考虑不确定性的卫星系统总体方案云优化设计方法

论文摘要

卫星的总体优化设计是提高卫星总体设计水平的重要途径,对卫星性能的提高和卫星费用的估算有着重要的意义,当卫星的方案类型确定后,卫星总体设计中的各总体参数所选取的数值就对卫星整体的性能、卫星系统的可靠性、卫星系统的费用和研制难度有着决定性的作用。但是对于卫星总体设计阶段,其系统设计目标却具有模糊性、主观性等特点导致卫星系统的总体设计的设计参数存在着很多的不确定性。本文从提高卫星设计质量的角度出发,研究了云模型处理不确定性的方法,并将其应用在对地观测卫星系统的总体设计优化问题中。首先,研究了不确定性理论。阐述了基于云模型不确定性优化的基本概念,研究了不确定性的分类和定义。其次,研究了云模型的理论基础,并研究了生产包含系统所有不确定性信息的虚拟云的数学方法,确定了云模型方法不仅能处理各个参数中的不完整的知识,并且能够使不确定性和最优化阶段产生合适的相互影响来减少因知识信息的不完整性所造成的影响,并给出了云模型中的各个置信值的概念,为不确定性优化中提供了理论基础。然后,在经典的优化设计中加入云约束条件,建立了加入不确定性后的优化设计的数学模型,确定了不确定性优化的优化过程。并通过算例直观的给出了云约束中各置信值和样本点的取值对优化的影响,给出了在系统优化中云约束条件的各置信值和样本点的取值。最后,以对地观测卫星为对象,对云模型处理卫星系统不确定性的应用进行研究,根据对地观测卫星的任务要求,初步设计卫星的总体方案,并对卫星系统建立了总体设计学科模型及其不确定性因素模型,采用云模型对整星系统进行了考虑不确定性的优化求解,结果验证了云模型在处理卫星系统不确定性时的可行性和有效性。本文以介绍卫星总体设计的工作内容和特点以及国内外针对卫星系统总体设计的不确定性的设计优化方法研究作为开篇。研究了云模型理论对不确定性的处理的方法,并将这种方法应用在卫星系统的总体设计中,并在文末对处理不确定性在卫星系统设计优化中的前景给出了作者的看法和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 不确定性及云模型的概述
• 1.2.1 不确定性的研究和分类
• 1.2.2 云模型处理不确定性的理论框架
• 1.3 处理卫星系统设计中不确定性的研究现状
• 1.3.1 概率风险分析法
• 1.3.2 安全因素分析法
• 1.3.3 设计边界法
• 1.3.4 多学科综合优化法（MDO）
• 1.3.5 云模型法
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 云模型的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 云模型的理论背景
• 2.3 虚拟云
• 2.4 生成一个虚拟云
• 2.5 虚拟函数的选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 考虑不确定性的设计优化
• 3.1 引言
• 3.2 不考虑不确定性的优化设计
• 3.3 在优化设计公式中加入不确定性约束
• 3.4 基于云模型的算例分析与云模型中置信值的选取
• 3.4.1 推进器质量模型分析
• 3.4.2 推进器模型参数
• 3.4.3 优化过程、结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 对地观测卫星的系统建模
• 4.1 引言
• 4.2 卫星系统初步设计
• 4.2.1 卫星技术指标要求
• 4.2.2 卫星任务功能分析
• 4.2.3 卫星系统初步分析与设计
• 4.3 对地观测卫星总体设计学科模型
• 4.3.1 轨道分析计算模型
• 4.3.2 有效载荷模型
• 4.3.3 电源分系统模型
• 4.3.4 卫星质量模型
• 4.3.5 卫星结构平台模型
• 4.3.6 卫星成本模型
• 4.4 本章小节
• 第5章 对地观测卫星的总体不确定性优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 对地观测卫星系统设计优化问题的描述
• 5.2.1 卫星系统的设计目标和优化变量
• 5.2.2 卫星系统所需满足的约束条件
• 5.2.3 根据约束条件计算几个重要参数
• 5.3 卫星设计优化的不确定性因素建模
• 5.3.1 轨道和有效载荷模型中的不确定性
• 5.3.2 电源模型中的不确定性
• 5.3.3 质量模块的不确定性
• 5.3.4 结构平台的不确定性
• 5.3.5 成本模型的不确定性
• 5.4 基于云模型的卫星系统不确定性优化
• 5.4.1 选取所设计卫星的基本方案参数
• 5.4.2 基于不确定性的卫星系统优化过程
• 5.4.3 对地观测卫星的不确定性优化结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢