèi)星實(shí)際工作壽命；X為設(shè)計向量，其中，軌道傾角i為軌道學(xué)科的設(shè)計變量、天線視軸中心標(biāo)稱指向λ30) Satl為載荷學(xué)科的設(shè)計向量、天線視軸中心動態(tài)指向Xa, Sa為控制學(xué)科的設(shè)計向量，復(fù)合材料參數(shù)xstra。和I1,I2, α2) β2為結(jié)構(gòu)學(xué)科設(shè)計向量，S為推進(jìn)學(xué)科的設(shè)計向量；γ為狀態(tài)向量;gcover、gstruc> ggx、g—和gsys分別為覆蓋學(xué)科、結(jié)構(gòu)學(xué)科、控制學(xué)科以及性能學(xué)科的相關(guān)約束向量，Xi,.1和S1和Su分別為設(shè)計向量Xstuc和S的上下限。
[0114]C、將參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科與總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣求交集得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，如圖6所示。優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中共包含七個設(shè)計學(xué)科，為軌道、載荷、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、覆蓋和壽命，其中兩個學(xué)科間的黑框表示設(shè)計學(xué)科之間存在相互耦合。
[0115]6、建立參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科分析模型
[0116]根據(jù)移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊定義的各設(shè)計學(xué)科的任務(wù)和輸入輸出參數(shù)，分別建立參與優(yōu)化的各設(shè)計學(xué)科分析模型，包含軌道學(xué)科、載荷學(xué)科、結(jié)構(gòu)學(xué)科、控制學(xué)科、推進(jìn)學(xué)科、覆蓋學(xué)科和壽命學(xué)科。對應(yīng)學(xué)科分析模型如下:
[0117]6.1軌道學(xué)科
[0118]由軌道根數(shù)(a，e，Ω,?, ω)計算衛(wèi)星在慣性系下的軌道位置(Xi，y” Zi)，其表達(dá)式為
Xi cos Ω cos U — sin Ω sin u cos i
[0119]V1 = r sin Qcosζ? + cosQsin ιι cos/(2)
Zisin u sin i
[0120]式中，Ti= a(l_e2)/(l+ecosf(t))，u = ω+f (t),真近點(diǎn)角 f (t)由求解開普勒方程得到，對應(yīng)為/(0 = tailC/'/2) = V'(丨+0/(1 --1') tan(/f/2), a表示軌道半長軸，e表示偏心率，Ω表示升交點(diǎn)赤經(jīng)，i表示軌道傾角，ω表示近地點(diǎn)幅角。
[0121]利用式(2)和圖7的球面三角關(guān)系或者直角坐標(biāo)關(guān)系，可獲得衛(wèi)星在慣性系下的赤經(jīng)和赤緯(a j, δ ^為
[0122]a j = arctan (yi/Xi) ； δ j = arcsin (Zjri) (3)
[0123]將(a i，δ J轉(zhuǎn)換為地心地理系下的經(jīng)緯度(λ s，δ s)為
[0124]λ s = α j- α G ； δ = ο j (4)
[0125]式中，=^力格林尼治赤經(jīng)α為初始時刻格林尼治角，為地球自轉(zhuǎn)角速度。
[0126]6.2載荷學(xué)科
[0127]如圖8示，StlO s(l, O)為移動通信衛(wèi)星的定點(diǎn)位置，A或S '為星下點(diǎn)位置，PjQcu, Scu)和Usbcu, Ssbcu)分別為天線中心視軸和子波束視軸j與地面交點(diǎn)位置，利用球面三角形ABS'和三角形AS0，可計算子波束j相對于星下點(diǎn)的地心張角Pcu、方位角a0,j以及波束視軸與衛(wèi)星6的張角Ycu，其表達(dá)式分別為
[0128]β 0 j = arccos Lcos δ。jC〇s (λ O,廠 λ S0) ] (5)
[0129]α 0’j = arccos [sin δ 0’j/sin β 0’j] (6)
[0130]y 0；J = arctan[Rsin β 0；J/ (H-Re(1-CosPcu))] (7)
[0131]式中，Re為地球半徑，H為衛(wèi)星距離星下點(diǎn)的距離，(Ycu, a0J)決定了子波束j在星體系中的安裝方位以及多波束相對中心視軸的構(gòu)型。
[0132]同樣，子波束視軸矢徑己相對星體系的赤經(jīng)赤緯(β 0；J, a J可用(Υ 0；J, a 0J表示為
[0133]A1, = arc cos (- cos2.sin2 )
[0134]a = arccos (cos Y ?，Jcos β ?，j) (8)
[0135]由式(5)-式(8)，通過球坐標(biāo)公式可進(jìn)一步得到天線中心視軸指向和任意子波束中心指向7 ,0 j在星體系oxbybzb下的直角坐標(biāo)分量(xaQ, ya0, za0)和Hm.pkm.jpMAi)。
[0136]子波束指向中心相對地心地理系的安裝方位由星體系到地心地理系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣即可得到。
[0137]6.3結(jié)構(gòu)學(xué)科
[0138](I)整星基頻和質(zhì)量特性有限元分析模型
[0139]利用MSC公司的Patran前處理工具劃分整星結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，建立高精度的有限元分析模型作為結(jié)構(gòu)學(xué)科的分析模型，并基于Nastran求解器進(jìn)行模態(tài)分析。由于整星結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模態(tài)分析計算時間長，需要建立近似模型。
[0140](2)天線展開臂構(gòu)型分析模型
[0141]大型可展天線由大臂、小臂和反射器三部分構(gòu)成。大小臂構(gòu)型設(shè)計參數(shù)有大臂與星本體的連接位置A(xA，yA，zA)、大臂相對于衛(wèi)星平臺東板的方位角Ci1和仰角P1、大臂的長度I1 ;小臂相對于衛(wèi)星平臺東板的方位角α2和仰角β2、小臂的長度12。為保證大小臂結(jié)構(gòu)剛度，不改變大小臂的截面直徑，即單位長度的密度為定值。
[0142]為便于系統(tǒng)質(zhì)心計算，定義機(jī)械坐標(biāo)系O-XYZ如下:原點(diǎn)位于衛(wèi)星與運(yùn)載火箭機(jī)械分離面內(nèi)，位于對接框理論圓的圓心，X軸的正方向從原點(diǎn)指向東板，y軸的正方向從原點(diǎn)指向衛(wèi)星南板，z軸的正方向從原點(diǎn)指向?qū)Φ匕?。下面以機(jī)械坐標(biāo)系O-XYZ為參考，計算各部分的質(zhì)心和天線展開后系統(tǒng)的質(zhì)心。
[0143]已知星本體的質(zhì)量msat和質(zhì)心(xb, yb, zh)、南北太陽翼的質(zhì)量ms和質(zhì)心(Xs, 土ys，Zs)，則衛(wèi)星本體和南北太陽翼的組合體的質(zhì)量' 和質(zhì)心(Xbs，ybs, Zbs)分別為:
[0144]mair =msat+2ms
[0145]Xbs = (rnmtxb + 2msxs)/m"〃—
[0146]ybs=msatyblmal「
[0147]zbs ={n\a,zb + 2mSzS )/mllir(9)
[0148]小臂的長度I2可由大臂尺寸和反射器的位置計算得到。假設(shè)大臂單位長度的密度為P i (kg/m)，小臂單位長度的密度為P 2 (kg/m)，則大小臂的質(zhì)量分別為I1P i和I2P 2。已知反射器的質(zhì)量!TV和質(zhì)心(X,，yr, zr)，則衛(wèi)星變軌后系統(tǒng)總質(zhì)量Hlall為
[0149]man =maB- + hp\ +hPi+mr(10)
[0150]為計算大臂相對機(jī)械坐標(biāo)系的質(zhì)心(Xl，Y1, Z1)，在大臂根部安裝點(diǎn)A處建立局部坐標(biāo)系o-xAyAzA，三軸分別與機(jī)械坐標(biāo)系O-XYZ對應(yīng)軸平行。則大臂質(zhì)心可表示為
[0151]X1 = X^l1Sin a J2
[0152]J1 = Y^l1Cos a ^os β Jl
[0153]Z1 = Z^l1Cos α ^in β Jl (11)
[0154]同理，可以求得大小臂連接點(diǎn)B在機(jī)械坐標(biāo)系下的位置(xB，yBJ zb)。
[0155]同樣，在小臂和大臂的連接點(diǎn)B建立局部參考坐標(biāo)系oxByBzB，其坐標(biāo)軸分別與機(jī)械坐標(biāo)系三軸平行，由此可以求得小臂的質(zhì)心坐標(biāo)，其計算式如下:
[0156]x2 = xB+l2sin a J2
[0157]J2 = yB+l2cos a 2cos β 2/2
[0158]ζ2 = zB+l2cos α 2sin β Jl (12)
[0159]由組合體質(zhì)心計算公式可得天線展開后衛(wèi)星系統(tǒng)的質(zhì)心(V，ym,，zm,)為
xm' =(? +/#Λ + Z2P2X2+mr Xr
[0160].ym.= (/h?,7 十/!/,,.Vl + I2P2V2 + IHrV,.)/in:ll
Zm.=(氣,〃 Z', +,Wl +l2P2Z2+mrZ,)/m?u(13)
[0161]系統(tǒng)質(zhì)心橫偏量為天線展開后系統(tǒng)質(zhì)心相對整星收攏狀態(tài)系統(tǒng)質(zhì)心的偏移量，可由天線展開前后的系統(tǒng)質(zhì)心作差得到。
[0162]為保證反射器位置相對于饋源固定，小臂能夠與反射器相連，大臂安裝根部A與小臂末端C線段距離沿星體系X軸的分量dis_ac需要大于最小距離要求。
[0163]6.4控制學(xué)科
[0164]在慣性系中，定義F為地心到移動通信衛(wèi)星(K, δ3)的矢徑，6為移動通信衛(wèi)星到動態(tài)工況天線視軸中心的指向點(diǎn)(Aa，δ a)的矢徑&力地心到動態(tài)指向中心點(diǎn)矢徑，則有&=匕-、其中，戸和乙分別為
cosSs cos(ls +aG)cosSa cos(Afl +aG)
[0165]f -r cos sin(^ + a(1、.，rd = R 丨.cos Sa s\n(Aa( 14 )
sin δsin δ
_sJ|_a_
[0166]其中，aG = ?Go 為格林尼治赤經(jīng)，為初始時刻格林尼治角，(^為地球自轉(zhuǎn)角速度；
[0167]對于小傾角(0-6.5° )移動通信衛(wèi)星，在地理坐標(biāo)系中其軌道位置變化軌跡是以升交點(diǎn)(Astl, O)為中心南北呈對稱“8”字型，并引起天線對地面指向點(diǎn)位置呈非對稱“8”字型變化。若從升交點(diǎn)開始算起，t時刻衛(wèi)星位置為(λ3(ι+Λ λ3，Δ δ3)，而引起地面位置變化為UaQ+A Xa, δ30+Δ Sa)，通過姿態(tài)偏置使天線視軸動態(tài)指向6和6—致(標(biāo)況下
)，以確保天線對服務(wù)區(qū)連續(xù)覆蓋。
[0168]衛(wèi)星三軸姿態(tài)偏置控制規(guī)律:
[0169]
_φι I arc sin O，""/抽 +zt)—紙 tan (yh/zh)
6*1 = arcsm (xh/^/.r(j+z;(j) - arc tan (.v,(j /Ziilj)( 15 )
ψχ arclan(tan / cos u) = arclan[/ cos(^ + /■)]
[0170]其中，f表示真近點(diǎn)角，u表示緯度幅角，(xaC1，ya(1，zj表示天線中心視軸指向L和任意子波束中心指向Go,在星體系oxbybzb下的直角坐標(biāo)分量。的為滾轉(zhuǎn)角、Q1為俯仰角、V1為偏航角。
[0171]按照上述求得的衛(wèi)星三軸姿態(tài)偏置控制規(guī)律進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)天線視軸中心指向目標(biāo)指向點(diǎn)。由衛(wèi)星、地心與地面三點(diǎn)構(gòu)建矢量方程，再結(jié)合天線子波束相對星本體系的安裝方位，可求得動態(tài)軌道位置下姿態(tài)偏置控制后子波束與地球交點(diǎn)的地理經(jīng)度和地理緯度(δ Asb j)可表達(dá)為
KbJ = arc tan「(-V,- + rMybK} )!{xi + TsbhXisbj)] —
[0172]
、Ssb j = arC Sm [(? + rMz成,_
[0173]式中，rsbb為衛(wèi)星位置到子波束與地面交點(diǎn)的距離，Re為地球半徑，(?,- V ,為子波束單位指向向量匕^在慣性系下分量，為格林尼治赤經(jīng)，(xi；
Ii, Z1)為子波束中心與地面交點(diǎn)在地理系下的位置信息。
[0174]6.5推進(jìn)學(xué)科
[0175](I)推力器布局模型
[0176]為描述1N推力器的安裝信息，首先建立機(jī)械坐標(biāo)系和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系兩個參考系，其中機(jī)械坐標(biāo)系同上節(jié)定義。衛(wèi)星本體坐標(biāo)系定義如下:原點(diǎn)在衛(wèi)星系統(tǒng)質(zhì)心，Xb, Yb, Zb分別平行于機(jī)械坐標(biāo)系的3個軸。單個推力器的推力方向由其相對于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的方位角P和仰角θ確定，安裝位置由推力器在機(jī)械坐標(biāo)系中的位置矢量R = [x，y，z]確定。
[0177]推力矢量空間關(guān)系如圖9所示，爐<0，36()__]為推力矢量F在機(jī)械系oxy平面內(nèi)與X軸的夾角，Θ e [-90°，90° ]為推力矢量F與衛(wèi)星本體系oxbyb平面的夾角，Rc =[X。，y。，zj為整星質(zhì)心在機(jī)械坐標(biāo)系中的位置矢量,那么D = R-Rc = [x-x。，y_y。，z-zj為推力器在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的位置矢量，也記為(xD，yD, zD)。
[0178]假設(shè)推力矢量F與衛(wèi)星本體xb，yb, Zb三軸的夾角分別為α，β，Y，由幾何關(guān)系可以得到:
[0179]
a - arccos(cos Θcosφ)
β - arccos (cos (9sin 爐)
γ - arccos (sin θ)(16)
[0180]三軸方向的分力為
[0181]F= [Fcos a Fcos β Fcos Y ] (17)
[0182]式中，F(xiàn)為單個推力器的推力矢量，三個分量對應(yīng)沿坐標(biāo)軸的推力分量。單個推力器產(chǎn)生的三軸方向控制力矩Mx，My, Mz為
[0183]Mx= IFI (zDcos β _yDcos Y )
[0184]My= I F I (xDcos Y-ZdCOS a )
[0185]Mz= IFI (yDcos a-xDcos β ) (18)
[0186]已知移動通信衛(wèi)星東西、南北位保的推力器工作模式，主要設(shè)計2A?5A四個1N推力器，分別選取各個推力器的安裝角(xiA，yiA，ziA)和安裝方位UiA，β?Α)作為設(shè)計向量S(i = 2，…，5)，則可得到東西南北位保推力器組合工作模式的控制力和控制力矩。
[0187](2)速度增量計算
[0188]已知衛(wèi)星入軌時的傾角iT，目標(biāo)軌道傾角為i，選擇在遠(yuǎn)地點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)火變軌，速度增量與變軌前后速度向量構(gòu)成矢量三角形。軌道的半長軸B1，衛(wèi)星的地心距ra，由速度活力公式，可以得到變軌點(diǎn)火前的遠(yuǎn)地點(diǎn)速度V1和變軌后遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度V2,分別為
Vr, a\
[0189]^(19)
F2=if
[0190]式中，μ為地球引力常數(shù)，取3.98605X 1014m3/s2。
[0191]變軌所需速度增量八\可由速度矢量三角形經(jīng)余弦定理得到，計算式為
[0192]Al.', =^；:+^-2l-KcosA/(20)
[0193]其中，V1表示點(diǎn)火前遠(yuǎn)地點(diǎn)速度，V2表示點(diǎn)火后遠(yuǎn)地點(diǎn)速度，Λ i = i表示傾角增量;
[0194]南北軌道位置保持每年所需的速度增量為
[0195]Avpns = 2v0sin(A i/2) (21)
[0196]其中，V。表示靜止軌道速度；
[0197]東西軌道位置保持所需速度增量為
[0198]?=1039.8311|^2)
[0199]其中，I表示經(jīng)度漂移角速度，與衛(wèi)星定點(diǎn)位置所在經(jīng)度Xstl決定。
[0200]根據(jù)推力器組合工作模式下的干擾力矩，估算姿態(tài)控制和動量輪卸載所需的速度增量。
[0201]已知發(fā)動機(jī)推力、比沖、效率和速度增量，則消耗的推進(jìn)劑可按下列公式計算得到:
[0202]Am = /--,, (I — e Λ11(23)
[0203]式中，AV為速度增量(m/s)，包括轉(zhuǎn)移軌道變軌速度增量、位置保持速度增量和姿態(tài)控制速度增量；Am為推進(jìn)劑消耗量(kg) ;ISP為發(fā)動機(jī)比沖(s):1?為衛(wèi)星初始質(zhì)量(kg) ； η為效率因子；g為重力加速度(m.s_2) ο
[0204]衛(wèi)星全壽命周期工作所需的推進(jìn)劑消耗量Hifuel為
[0205]refuel ^p, trans~^~^p, orbit~^~^p, attitude~^^f_other
[0206]其中，mp，trans為轉(zhuǎn)移軌道所需的推進(jìn)劑，mp；orbit為軌道保持所需的推進(jìn)劑，mp；attitude為姿態(tài)控制或動量輪卸載所需的推進(jìn)劑，Hlf other為其它推進(jìn)事件所需消耗的推進(jìn)劑。
[0207]6.6覆蓋學(xué)科
[0208]如圖10所示，選取國土邊界典型標(biāo)稱點(diǎn)AjOb,」，δ b； p , j = 1，2，...，1,依據(jù)標(biāo)稱工況下的覆蓋確定與^每個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)相鄰的三個子波束Pp1, Pj, pJ+1,計算與衛(wèi)星位置S ( λ s，δ s)連線向量風(fēng)相對子波束P η，P」，P j+1中心指向向量奪,！,亞,_，SPi, I的夾角
Yp-l, Yp, Y p+l。以子波束 Pj ( λ Sb, j, 5 Sb, j)為例，有
[0209]
cos (pb j cos Xb j cos Ss cos As
SA ； = R1, cos (ph ,.%\n/,k j — r cos δ、sin 又、
Sin^iySinJi
[0210]
一cos Ssb j cos Asb j ? 「cos Ss cos As
SP,.= Re cosSsh j sin Ash, - r cos?] sin Λ
_ sin^j 」L sin^」例
[0211 ] 則取_/與JP1的夾角Λ γ j為
[0212]Δ[= arccos SAj.SPjj| SAj.SPj )(2$)
[0213]顯然，Λ Y ^1, Δ Yj, A Y j+1三者中至少存在一個滿足彡Qb(子波束張角半寬度)，標(biāo)稱點(diǎn)Aj在波束內(nèi)部(CD)，表示全覆蓋狀態(tài)；否則，表明Aj落在子波束外側(cè)(CM)或內(nèi)側(cè)(DN)。內(nèi)外側(cè)區(qū)分可以通過Aj與Pj兩點(diǎn)經(jīng)緯度大小直接判斷。若在外側(cè)，表示欠覆蓋狀態(tài)；若在內(nèi)側(cè)，表示覆蓋狀態(tài)。
[0214]進(jìn)一步，由Λ Y」可以計算服務(wù)區(qū)覆蓋冗余度性能指標(biāo)E和均勻度σ，分別為
[0215]E = (Ar1+--- + ArJ--- + Ar?)/n ^ σ_.\||?(Δ;//_￡) /"(26)
[0216]式中，η為邊緣子波束數(shù)目，j = 1，2，...，n。E越小，表明平均覆蓋冗余度Θ b_E越大；O越小，表明不同邊界處的覆蓋越均勻。
[0217]在實(shí)際工程中，考慮到把所有邊緣子波束和整個服務(wù)區(qū)邊界都納入到覆蓋計算和判斷，將導(dǎo)致優(yōu)化問題計算量龐大和約束過強(qiáng)難以求解，可以通過選取幾個典型子波束和對應(yīng)的邊界標(biāo)稱點(diǎn)建立覆蓋判斷和覆蓋品質(zhì)評估模型，代替實(shí)際復(fù)雜的多數(shù)覆蓋計算問題。
[0218]選取方法為:動態(tài)工況天線視軸中心的指向點(diǎn)Ua，5a)可變區(qū)域范圍內(nèi)，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計方法進(jìn)行覆蓋仿真數(shù)值試驗(yàn)，并通過統(tǒng)計分析選出最容易出現(xiàn)漏失的國土邊界標(biāo)稱點(diǎn)和相應(yīng)子波束作為典型代表參與覆蓋計算評估。
[0219]6.7壽命學(xué)科
[0220]在起飛重量是一定的前提下，衛(wèi)星的工作壽命取決于轉(zhuǎn)移軌道后剩余的推進(jìn)劑總量。衛(wèi)星重量由干重和推進(jìn)劑兩部分構(gòu)成，本實(shí)施例中考慮的可變部分質(zhì)量有結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量mstra。和推進(jìn)劑消耗量nw，載荷、供配電、測控、數(shù)管、控制、推進(jìn)、熱控、總裝支架及直屬件以及余量和配重等不參與優(yōu)化，在計算時作為常量，記為Hitrttat5整星重量m可表示為
[0221]m = mstruc+mfuel+mother (27)
[0222]式中，mstruc由結(jié)構(gòu)學(xué)科分析模型提供，mfuel由推進(jìn)學(xué)科分析模型提供。根據(jù)上述模型定義，在整星發(fā)射重量確定的情況下，理論上攜帶的推進(jìn)劑Hlfueltl僅與結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量Hlstruc相關(guān)，也就是說優(yōu)化后節(jié)省的結(jié)構(gòu)重量可以增加推進(jìn)劑的攜帶量。
[0223]為便于區(qū)分，將理論攜帶的推進(jìn)劑記為mfueKI，實(shí)際推進(jìn)劑消耗量為mfuel，由推進(jìn)學(xué)科提供推進(jìn)劑預(yù)算，衛(wèi)星工作壽命的設(shè)計上限由Hlfueltl決定，需要滿足Hlfuel ( Hlfueloo
[0224]假設(shè)可靠性等其他方面均能滿足壽命要求，根據(jù)轉(zhuǎn)移軌道后剩余推進(jìn)劑總量，結(jié)合全壽命周期實(shí)際消耗的推進(jìn)劑，可以估算衛(wèi)星實(shí)際工作壽命L(需要大于設(shè)計的理論工作壽命Ltl)。
[0225]7、模型簡化
[0226]a、優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化
[0227]對衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化問題設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的串聯(lián)設(shè)計學(xué)科進(jìn)行合并，得到簡化后的優(yōu)化問題設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣如圖11所示。經(jīng)簡化后，衛(wèi)星總體優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣共包含AA、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、壽命和覆蓋五個學(xué)科。其中，AA學(xué)科由軌道、載荷和控制三個設(shè)計學(xué)科構(gòu)成。
[0228]b、設(shè)計學(xué)科分析模型的簡化
[0229]軌道、載荷、控制等設(shè)計學(xué)科分析模型的計算量相對小，無需建立近似模型，結(jié)構(gòu)有限元計算高度非線性且計算量龐大，需要建立近似模型。
[0230]選擇二次響應(yīng)面近似模型方法建立結(jié)構(gòu)學(xué)科的近似分析模型，后續(xù)將基于近似模型進(jìn)行優(yōu)化迭代求解。圖12給出了近似模型用于優(yōu)化求解的原理，在優(yōu)化過程中優(yōu)化器將直接調(diào)用結(jié)構(gòu)學(xué)科近似模型。
[0231]8、兩級協(xié)同優(yōu)化建模
[0232]選擇與其它設(shè)計學(xué)科之間耦合最弱的設(shè)計學(xué)科作為協(xié)同優(yōu)化計算框架的父級學(xué)科。本實(shí)施例中選取覆蓋與壽命兩個設(shè)計學(xué)科作為父級學(xué)科，AA、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)三個設(shè)計學(xué)科作為子級學(xué)科?；趦杉墔f(xié)同優(yōu)化方法的計算框架如圖13所示。移動通信衛(wèi)星總體參數(shù)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化模型包含父級學(xué)科優(yōu)化模型和子級學(xué)科優(yōu)化模型，分別如下:
[0233]8.1父級學(xué)科優(yōu)化模型
[0234]min Ε，σ ；max L
[0235]s.t.Jli J2, J3 < ε (23)
[0236]Iind Λ:4 = [X1*,X*’]
[0237]式中，Ε，σ為覆蓋評估指標(biāo)，L為衛(wèi)星工作壽命J1, J2, J3為父級的學(xué)科間一致性約束條件；<，Χ,筆分別為父級學(xué)科傳給ΑΑ、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)三個子級學(xué)科的目標(biāo)設(shè)計方案。
[0238]8.2子級學(xué)科優(yōu)化模型
[0239]由于學(xué)科之間解耦的需要，協(xié)同優(yōu)化中的子級設(shè)計學(xué)科輸入?yún)?shù)由該設(shè)計學(xué)科局部設(shè)計變量、共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量三類構(gòu)成，相對原設(shè)計學(xué)科中定義的輸入?yún)?shù)增加了耦合狀態(tài)變量；輸出參數(shù)由該設(shè)計學(xué)科的對應(yīng)輸出參數(shù)構(gòu)成。
[0240](I)AA 學(xué)科
[0241]AA學(xué)科的優(yōu)化模型為
[0242]min J1(X1) = (i_i*)2+(E—E*)2+( σ - σ *)2
[0243]s.t.gcover ( P Θ b, 0 彡 i 彡 imax ；
[0244]々從，d(24)
[0245]E 彡 Ε。，σ 彡 σ 0
[0246]D- V.Xaa = {λ a0, δ a0, λ a, δ J
[0247]式中，X1 = [i，Ε，σ ]τ為AA學(xué)科全局設(shè)計變量，i為AA學(xué)科與推進(jìn)學(xué)科之間的共享設(shè)計變量，Ε，σ為AA學(xué)科與系統(tǒng)級目標(biāo)直接關(guān)聯(lián)的狀態(tài)變量；Xaa= [Aa0) 5a0) λ3) δ Jt為AA學(xué)科的局部設(shè)計變量；g。。.= [gl，g2，g3]T分別表示小傾角軌道下衛(wèi)星位于定點(diǎn)入3。、西誤差限Astl-A λ _和東誤差限Astl+Λ λ _三種典型位置工況的覆蓋約束，對應(yīng)的覆蓋判斷指標(biāo)分別用4片、M Ar、ΔΚ Λ片表示；ρ為安全系數(shù)(取I)，Θ b表示子波束張角半寬度(取0.3° )。
[0248]其中，AA學(xué)科計算模型由軌道、載荷和控制三個設(shè)計學(xué)科分析模型構(gòu)成，對應(yīng)的變量及取值如表I所示:
[0249]表IAA學(xué)科相關(guān)變量及取值變量名I變量請^月初值 I下限I上限~說明
~s天線視軸中心標(biāo)稱指向緯度29^ 25^ 350 I輸入
uaO
~S天線視軸中心動態(tài)指向緯度29^ 25^ 35「輸入
a
~1天線視軸中心標(biāo)稱指向經(jīng)度103.9 ° 95°~輸入
Λα0
~1天線視軸中心動態(tài)指向經(jīng)度103.9 0 95° --50
a
—i軌道傾角0° TJ0 輸入(共享設(shè)計變量)
E覆蓋評估指標(biāo)-0° 0.3° 輸出
[0250]~d覆蓋評估指標(biāo):Q~a ar
^r- 覆蓋判斷指標(biāo):Oa03α %?5
Δ/； 覆蓋判斷指標(biāo)--Oe03^
^γ- 覆蓋判斷指標(biāo):ο°δθ5 ir*5
覆蓋判斷指標(biāo)-O。0.3° 輸出
Kfi 覆蓋判斷指標(biāo):O"03°
δ,3+ 覆蓋判斷指標(biāo):0°a3°
[0251](2)結(jié)構(gòu)學(xué)科
[0252]結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)科的優(yōu)化模型為
[0253]min J2 (X2) = (mlm? -1nliij )'
[0254]s.t.fx, fy 彡 fh (25)
[0255]fz 彡 fv
[0256]D.V.Xstruc
[0257]式中，X2 = [mfuel]T為結(jié)構(gòu)學(xué)科全局設(shè)計變量，mfuel為結(jié)構(gòu)學(xué)科與推進(jìn)學(xué)科之間的耦合狀態(tài)變量；Xstau。為推進(jìn)學(xué)科的局部設(shè)計變量，對應(yīng)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；fh、fv為整星的一階橫向、縱向基頻約束。結(jié)構(gòu)學(xué)科的計算模型由結(jié)構(gòu)學(xué)科分析模型和天線展開臂計算模型提供，對應(yīng)變量及取值情況如表2所示。
[0258]表2結(jié)構(gòu)學(xué)科相關(guān)變量及取值
[0259]
變量名j變量說明[HΓΨΜΓΕ? [￥1
fll 南北板0.025m 0.016m 0.03m 輸入
f21 南北隔板0.025m 0.016m 0.03m 輸入
s31 承力筒0.0lm0.0lm~ 0.03m 輸入
t41 東西板及支架 0.0202m 0.016m 0.03m 輸入 t51I東西隔板l0.0202m|θ.016m |0.03m |輸入
t61對地板0.025m0.016m 0.03m 輸入
Wl中板和背地板0.0202m0.016m 0.03m 輸入推進(jìn)劑質(zhì)量2935kg2700kg 3100kg~輸入(耦合狀態(tài)變量)
m整星重量---輸出
^整星X向基頻-mh~^
fy整星y向基頻~121L.~
Tz整星z向基頻-35?~
~大臂安裝方位角85.89°90^
Y1大臂安裝仰角274.70°360^
~小臂安裝方位角46.88°90^WK
Y2小臂安裝仰角274.26。(T 36CT
Ar質(zhì)心橫偏量56.8mnOmm 10mm 輸出
[0260](3)推進(jìn)學(xué)科
[0261]推進(jìn)學(xué)科的優(yōu)化模型為
[0262]min J1(X1) =+(i_乙)+(m -m c)
[0263]s.t.Ar。，dis_ac ^ dac0
[0264]Md < M0 (26)
[0265]mfuel ( mfuel0
[0266]D.V.Xbb = (I1, Q1, β1； I2, α 2，β 2，S}
[0267]式中，X3 = [i, L, mstruc]T為全局設(shè)計變量，i為推進(jìn)學(xué)科與A學(xué)科之間的共享設(shè)計變量，L為推進(jìn)學(xué)科與系統(tǒng)目標(biāo)直接相關(guān)的狀態(tài)變量，Hlstra。為推進(jìn)學(xué)科與結(jié)構(gòu)學(xué)科之間的耦合狀態(tài)變量；XBB = [I1, α1； β1； I2, a 2，β 2，S]T為推進(jìn)學(xué)科的局部設(shè)計變量，S為推力器布局安裝參數(shù)；△ A為天線展開后的沿星體系Y軸和Z軸的質(zhì)心橫偏，dac0為天線展開臂展開后沿星體X軸方向最小距離要求，Mtl為姿態(tài)控制干擾上限，mfuel為壽命周期內(nèi)消耗的推進(jìn)齊U，Hifuelo為理論上攜帶的推進(jìn)劑。
[0268]子級學(xué)科推進(jìn)對應(yīng)的變量及取值如表3所示。
[0269]表3推進(jìn)學(xué)科相關(guān)變量及取值
[0270]
I 變量說明ΓΜ[H~~[￥1
^推力器 2A 位置 X 分量-1.21m~ -1.21m -0.6m~
推力器3A位置X分量0.84m 0?~1.21m~
X4a推力器4A位置X分量-0.68m -1.21m 0.6m 輸入
~A推力器2A位置y分量-0.95m~ -0.95m -0.65m輸入
~推力器2A安裝方位角-173.62 -180~~90
推力器2Α安裝仰角12.97 O90
~推力器3Α安裝方位角165.64~ 90 180
推力器3Α安裝仰角-30.01 ~O
~推力器4Α安裝方位角-43.51 ~~30
推力器4Α安裝仰角-55.01 ~~30
~k推力器5A安裝方位角10.34 O90
~k推力器5A安裝仰角21.99 O90
?軌道傾角336^ 輸入(共享設(shè)計變量)
L工作壽命12￥ 1^~15^~輸入(耦合狀態(tài)變量)
結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量350kg 300kg 400kg 輸入(耦合狀態(tài)變量)
^實(shí)際消耗推進(jìn)劑2935kg~2700kg 3100kg輸出
[0271]9、多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化求解模塊
[0272]協(xié)同優(yōu)化求解模塊根據(jù)兩級協(xié)同優(yōu)化模塊得到的父級和子級學(xué)科優(yōu)化模型以及模型簡化模塊發(fā)送的回歸或插值擬合得到的近似模型進(jìn)行迭代求解，經(jīng)優(yōu)化得到優(yōu)化(設(shè)計變量和優(yōu)化目標(biāo))結(jié)果如下表所示。
[0273]表4移動通信衛(wèi)星總體方案參數(shù)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化結(jié)果
[0274]
Fl j變量說明j變量名稱j優(yōu)化結(jié)果^
1天線視軸中心標(biāo)稱指向緯度^~3?
2天線視軸中心動態(tài)指向緯度^~34^3I天線視軸中心標(biāo)稱指向經(jīng)度^KoIll0.7°
4天線視軸中心動態(tài)指向經(jīng)度^~110.7。
5軌道傾角I67^
6大臂安裝方位角~85.89。
7大臂安裝仰角Y1274.70°
8小臂安裝方位角~46.88。
9小臂安裝仰角~2274.26。
10推力器2A位置X分量^-1.21mTl推力器3A位置X分量0.84m
12推力器4A位置X分量^-0.68m
13推力器2A位置y分量~k-0.95mTi推力器2k安裝方位角^-173.62。
15推力器2A安裝仰角12.97°
16推力器3A安裝方位角~165.64。
17推力器3A安裝仰角~k-30.01。
18推力器4A安裝方位角~-43.51。
19推力器4A安裝仰角0.131。
20推力器5A安裝方位角~10.34。
21推力器5A安裝仰角~k21.99。
22結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量337kg
23南北板fll0.016m
24南北隔板Wl0.016m
25承力筒s310.0lm
26東西板及支架~10.016m 27j東西隔板ft51|0.016m
28對地板t610.016m
29中板和背地板t710.016m
30推進(jìn)劑質(zhì)量2948kg
31覆蓋評估指標(biāo)E0.131。
32覆蓋評估指標(biāo)~0.0004
[0275]10、衛(wèi)星總體方案參數(shù)輸出模塊
[0276]根據(jù)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計優(yōu)化求解結(jié)果，提取優(yōu)化后的設(shè)計變量，并自動生成移動通信衛(wèi)星總體方案參數(shù)和報告。
[0277]如圖14所示，一種基于衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟如下:
[0278](I)對衛(wèi)星系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，形成總體技術(shù)指標(biāo)集;
[0279](2)根據(jù)步驟(I)形成的總體指標(biāo)集確定衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時根據(jù)衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求將衛(wèi)星系統(tǒng)劃分成不同的學(xué)科，并根據(jù)該指標(biāo)確定各設(shè)計學(xué)科的計算任務(wù)，進(jìn)而確定各設(shè)計學(xué)科的輸入輸出參數(shù)；
[0280](3)根據(jù)步驟(2)中的學(xué)科劃分結(jié)果生成衛(wèi)星總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；所述設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的生成方式如下:將各學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算，根據(jù)各學(xué)科輸入輸出參數(shù)的交際運(yùn)算結(jié)果生成學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表格，進(jìn)而生成學(xué)科設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；所述學(xué)科求交運(yùn)算分為輸入?yún)?shù)集與輸入?yún)?shù)集求交、輸入?yún)?shù)集與輸出參數(shù)集求交，輸入集與輸入集的交集為共享設(shè)計變量，輸入與輸出集的交集為耦合狀態(tài)變量；
[0281](4)根據(jù)步驟(2)中衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)建立衛(wèi)星系統(tǒng)功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)及各分系統(tǒng)功能對應(yīng)的不同設(shè)計學(xué)科計算模型；
[0282](5)將總體技術(shù)指標(biāo)集中用戶最為關(guān)注的指標(biāo)確定為優(yōu)化目標(biāo)和系統(tǒng)滿足設(shè)計邊界條件時對應(yīng)的輸出參數(shù)為約束變量，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定其所對應(yīng)學(xué)科及輸入?yún)?shù)，同時根據(jù)基線型號設(shè)計參數(shù)，從各學(xué)科的輸入?yún)?shù)中選取可變更的輸入?yún)?shù)確定為設(shè)計變量，同時根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量確定優(yōu)化學(xué)科，并將步驟(3)中得到的結(jié)構(gòu)矩陣和確定的優(yōu)化學(xué)科求交集得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣；
[0283](6)通過系統(tǒng)全局靈敏度方程，計算步驟(5)中的優(yōu)化目標(biāo)和約束變量對設(shè)計變量的靈敏度系數(shù)，將靈敏度系數(shù)小于特定值的設(shè)計變量剔除，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方法和近似模型方法，建立保留的設(shè)計變量與對應(yīng)的優(yōu)化學(xué)科的輸出參數(shù)的回歸或插值擬合模型從而實(shí)現(xiàn)步驟(4)中的需要進(jìn)行簡化的學(xué)科計算模型的簡化；同時將靈敏度系數(shù)小于特定值的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行解耦，并將優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中串聯(lián)關(guān)系的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)步驟(5)中優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化；
[0284](7)將步驟(6)中簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科分解為父級和子級學(xué)科，并將父級學(xué)科與子級學(xué)科以及子級學(xué)科之間通過共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)造的兩級學(xué)科間一致性約束方程實(shí)現(xiàn)學(xué)科的解耦，并將步驟(5)中的約束變量和設(shè)計變量分配至父級和各子級學(xué)科；根據(jù)父級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)、一致性約束方程對應(yīng)的約束變量、共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)成的父級學(xué)科設(shè)計變量建立父級優(yōu)化模型，并將父級的一致性約束作為子級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)，同時根據(jù)子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)、子級學(xué)科約束變量以及設(shè)計變量建立子級學(xué)科優(yōu)化模型；所述的父級學(xué)科為靈敏度系數(shù)相對最小的學(xué)科，所述子級學(xué)科為優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中除父級學(xué)科以外的設(shè)計學(xué)科；
[0285](8)根據(jù)步驟(7)得到的父級和子級學(xué)科優(yōu)化模型、步驟(6)得到的不同設(shè)計學(xué)科簡化模型以及步驟(4)得到的未經(jīng)簡化的不同設(shè)計學(xué)科分析模型進(jìn)行迭代求解，得到多學(xué)科優(yōu)化結(jié)果；
[0286](9)根據(jù)步驟⑶中輸出的優(yōu)化結(jié)果，輸出衛(wèi)星總體參數(shù)并形成報告。
[0287]本發(fā)明除設(shè)計學(xué)科分析與優(yōu)化建模部分與工程對象相關(guān)，具有特殊性外，系統(tǒng)其它模塊具有通用性，適用于多種航天器的總體方案確定，如可應(yīng)用于低軌、高軌通信衛(wèi)星以及星座系統(tǒng)的概念設(shè)計、方案設(shè)計。對于不同的對象，設(shè)計學(xué)科劃分基本一致，需要根據(jù)對象特殊性增加相應(yīng)設(shè)計學(xué)科，并根據(jù)對象方案設(shè)計關(guān)注目標(biāo)定義系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量以及設(shè)計變量，同時更新各設(shè)計學(xué)科的研究內(nèi)容和輸入輸出參數(shù)。如在高軌通信衛(wèi)星，往往選擇覆蓋、重量、壽命等系統(tǒng)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，而對于低軌衛(wèi)星往往選擇覆蓋率、重訪周期等性能指標(biāo)作為系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，而對于星座系統(tǒng)則以衛(wèi)星數(shù)量、成本等系統(tǒng)指標(biāo)作為系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)。
[0288]本發(fā)明已經(jīng)成功應(yīng)用于GEO移動通信衛(wèi)星總體設(shè)計，完成了 GEO航天器總體參數(shù)的多學(xué)科優(yōu)化，同時已應(yīng)用于多個商業(yè)衛(wèi)星方案的總體方案設(shè)計，且贏得多個商業(yè)合同。目前正在將其應(yīng)用于新型衛(wèi)星平臺的設(shè)計和可行性論證。
[0289]本發(fā)明未詳細(xì)描述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征在于包括:衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)輸入系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、中央數(shù)據(jù)庫儲存與管理系統(tǒng)、衛(wèi)星方案參數(shù)輸出模塊；其中衛(wèi)星設(shè)計參數(shù)輸入系統(tǒng)包括衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊、衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊；FPGA系統(tǒng)包括衛(wèi)星各分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)形成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊、設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊、衛(wèi)星系統(tǒng)學(xué)科分析建模模塊、衛(wèi)星優(yōu)化建模模塊、模型簡化模塊、兩級協(xié)同優(yōu)化建模模塊和協(xié)同優(yōu)化求解模塊；中央數(shù)據(jù)庫儲存與管理系統(tǒng)，包括衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫、設(shè)計參數(shù)庫、模型庫； 衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊，根據(jù)用戶需求將衛(wèi)星系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化形成總體技術(shù)指標(biāo)集，并將該指標(biāo)集存入衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫；所述功能性指標(biāo)體現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)；所述非功能性指標(biāo)是指服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)；衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊，將衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中的總體技術(shù)指標(biāo)集按照衛(wèi)星系統(tǒng)的組成分系統(tǒng)分發(fā)至FPGA系統(tǒng)中的各個模塊用于作為FPGA系統(tǒng)各個模塊的輸入；衛(wèi)星各分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)形成模塊，接收衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊發(fā)送的總體技術(shù)指標(biāo)集，并根據(jù)該技術(shù)指標(biāo)集確定衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時將各分系統(tǒng)技術(shù)要求發(fā)送至衛(wèi)星各分系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊； 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊，根據(jù)衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)分發(fā)模塊發(fā)送的總體技術(shù)指標(biāo)集，將衛(wèi)星總體設(shè)計劃分成不同的設(shè)計學(xué)科，然后確定各設(shè)計學(xué)科的計算任務(wù)，進(jìn)而確定各設(shè)計學(xué)科的輸入輸出參數(shù)，并按設(shè)計學(xué)科的劃分結(jié)果將各設(shè)計學(xué)科的輸入輸出參數(shù)存入設(shè)計參數(shù)庫中；所述設(shè)計學(xué)科為衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)功能或系統(tǒng)性能分析的不同計算模塊； 設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣生成模塊，根據(jù)設(shè)計參數(shù)庫中的不同設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)生成衛(wèi)星總體設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，并將生成的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣發(fā)送至衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊；所述設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的生成方式如下:將各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算，根據(jù)各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)的交集運(yùn)算結(jié)果生成設(shè)計學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表，進(jìn)而生成設(shè)計學(xué)科結(jié)構(gòu)矩陣； 衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊，將衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中用戶最為關(guān)注的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)確定為優(yōu)化目標(biāo)和衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計邊界條件對應(yīng)的輸出參數(shù)為約束變量，然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)從設(shè)計參數(shù)庫中獲取對應(yīng)的設(shè)計學(xué)科輸入?yún)?shù)，并結(jié)合型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供的設(shè)計參數(shù)，從輸入?yún)?shù)中選取可變更的輸入?yún)?shù)確定為設(shè)計變量；同時根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量確定參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科，以及將設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣和參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科求交集得到面向衛(wèi)星總體優(yōu)化的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，并將所述優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣發(fā)送至模型簡化模塊；參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科確定方式如下:將優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量對應(yīng)的設(shè)計學(xué)科求交集得到參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科； 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分析建模模塊，根據(jù)設(shè)計參數(shù)庫中的衛(wèi)星各設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)建立與衛(wèi)星各分系統(tǒng)指標(biāo)要求對應(yīng)的計算模型，并將需要進(jìn)行簡化的不同設(shè)計學(xué)科計算模型發(fā)送至模型簡化模塊，不需要簡化的不同設(shè)計學(xué)科分析模型直接存入模型庫； 模型簡化模塊，通過衛(wèi)星系統(tǒng)全局靈敏度方程或系統(tǒng)靈敏度分析，計算優(yōu)化目標(biāo)和約束變量對設(shè)計變量的靈敏度系數(shù)，將靈敏度系數(shù)小于等于設(shè)定值的設(shè)計變量剔除，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方法和近似模型方法，建立保留的設(shè)計變量與對應(yīng)優(yōu)化設(shè)計學(xué)科輸出參數(shù)之間的回歸或插值擬合模型，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科分析建模模塊發(fā)送的學(xué)科計算模型簡化，并將簡化后的不同設(shè)計學(xué)科的回歸或插值擬合模型存入模型庫，所述的回歸或插值擬合模型命名為近似模型；同時將靈敏度系數(shù)小于設(shè)定值的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行解耦，并將優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中串聯(lián)關(guān)系的設(shè)計學(xué)科進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化； 兩級協(xié)同優(yōu)化建模模塊，將模型簡化模塊輸出的簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科分解為父級和子級兩級學(xué)科，并通過共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)造的兩級學(xué)科間一致性約束方程將父級學(xué)科與子級學(xué)科以及子級學(xué)科的解耦，并將衛(wèi)星優(yōu)化建模模塊輸出的約束變量和設(shè)計變量分配至父級和各子級學(xué)科；根據(jù)父級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)、一致性約束方程對應(yīng)的約束變量、以及共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)成的父級學(xué)科設(shè)計變量建立父級學(xué)科優(yōu)化模型，并將父級學(xué)科的一致性約束作為子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)，同時根據(jù)子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)、子級學(xué)科約束變量以及設(shè)計變量建立子級學(xué)科的優(yōu)化模型；所述的父級學(xué)科為與其它設(shè)計學(xué)科關(guān)聯(lián)最小的設(shè)計學(xué)科，所述的子級學(xué)科為優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中除父級學(xué)科以外的設(shè)計學(xué)科； 協(xié)同優(yōu)化求解模塊，根據(jù)兩級協(xié)同優(yōu)化模塊得到的父級和子級優(yōu)化模型、以及模型庫中不同設(shè)計學(xué)科的計算模型進(jìn)行迭代求解得到優(yōu)化后的設(shè)計變量； 衛(wèi)星方案參數(shù)輸出模塊，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化求解模塊輸出優(yōu)化結(jié)果，形成優(yōu)化得到的衛(wèi)星總體設(shè)計方案參數(shù)集，并由總體方案參數(shù)集生成總體方案報告； 衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，用于存儲衛(wèi)星總體技術(shù)指標(biāo)提取模塊輸出的總體技術(shù)指標(biāo)集; 型號基線設(shè)計數(shù)據(jù)庫，用于存儲已有歷史型號衛(wèi)星的設(shè)計參數(shù)，并提供給衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化建模模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計變量確定； 設(shè)計參數(shù)庫，用于存儲衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計學(xué)科分解模塊得到的設(shè)計學(xué)科劃分結(jié)果和輸入輸出參數(shù)； 模型庫，用于存儲衛(wèi)星設(shè)計學(xué)科分析建模模塊建立的不同設(shè)計學(xué)科計算模型以及模型簡化模塊簡化后輸出的設(shè)計學(xué)科近似模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征在于:所述衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)至少包括覆蓋、指向以及通信容量；所述服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)至少包括整星重量、功率、總熱耗、外形包絡(luò)尺寸、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)基頻、壽命、成本和可靠性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征在于:所述設(shè)計學(xué)科至少包括有效載荷、軌道、控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、電源、熱控、數(shù)管、測控、可靠性、成本模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征在于:所述學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表為將生成的各設(shè)計學(xué)科輸入、輸出參數(shù)分別定義為字符串向量，通過字符串向量的交集運(yùn)算，進(jìn)行設(shè)計學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性分析，并自動提取向量運(yùn)算結(jié)果，結(jié)果不為空，表示存在關(guān)聯(lián)，記為“ I ”，否則記為“O”。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征在于:所述各設(shè)計學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算分為輸入?yún)?shù)集與輸入?yún)?shù)集求交、輸入?yún)?shù)集與輸出參數(shù)集求交，輸入集與輸入集的交集為共享設(shè)計變量，輸入與輸出集的交集為耦合狀態(tài)變量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多學(xué)科優(yōu)化的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)，其特征還在于:適用于低軌、高軌通信衛(wèi)星或星座系統(tǒng)的方案設(shè)計與優(yōu)化。
7.一種基于權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟如下: (1)對衛(wèi)星系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，并形成總體技術(shù)指標(biāo)集； (2)根據(jù)步驟(I)形成的總體指標(biāo)集確定衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時根據(jù)衛(wèi)星各分系統(tǒng)的技術(shù)要求將衛(wèi)星系統(tǒng)劃分成不同的學(xué)科，并根據(jù)該指標(biāo)確定各學(xué)科的計算任務(wù)，進(jìn)而確定各學(xué)科的輸入輸出參數(shù)； (3)根據(jù)步驟(2)中的學(xué)科劃分結(jié)果生成結(jié)構(gòu)矩陣；所述結(jié)構(gòu)矩陣的生成方式如下:將各學(xué)科輸入輸出參數(shù)進(jìn)行交集運(yùn)算，根據(jù)各學(xué)科輸入輸出參數(shù)的交際運(yùn)算結(jié)果生成學(xué)科關(guān)聯(lián)矩陣表格，進(jìn)而生成學(xué)科設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣；所述學(xué)科求交運(yùn)算分為輸入?yún)?shù)集與輸入?yún)?shù)集求交、輸入?yún)?shù)集與輸出參數(shù)集求交，輸入集與輸入集的交集為共享設(shè)計變量，輸入與輸出集的交集為耦合狀態(tài)變量； (4)根據(jù)步驟(2)中的衛(wèi)星學(xué)科劃分結(jié)果以及輸入輸出參數(shù)建立衛(wèi)星系統(tǒng)功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)、以及各分系統(tǒng)功能對應(yīng)的不同設(shè)計學(xué)科計算模型； (5)將總體技術(shù)指標(biāo)集中用戶最為關(guān)注的指標(biāo)確定為優(yōu)化目標(biāo)和系統(tǒng)需滿足的設(shè)計邊界條件對應(yīng)的輸出參數(shù)確定為約束變量，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定其所對應(yīng)學(xué)科及對應(yīng)的輸入?yún)?shù)，同時根據(jù)基線型號設(shè)計參數(shù)，從中選取可變更的輸入?yún)?shù)確定為設(shè)計變量，同時根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、約束變量和設(shè)計變量確定參與優(yōu)化的設(shè)計學(xué)科，并將步驟(3)中得到的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣和確定的參與優(yōu)化設(shè)計學(xué)科求交集，得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣； (6)通過系統(tǒng)全局靈敏度方程，計算步驟(5)中的優(yōu)化目標(biāo)和約束變量對設(shè)計變量的靈敏度系數(shù)，將靈敏度系數(shù)小于特定值的設(shè)計變量剔除，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方法和近似模型方法，建立保留的設(shè)計變量與對應(yīng)的優(yōu)化學(xué)科的輸出參數(shù)的回歸或插值擬合模型，實(shí)現(xiàn)步驟(4)中的需要進(jìn)行簡化的設(shè)計學(xué)科計算模型簡化；同時將靈敏度系數(shù)小于特定值的優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中的學(xué)科進(jìn)行解耦，并將優(yōu)化結(jié)構(gòu)矩陣中串聯(lián)關(guān)系的學(xué)科進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)步驟(5)中優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的簡化； (7)將步驟￠)中簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中的設(shè)計學(xué)科分解為父級和子級學(xué)科，并通過共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)造的兩級學(xué)科間一致性約束方程將父級學(xué)科與子級學(xué)科以及子級學(xué)科之間實(shí)現(xiàn)學(xué)科的解耦，并將步驟(5)中的約束變量和設(shè)計變量分配至系統(tǒng)級和各子系統(tǒng)級學(xué)科；根據(jù)系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)、滿足一致性約束方程的約束變量、共享設(shè)計變量和耦合狀態(tài)變量構(gòu)成的系統(tǒng)級學(xué)科設(shè)計變量建立系統(tǒng)級優(yōu)化模型，并將父級的一致性約束作為子級學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)，同時根據(jù)子級學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)、子級學(xué)科約束變量以及設(shè)計變量建立子級學(xué)科優(yōu)化模型；所述的父級學(xué)科為靈敏度系數(shù)最小的學(xué)科，所述子級學(xué)科為簡化后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣中除父級學(xué)科以外的設(shè)計學(xué)科； (8)根據(jù)步驟(7)得到的父級和子級學(xué)科優(yōu)化模型、步驟(6)得到的不同設(shè)計學(xué)科簡化模型以及步驟(4)得到的未經(jīng)簡化的不同設(shè)計學(xué)科分析模型進(jìn)行迭代求解得到優(yōu)化結(jié)果； (9)根據(jù)步驟(8)中輸出的優(yōu)化結(jié)果形成衛(wèi)星總體方案參數(shù)和報告。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的衛(wèi)星總體方案確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征還在于:適用于低軌、高軌通信衛(wèi)星或星座系統(tǒng)的方案設(shè)計與優(yōu)化。
【文檔編號】G06F17/50GK104133932SQ201410228903
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】周志成, 陳余軍, 王敏, 袁俊剛, 梁宗闖, 孫治國 申請人:中國空間技術(shù)研究院