[发明专利]一种面向多目标区域的分步式星座构型优化设计方法

说明书

本发明公开了一种面向多目标区域的分步式星座构型优化设计方法，涉及卫星星座构型设计技术领域。本发明通过分析多目标区域的星座优化模型设计主要需要考虑的优化目标、优化约束条件及优化变量，构建多目标区域星座构型优化模型；然后，采用MATLAB模块和STK模块搭建了高效的星座构型优化设计平台；最后，提出了分步式优化的方法，将相互矛盾的优化目标、优化约束条件分离，优先采用不容易建模的优化约束条件进行优化计算，再对不容易建模的优化约束条件进行优化设计。有效解决星座构型优化面临的不可公度性和不相容性问题，实现面向多目标区域的星座构型优化设计，并确保新的星座构型与已有星座构型的兼容性。

技术领域

本发明涉及卫星星座构型设计技术领域，具体是涉及一种面向多目标区域的分步式星座构型优化设计方法。

背景技术

卫星星座的定义是按照一定空间轨道规则、协同完成特定任务的卫星集合，是多颗卫星进行协同工作的具体形式。在卫星应用领域中，由于卫星星座在覆盖性、持续性等方面具备无可替代的强大优势，正日益得到广泛的重视和应用。无论是能够提供天基物联网、宽带数据和语音电话服务的卫星通信系统，还是能够提供导航、定位、测距、授时服务的卫星导航系统，以及高分辨率地球表面侦察系统、科学探测系统，卫星星座都正在扮演着越来越重要、甚至是无可替代的作用。

然而，星座构型优化是一个十分复杂的问题，在设计中往往需要考虑庞大的优化约束集和优化目标集。星座构型优化是指在卫星星座系统设计中，对所有卫星的轨道参数进行优化配置，使星座发挥最佳性能。星座设计最大的困难来至于多种多样的优化约束条件和优化目标带来的不可公度性和不相容性，其具体含义包括：

1、不可公度性，各个设计约束、目标没有统一的量纲，甚至某些难以用明确数学模型表示，以及各个设计约束、目标的数量级不一致，使得设计约束、目标之间难于进行比较。

2、不相容性，指各个设计约束、目标的特性是相互矛盾的，即导致如果选择的可行候选解改善了某个目标的值，可能会使另一目标的值变坏。

近些年，学术界对全球覆盖或某个地面目标区域覆盖的星座优化设计问题的研究较多，主要面向通信、成像、导航三类应用的星座系统。特别地，此类研究着重于解决从无到有，构建一个完整星座系统的设计问题，例如专利《CN201610576713.1低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法》、《CN201610695579.7一种小规模卫星星座构型优化设计方法》等。此类方法忽略了星座设计中更加切实的一些问题：

1、一般情况下，星座系统需要覆盖多个独立的目标区域；

2、星座系统大多是分阶段构建的，在各阶段星座设计时，需要考虑如何与前期已部署的星座相互配合使用，以发挥最大的性能；

3、在某些应用场景下，常常出现不同的星座系统协同工作的情况，如何在已有的星座系统的基础上，配置新的星座，也是需要解决的实际问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种面向多目标区域的分步式星座构型优化设计方法，包括以下步骤：

根据任务需求建立多目标区域的星座优化模型，设置所述星座优化模型的优化目标、优化约束条件和优化变量；

搭建星座优化计算平台，所述星座优化计算平台包括MATLAB模块和STK模块，MATLAB模块用于执行NSGA-Ⅱ算法的计算，所述STK模块用于执行星座优化模型的覆盖性能计算分析；

对于容易建模的优化约束条件，根据所述优化目标在NSGA-Ⅱ算法建立优化目标函数，采用NSGA-Ⅱ算法进行优化目标函数求解，得到优化目标函数的参考解集合；根据不容易建模的优化约束条件，以人为设计约束优先级的方式，从参考解集合中选出满意解。