一种基于包络对偶算法体系的对地观测卫星多学科优化系统

摘要

一种基于包络对偶算法体系的对地观测卫星多学科优化系统，它涉及包络对偶算法体系的对地观测卫星多学科优化系统的5个分层：数学模型层L1，优化模型层L2，算法计算层L3，数据层L4和应用层L5；它们之间是信息传递关系，依次为L1‑L2‑L3‑L4‑L5；本发明是在对地观测卫星数学模型基础上，确定优化目标‑对地观测分辨率和相关约束，并构建卫星的优化模型，然后用包络对偶算法对卫星模型进行优化计算，如果优化结果满足收敛准则，则得到卫星最优的对地观测分辨率。它也可以实现对卫星设计目标和参数变量的快速计算，和传统的卫星设计‑试验‑更改设计‑试验的流程相比，提升了效率。

主权项

一种基于包络对偶算法体系的对地观测卫星多学科优化系统，其特征在于：它涉及包络对偶算法体系的对地观测卫星多学科优化系统的5个分层：数学模型层L1，优化模型层L2，算法计算层L3，数据层L4和应用层L5；它们之间是信息传递关系，依次为L1‑L2‑L3‑L4‑L5；所述数学模型层L1由任务模块L11，有效载荷模块L12，电源模块L13，发射模块L14四个模块组成；任务模块L11、有效载荷模块L12、电源模块L13和发射模块L14是相互并列的关系，通过卫星轨道高度和卫星相机孔径耦合；该任务模块L11，其结构是由下列经验公式构成：$DLD=\frac{T}{2\pi }\times 2\lambda \times \frac{\pi }{180}\times \frac{1}{60}$$T=2\pi \sqrt{\frac{{(6378+H)}^3}{39860}}$$\lambda =\arccos (\frac{6378}{6378+H}\times cos5)-5$式中：DLD是下行链接持续时间，取值范围5分钟到15分钟；H是轨道高度，取值范围500公里‑750公里；T是卫星运行周期，是中间变量；λ是卫星覆盖区对应的地球中心角，是中间变量；卫星任务要考虑卫星与地面接收站的可见性及数据传输能力、卫星连续执行两次任务之间的调整校准时间，任务需求是下行链接持续时间即Down‑link data transmission；该有效载荷模块L12，其结构是由下列经验公式构成：$RT=\frac{6378\times 7.27\times T\times {10}^{-5}}{sw}$$sw=2H\times \mathrm{arc}tan[639\times arctan\left(\frac{10}{2000\times 8\times D}\right)]$式中：RT是回访时间，取值范围90天‑150天；sw即swath width是行迹宽度，是中间变量；T是卫星运行周期，是中间变量；H是轨道高度，取值范围500公里‑750公里；D是相机孔径，取值范围50毫米‑150毫米；对地观测卫星有效载荷作用是地面图像的捕捉，所有的设计都是围绕有效载荷性能最大化，考虑回访时间即revisit time的影响作用；该电源模块L13，其结构是由下列经验公式构成：A_sa＝P_sa/181.8$P_{sa}=P_{av}\times (\frac{T_e}{0.6}+\frac{T-T_e}{0.8})/(T-T_e)$$P_{av}=21e^{\left(0.006M_{sa}\right)}$$T_e=T\times \arccos \left(\frac{6378}{6378+H}\right)$式中：A_sa是太阳帆板面积，取值小于1.2平方米；P_sa是太阳能电池阵输出功率，是中间变量；T_e是卫星地影时长，是中间变量；M_sa是整星质量，取值小于200千克；T是卫星运行周期，是中间变量；H是轨道高度，取值范围500公里‑750公里；太阳帆板和蓄电池室是卫星电源设计的重要元素，为卫星在太空的运行提供动力；该发射模块L14，其结构是由下列经验公式构成：M_sa+H‑720≤0式中：M_sa是整星质量，取值小于200千克；H是轨道高度，取值范围500公里‑750公里；卫星发射与火箭组成的运载工具和用于地面支持的基础结构有关，在卫星设计过程中只考虑卫星质量与轨道高度的相互关系；所述优化模型层L2由两个模块组成，优化目标模块L21和约束模块L22；由数学模型层L1提供的经验公式，构建卫星的优化模型；该优化目标模块L21是对地观测卫星优化模型建立的关键模块，整个优化系统围绕优化目标进行；其中优化目标‑对地观测分辨率，指可以识别的最小地面距离和最小目标物的大小；该优化目标R由下列经验公式构成：$R=\frac{10\times H}{8\times D}$式中：H是轨道高度，取值范围500公里‑750公里；D是相机孔径，取值范围50毫米‑150毫米；该约束模块L22作用是提供给优化过程限定条件；该限定条件包括整星质量取值小于200千克；太阳帆板面积，取值小于1.2平方米；回访时间，取值范围90天‑150天；下行链接持续时间，取值范围5分钟到15分钟；所述算法计算层L3核心是包络对偶算法计算模块，根据优化模型层L2提供的优化模型，利用包络对偶算法，对对地观测分辨率进行计算求解；该包络对偶算法，指针对地观测卫星设计优化问题，提出的一种求解方法，其含义表述如下：优化问题典型的数学模型为：{求目标函数f(X)的最小值，使得f(X)满足约束函数g_i(X)≤0,(i＝1,2,...,n)}根据该问题的数学意义，变换为如下的等价形式：{求目标函数f(X)的最小值，使得f(X)满足约束函数g_max(X)≤0}式中，g_max(X)等于g_i(X)的最大值；基于经典的数学理论，进一步得到优化问题的数学模型：{求对偶函数d(λ)的最大值，对偶函数d(λ)＝{f(X)+λ·g_max(X)}的最小值.}用一个光滑的包络函数E(x)替代约束函数g_max(X)，得到包络对偶问题数学模型：{求对偶函数d(λ)的最大值，对偶函数d(λ)＝{f(X)+λ·E(X)}的最小值.}该f(X)是目标函数，g_max(X)是约束函数，d(λ)是对偶函数，E(x)是包络函数，λ是对偶变量；所述数据层L4的核心是数据分析模块，利用收敛准则，分析算法计算层L3给出的计算结果，符合收敛准则，则此结果为最终的优化结果，反之从优化模型层L2开始重新计算；该收敛准则是一种数学算法定义；所述应用层L5由软件组成，为用户提供一组卫星设计参数；该卫星设计参数，是指卫星设计制造过程中，所需的设计值。