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对地观测卫星系统顶层设计参数优化方法研究

作　者: 刘晓路
导　师: 陈英武
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 管理科学与工程
关键词: 对地观测卫星系统顶层设计参数优化综合拉丁方试验设计方法快速模拟退火算法 Kriging代理模型改进广义模式搜索
分类号: V474.26
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 53次
引　用: 1次
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内容摘要

对地观测卫星系统( Earth Observation Satellite System, EOSS )是进行地面信息收集的主要太空平台,具有覆盖区域广、安全性能高、不受空域国界、地理条件限制等优点。过去几十年中,我国对地观测卫星无论数量、还是质量都有极大的提升,但系统的整体性能并不高,尤其在应急灾害响应、重点区域覆盖等方面能力较差。本文提出了EOSS顶层设计参数优化问题,通过优化系统的关键性能参数配置,实现对EOSS整体性能的改进和提高,尤其是系统的快速响应能力和重点区域观测能力,围绕此文章的主要工作可概括为:首先,提出了对地观测卫星系统顶层设计参数优化问题,并从应用角度分析了问题的来源和研究意义。同时从EOSS的物理组成和性能计算两个角度分析了问题的复杂性,在此基础上,结合试验优化与仿真优化的思想,分析了求解中所存在的问题,提出了基于试验设计和代理模型的求解框架。EOSS通过对特定目标成像以实现对用户需求的满足,本文将EOSS性能归结为覆盖性能。在点覆盖数字仿真方法基础上,从空间和时间两个方面构建了EOSS的性能指标体系,给出了每个指标的计算方法,研究了影响这些指标的系统因素,并通过定量分析验证了各个因素对不同指标的影响。在求解EOSS顶层设计参数优化问题的过程中,系统的性能指标需要借助仿真进行计算。为了尽可能控制仿真次数,提出了综合拉丁方试验设计方法(CLHD)生成仿真方案,该方法保证所选择的采样点均匀充满整个设计空间,同时保证不同采样点之间相关性较小。论文分析了拉丁方矩阵的优化准则,定义了多目标的收益函数,采用快速模拟退火算法控制方案的生成过程,用正交性较好的拉丁方矩阵作为初始解,算法分别构建了4种变换邻域用以生成改进解和跳出局部最优,采用服从Cauchy分布的降温函数模拟算法的退火过程。通过与其它方法的对比发现,CLHD能够兼顾设计方案的正交性和均匀性,且对试验因素数、因素水平数之间无特殊的要求。针对EOSS仿真所产生的仿真数据,本文提出了基于多点更新的Kriging代理模型对其进行拟合分析;通过代理模型最优与最大化期望提高相结合的机制选择代理模型插值点,提出了基于函数改进的插值点过滤机制,构建了基于改进广义模式搜索算法的Kriging代理模型构建和优化框架。其中,搜索步通过遗传算法和序列二次规划算法实现,筛选步通过不完全动态筛选实现。在此基础上,引入多个标准测试函数对所提方法进行了验证,计算结果证明本文方法具有较好的全局搜索能力,能够有效地跳出局部最优。最后,论述了本文的仿真结构、仿真流程、想定设计和优化过程。根据实际应用设计了两个仿真实例:以最大化区域覆盖率为目标,设计了面向突发事件的小卫星应急发射实例;以最小重访时间为目标,设计了面向全球重点区域覆盖的实例。这两个实例一方面是对本文方法求解流程的细化,另一方面也是对方法有效性的验证,通过与通用商业软件STK/Analyzer优化结果的对比可以发现,相同条件下本文方法所得解的质量更高。

全文目录

摘要  14-16
ABSTRACT  16-18
第一章绪论  18-32
  1.1 研究背景及研究意义  18-22
    1.1.1 问题来源  18-19
    1.1.2 研究背景  19-20
    1.1.3 EOSS 顶层设计参数优化问题  20-21
    1.1.4 研究意义  21-22
  1.2 国内外研究现状及评述  22-27
    1.2.1 单星系统优化设计研究  22-23
    1.2.2 卫星星座优化设计研究  23-24
    1.2.3 分布式卫星系统优化设计研究  24-26
    1.2.4 相关应用研究  26-27
  1.3 论文组织结构和创新点  27-32
    1.3.1 论文主要内容和组织结构  27-29
    1.3.2 论文创新点  29-32
第二章 EOSS 顶层设计参数优化问题及其求解框架  32-52
  2.1 OTDP 问题分析  32-34
    2.1.1 EOSS 物理复杂性  32-33
    2.1.2 EOSS 性能计算复杂性  33-34
  2.2 OTDP 问题求解思路  34-40
    2.2.1 仿真优化方法  34-36
    2.2.2 试验优化方法  36-38
    2.2.3 存在的问题和解决思路  38-40
  2.3 基于试验设计和代理模型的OTDP 求解方法  40-50
    2.3.1 OTDP 问题求解方法  40-41
    2.3.2 关键技术评述  41-50
  2.4 本章小结  50-52
第三章 EOSS 性能建模及分析  52-70
  3.1 EOSS 性能计算方法  52-56
    3.1.1 解析法  52-54
    3.1.2 点覆盖数字仿真法  54-56
  3.2 EOSS 性能分析  56-60
    3.2.1 EOSS 空间覆盖特性  56-57
    3.2.2 EOSS 时间覆盖特性  57-60
  3.3 影响EOSS 性能的因素及其分析  60-69
    3.3.1 EOSS 覆盖因素分析  60-65
    3.3.2 各性能指标的影响因素分析  65-69
  3.4 本章小结  69-70
第四章基于快速模拟退火算法的综合拉丁方试验设计方法  70-104
  4.1 EOSS 仿真及拉丁方试验设计方法  70-72
    4.1.1 EOSS 仿真的困境  70-71
    4.1.2 拉丁方试验设计方法  71-72
  4.2 拉丁方试验设计的优化准则  72-76
    4.2.1 均匀性准则  73-74
    4.2.2 正交性准则  74-76
  4.3 综合拉丁方试验设计方法  76-94
    4.3.1 快速模拟退火算法及其算法结构  76-80
    4.3.2 CLHD 方法实现  80-94
  4.4 CLHD 对比分析及方法测试  94-103
    4.4.1 CLHD 与其它方法的比较分析  94-97
    4.4.2 CLHD 方法测试分析  97-103
  4.5 总结  103-104
第五章基于多点更新的Kriging 代理模型及其优化  104-130
  5.1 Kriging 代理模型及其应用  104-111
    5.1.1 基本模型  104-105
    5.1.2 预测模型  105-107
    5.1.3 参数估计  107-108
    5.1.4 相关模型  108-110
    5.1.5 Kriging 代理模型的应用  110-111
  5.2 Kriging 代理模型的更新及评估方法  111-116
    5.2.1 Kriging 代理模型的更新  111-114
    5.2.2 代理模型拟合精度的评估  114-115
    5.2.3 面向EOSS 优化的Kriging 代理模型  115-116
  5.3 基于改进广义模式搜索的Kriging 代理模型求解方法  116-121
    5.3.1 IGPS 搜索步  117-119
    5.3.2 IGPS 筛选步  119-120
    5.3.3 IGPS 算法步骤  120-121
  5.4 测试实例  121-129
    5.4.1 测试函数集  121-124
    5.4.2 优化结果分析  124-129
  5.5 小结  129-130
第六章应用实例  130-146
  6.1 仿真结构及流程控制  130-132
  6.2 面向突发事件的EOSS 设计优化实例  132-138
    6.2.1 问题描述及分析  132-134
    6.2.2 优化结果分析  134-138
  6.3 面向重点区域覆盖的EOSS 设计优化实例  138-144
    6.3.1 问题描述及分析  138-139
    6.3.2 优化结果分析  139-144
  6.4 本章小结  144-146
第七章总结与展望  146-148
  7.1 本文总结  146-147
  7.2 研究展望  147-148
致谢  148-150
参考文献  150-162
作者在学期间取得的学术成果  162-164
作者在学期间参加的科研项目  164-166
附录1：试验设计方案对比  166-170

对地观测卫星系统顶层设计参数优化方法研究

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