基于遺傳算法的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì).pdf

1、在過(guò)去的幾十年里，地球觀測(cè)、導(dǎo)航和通信得到了快速發(fā)展，人們希望能夠通過(guò)各種手段在任意地點(diǎn)提供這些服務(wù)。利用衛(wèi)星平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的理想選擇。幾乎在相同的時(shí)間，利用衛(wèi)星構(gòu)建全球性地球觀測(cè)、導(dǎo)航和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的需求增長(zhǎng)，導(dǎo)致了衛(wèi)星星座理論與技術(shù)的快速發(fā)展。衛(wèi)星星座可以定義為按照一定規(guī)則構(gòu)成、協(xié)同完成特定功能的衛(wèi)星集合，是多顆衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同工作的基本形式。傳統(tǒng)的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)主要關(guān)心如何用盡可能少的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球或緯度帶覆蓋。由于對(duì)稱性，

2、一般使用均勻分布的圓形軌道。這也便于得到比較容易處理的分析模型。但是，對(duì)于區(qū)域覆蓋或混合軌道類型，該方法往往不再適用。不僅如此，現(xiàn)在的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)很少再把單一的地球表面覆蓋作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，更多的是考慮多個(gè)參數(shù)指標(biāo)。這是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題。遺傳算法(GA)已經(jīng)被用于解決復(fù)雜問(wèn)題。多目標(biāo)遺傳算法(MOGA)適于解決有大量變量、需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。GA 已經(jīng)被用于非連續(xù)覆蓋的的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)。論文在分析衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和現(xiàn)有

3、工作不足的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了基于GA和MOGA的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文的主要貢獻(xiàn)是：
　　 ⑴在充分研究已有星座模型和GA 特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了通用6N星座模型(N為星座中的衛(wèi)星數(shù)量)。該模型將每顆衛(wèi)星的6個(gè)軌道參數(shù)都作為星座模型參數(shù)，去除了已有星座模型對(duì)衛(wèi)星軌道參數(shù)的限制和約束，最大限度擴(kuò)充了星座模型的參數(shù)空間，包含了所有已知的衛(wèi)星星座構(gòu)型以及其他可能的衛(wèi)星軌道參數(shù)選擇。傳統(tǒng)衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前需要選擇合適的衛(wèi)星星座構(gòu)型

4、。對(duì)于全球或緯度帶衛(wèi)星通信，選擇哪一種衛(wèi)星星座構(gòu)型仍無(wú)定論。對(duì)于區(qū)域衛(wèi)星星座或基于混合軌道類型的衛(wèi)星星座，已知衛(wèi)星星座構(gòu)型往往無(wú)法得到最優(yōu)結(jié)果。對(duì)于地球觀測(cè)及各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星星座，已知星座構(gòu)型更是難以勝任?；谕ㄓ?N星座模型，衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)者能夠擯棄選擇星座構(gòu)型的步驟，直接根據(jù)衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)需求在所有可能的軌道參數(shù)中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了星座構(gòu)型選擇對(duì)星座設(shè)計(jì)的負(fù)面影響。因此，6N星座模型具有最大程度的通用性，適用于絕大部分衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)任

5、務(wù)。
　　 ⑵在通用6N星座模型的基礎(chǔ)上，論文給出了改進(jìn)的基于GA的無(wú)構(gòu)型約束通用衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方法，并首次提出了將代表MOGA 領(lǐng)先水平的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-II)應(yīng)用于地球觀測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信等不同衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的統(tǒng)一算法模型，為復(fù)雜的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。6N星座模型在具備通用性優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，不可避免的帶來(lái)了優(yōu)化參數(shù)空間過(guò)大的問(wèn)題。由于范艾倫輻射帶等因素的影響，衛(wèi)星軌道參數(shù)還具有不連續(xù)、

6、不可微等特點(diǎn)。GA和MOGA十分勝任這種優(yōu)化問(wèn)題。為了滿足各類不同的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)需求，論文在統(tǒng)一的衛(wèi)星星座算法模型中給出了相應(yīng)的基本性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。這些性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不僅僅局限于地理覆蓋性能，還可以是用戶提出的任意和衛(wèi)星軌道參數(shù)相關(guān)的系統(tǒng)需求。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行自己的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，只需要根據(jù)任務(wù)需求對(duì)衛(wèi)星星座性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷幕蛱砑?，就可以得到符合自身需要?一組)最佳地球觀測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信星座設(shè)計(jì)結(jié)果。通用6N星座模型和基于