一种基于多学科优化的卫星总体方案确定系统及实现方法

摘要

本发明一种基于多学科优化的卫星总体方案确定系统及实现方法，包括卫星总体技术指标提取模块、卫星总体技术指标分发模块、卫星各分系统技术要求形成模块、卫星系统设计学科分解模块、设计结构矩阵生成模块、卫星系统设计学科分析建模模块、卫星系统优化建模模块、模型简化模块、两级协同优化建模模块和协同优化求解模块、卫星总体技术指标数据库、型号基线设计数据库、设计参数库、模型库、卫星总体方案参数输出模块；本方法通过系统指标提取、设计任务学科分解、设计学科分析建模、设计结构矩阵构造、卫星总体方案多学科设计优化描述、模型简化、两级协同优化建模与求解，实现卫星总体方案的多学科设计优化。

主权项

一种基于多学科优化的卫星总体方案确定系统，其特征在于包括：卫星设计参数输入系统、FPGA系统、中央数据库储存与管理系统、卫星方案参数输出模块；其中卫星设计参数输入系统包括卫星总体技术指标提取模块、卫星总体技术指标分发模块；FPGA系统包括卫星各分系统技术指标形成模块、卫星系统设计学科分解模块、设计结构矩阵生成模块、卫星系统学科分析建模模块、卫星优化建模模块、模型简化模块、两级协同优化建模模块和协同优化求解模块；中央数据库储存与管理系统，包括卫星总体技术指标数据库、型号基线设计数据库、设计参数库、模型库；卫星总体技术指标提取模块，根据用户需求将卫星系统的功能性指标和非功能性指标进行参数化形成总体技术指标集，并将该指标集存入卫星总体技术指标数据库；所述功能性指标体现卫星系统性能的技术指标；所述非功能性指标是指服务于卫星系统性能的技术指标；卫星总体技术指标分发模块，将卫星总体技术指标数据库中的总体技术指标集按照卫星系统的组成分系统分发至FPGA系统中的各个模块用于作为FPGA系统各个模块的输入；卫星各分系统技术指标形成模块，接收卫星总体技术指标分发模块发送的总体技术指标集，并根据该技术指标集确定卫星各分系统的技术要求，同时将各分系统技术要求发送至卫星各分系统设计学科分解模块；卫星系统设计学科分解模块，根据卫星总体技术指标分发模块发送的总体技术指标集，将卫星总体设计划分成不同的设计学科，然后确定各设计学科的计算任务，进而确定各设计学科的输入输出参数，并按设计学科的划分结果将各设计学科的输入输出参数存入设计参数库中；所述设计学科为卫星系统中实现各分系统功能或系统性能分析的不同计算模块；设计结构矩阵生成模块，根据设计参数库中的不同设计学科划分结果以及输入输出参数生成卫星总体设计结构矩阵，并将生成的设计结构矩阵发送至卫星系统优化建模模块；所述设计结构矩阵的生成方式如下：将各设计学科输入输出参数进行交集运算，根据各设计学科输入输出参数的交集运算结果生成设计学科关联矩阵表，进而生成设计学科结构矩阵；卫星系统优化建模模块，将卫星总体技术指标数据库中用户最为关注的系统技术指标确定为优化目标和卫星系统设计边界条件对应的输出参数为约束变量，然后根据优化目标从设计参数库中获取对应的设计学科输入参数，并结合型号基线设计数据库提供的设计参数，从输入参数中选取可变更的输入参数确定为设计变量；同时根据优化目标、约束变量和设计变量确定参与优化的设计学科，以及将设计结构矩阵和参与优化的设计学科求交集得到面向卫星总体优化的设计结构矩阵，并将所述优化设计结构矩阵发送至模型简化模块；参与优化的设计学科确定方式如下：将优化目标、约束变量和设计变量对应的设计学科求交集得到参与优化的设计学科；卫星系统设计学科分析建模模块，根据设计参数库中的卫星各设计学科划分结果以及输入输出参数建立与卫星各分系统指标要求对应的计算模型，并将需要进行简化的不同设计学科计算模型发送至模型简化模块，不需要简化的不同设计学科分析模型直接存入模型库；模型简化模块，通过卫星系统全局灵敏度方程或系统灵敏度分析，计算优化目标和约束变量对设计变量的灵敏度系数，将灵敏度系数小于等于设定值的设计变量剔除，并根据试验设计方法和近似模型方法，建立保留的设计变量与对应优化设计学科输出参数之间的回归或插值拟合模型，从而实现卫星设计学科分析建模模块发送的学科计算模型简化，并将简化后的不同设计学科的回归或插值拟合模型存入模型库，所述的回归或插值拟合模型命名为近似模型；同时将灵敏度系数小于设定值的优化设计结构矩阵中的设计学科进行解耦，并将优化设计结构矩阵中串联关系的设计学科进行合并，实现优化设计结构矩阵的简化；两级协同优化建模模块，将模型简化模块输出的简化后的优化设计结构矩阵中的设计学科分解为父级和子级两级学科，并通过共享设计变量和耦合状态变量构造的两级学科间一致性约束方程将父级学科与子级学科以及子级学科的解耦，并将卫星优化建模模块输出的约束变量和设计变量分配至父级和各子级学科；根据父级学科优化目标、一致性约束方程对应的约束变量、以及共享设计变量和耦合状态变量构成的父级学科设计变量建立父级学科优化模型，并将父级学科的一致性约束作为子级学科的优化目标，同时根据子级学科的优化目标、子级学科约束变量以及设计变量建立子级学科的优化模型；所述的父级学科为与其它设计学科关联最小的设计学科，所述的子级学科为优化结构矩阵中除父级学科以外的设计学科；协同优化求解模块，根据两级协同优化模块得到的父级和子级优化模型、以及模型库中不同设计学科的计算模型进行迭代求解得到优化后的设计变量；卫星方案参数输出模块，根据协同优化求解模块输出优化结果，形成优化得到的卫星总体设计方案参数集，并由总体方案参数集生成总体方案报告；卫星总体技术指标数据库，用于存储卫星总体技术指标提取模块输出的总体技术指标集；型号基线设计数据库，用于存储已有历史型号卫星的设计参数，并提供给卫星系统优化建模模块进行优化设计变量确定；设计参数库，用于存储卫星系统设计学科分解模块得到的设计学科划分结果和输入输出参数；模型库，用于存储卫星设计学科分析建模模块建立的不同设计学科计算模型以及模型简化模块简化后输出的设计学科近似模型。