基于代理模型的对地观测卫星系统顶层设计方法研究

论文摘要

卫星系统顶层设计是对卫星颗数、卫星轨道和载荷参数进行优化设计,从而最大化卫星系统观测性能和最小化系统成本。一个合理的卫星系统顶层设计方案能够发挥卫星系统整体性能,尤其是随着成像卫星作用的凸显以及应用模式的不断深入和扩展,顶层设计是卫星应用部门亟需解决的问题。论文分析了卫星系统顶层设计的特点和面临的复杂性,采用基于代理模型的仿真优化方法,研究分析各种代理模型的相关理论和对问题适用性,提出改进广义模式搜索算法进行优化求解,并研究模型更新算法。本文主要进行了以下研究工作:(1)研究卫星系统顶层设计的特点,从实体、耦合关系和系统规模三个方面分析了设计过程中面临的各种复杂性,提出了基于仿真的卫星系统性能指标及其影响因素集,明确了设计过程中的目标函数和设计变量的映射关系,并提出基于代理模型的仿真优化方法。(2)对响应面、径向基和Kriging模型的数学机理进行了详细阐述,通过非线性的算例对三种代理模型的适应性进行了分析,结果显示Kriging模型相对其他两种代理模型针对非线性函数具有更好的拟合性能。在此基础上,讨论了卫星系统顶层设计中代理模型的构建包括的三个部分,重点介绍了仿真分析流程和实现方法,以及序列迭代法构建代理模型。(3)在仿真耗时的优化设计中,提出基于代理模型的改进广义模式搜索算法。搜索步借助代理模型在当前网格内进行选点,所选择的点满足代理模型最优或最大化期望提高两个原则,有效避免的选点的盲目性;筛选步利用代理模型预测筛选集中各点提高的比例并进行排序,在非完全搜索的模式下,优先仿真提高程度大的筛选点,切实提高了优化效率。改进广义模式搜索算法在对代理模型进行优化求解时,通过选择新增样本点,实现了代理模型的更新算法。(4)通过两个卫星系统顶层设计典型实例验证本文方法的有效性和实用性。单星系统实例研究中,重点优化了轨道参数和载荷参数;在多星系统实例研究中,由于设计变量和卫星颗数相关,重点验证了算法对多变量的适用性。同时,将文中算法与Analyzer进行了比较,结果表明,无论在优化结果的稳定性或优化速度上都优于Analyzer。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 卫星系统顶层设计研究
• 1.2.2 仿真优化研究现状
• 1.2.3 相关优化工具
• 1.3 论文的主要研究工作和创新点
• 1.4 论文结构
• 第二章 卫星系统顶层设计问题研究
• 2.1 卫星系统顶层设计特点和复杂性分析
• 2.1.1 卫星系统顶层设计特点
• 2.1.2 卫星系统顶层设计复杂性分析
• 2.2 卫星系统性能评估指标及影响因素
• 2.2.1 基于仿真的卫星系统性能评估分析
• 2.2.2 系统性能指标影响因素
• 2.3 卫星系统顶层设计求解思路
• 2.3.1 基本假设及问题简化
• 2.3.2 问题求解过程
• 2.3.3 问题的基本输入输出要素
• 2.4 本章小结
• 第三章 代理模型的基本理论及构建
• 3.1 常用代理模型介绍
• 3.1.1 响应面方法
• 3.1.2 径向基函数模型
• 3.1.3 Kriging 模型
• 3.2 代理模型适应性分析
• 3.2.1 近似精度评估标准
• 3.2.2 非线性函数近似分析
• 3.3 卫星系统顶层设计中代理模型的构建
• 3.3.1 试验设计
• 3.3.2 仿真分析
• 3.3.3 构建代理模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 广义模式搜索算法及其改进
• 4.1 广义模式搜索算法的基本概念
• 4.1.1 搜索步
• 4.1.2 筛选步
• 4.2 基于代理模型的广义模式搜索算法改进
• 4.2.1 基于代理模型的搜索
• 4.2.2 基于代理模型的动态筛选
• 4.2.3 算法框架
• 4.3 算例
• 4.4 本章小结
• 第五章 卫星系统顶层设计应用研究
• 5.1 问题提出
• 5.2 单星观测顶层设计
• 5.2.1 设计问题描述
• 5.2.2 代理模型分析
• 5.2.3 优化结果与分析
• 5.2.4 仿真验证
• 5.3 多星协同观测顶层设计
• 5.3.1 设计问题描述
• 5.3.2 代理模型分析
• 5.3.3 优化结果与分析
• 5.3.4 仿真验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 进一步研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果