[發明專利]基于多學科協作逆向優化的跨域融合星座設計方法

有效

• 申請號: 202211631415.X
• 申請日: 2022-12-19
• 公開（公告）號: CN115622888B
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 楊俊;覃俊祥;郭熙業;孟志軍;劉凱;李陽;李軒;馬曉天;任思創
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H04L41/0823
• 分類號: H04L41/0823;H04B7/185
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 趙小龍

本發明公開了一種基于多學科協作逆向優化的跨域融合星座設計方法，包括基于任務需求與星座的基本參數約束對各個功能域的星座進行單獨設計，得到每個功能域的基礎星座；基于協作優化將每個功能域的基礎星座進行綜合，得到初始跨域融合星座，協作優化的目標可設定但不限于為系統成本最少；對初始跨域融合星座進行逆向優化，剔除初始跨域融合星座中冗余衛星并對優化衛星載荷的部署，得到跨域融合星座。本發明應用于星座領域，將星座設計分成滿足需求的綜合型基礎星座設計和基礎星座跨域融合逆向設計優化，不但能滿足通信、導航、遙感等多域融合星座設計需求，還能針對優化目標進行優化，有效提高基礎星座設計效率，滿足多類業務綜合的需求。

技術領域

本發明涉及星座設計技術領域，具體是一種基于多學科協作逆向優化的通信、導航、遙感一體化跨域融合星座設計方法。

背景技術

航天系統發展到現在，目前較為典型的航天系統有衛星導航、通信、遙感等功能系統。比如GPS、starlink和Skysat等。但這些星座都是針對單個功能的星座，只能提供某一類服務。它們被稱為域，定義為具有特定功能的一組連接的設備和用戶終端。隨著軟件定義衛星、智能衛星技術的發展，人們開始考慮各星座系統進行互聯共享、融合建設。如果可以協調各種域(例如通信域和觀察域)的資源，則可以顯著增強網絡性能。所以，近年來出現了許多衛星跨域的相關研究，比如跨域資源調度、用于支撐跨域的資源虛擬化。通導融合系統、通信遙感融合系統開始提出。但隨著軟件定義衛星技術、衛星邊緣計算技術的發展，以及衛星處理能力的進一步增強，人們將衛星跨域進一步發展，向著一體化甚至智能化進步。一體化、智能化的天基系統在提高衛星資源利用率、加快任務響應時間、提高服務質量方面有優勢。但帶來的問題是天基系統需要更加復雜的設計，尤其是其中和系統性能最為相關的星座設計難題。

傳統的星座設計都是針對單類功能，即單個域的。由于需求的不同，會有全球或者區域的不同、以及導航、通信、遙感、雷達等等不同功能的星座。設計的時候采用不同的星座構型、不同的設計和設計方法。但此類設計方法無法滿足一體化跨域融合的星座設計。主要難點在于一體化跨域融合的星座相當于多種需求融合的星座系統。當多種業務融合在一起時，進一步加大了星座設計的建模及求解難度。除了天基系統自身領域設計存在的計算空間爆炸爆炸后，跨域融合的星座功能由于能夠按需重構，導致衛星功能帶來不確定性，使得星座設計極為困難。

現有研究中提出了一種由多種功能衛星組成的混合衛星星座的概念，混合星座同樣需要不同功能的衛星進行協同，但由于衛星功能的固定性，其在星座設計時還是針對單類功能設計，只是在覆蓋區域上針對協同特點進行了一定的區分。類似地還有針對電子遙感、光學成像和合成孔徑雷達成像衛星的混合星座設計，從資源域來看還是屬于同一個觀測域的星座設計方法。

在另一個現有研究中，面向通信、導航、遙感一體化應用需求，以星座數據最小化為目標，基于不同載荷的覆蓋特性，設計了一個低軌一體化星座。但是其方法直接給定衛星高度、軌道傾角、載荷約束等參數，相當于只是給了一個一體化星座的特例。對于跨域融合星座，需要更全面的考慮各個功能域的參數及相互影響的關系，應該是一個多個目標融合的設計問題。為更全面的對跨域融合星座進行優化設計，不少現有技術采用了半解析法、智能算法比如遺傳算法、多學科設計優化的方法。導航與通信跨域融合的設計說明多學科設計優化的方法是有效的，但對于三個學科及以上的星座設計，上述算法存在的問題是跨域融合星座無法直接使用解析表達式，遺傳算法只用在單個學科或領域內，而目前的多學科設計優化方法，更多是單個域內的不同學科，比如結構、軌道動力學等的優化設計。而且不同域對應的不同學科之間沒有信息交互，以優化跨域融合星座的設計。所以需要進一步改進多學科優化方法已適應跨域融合星座設計中存在的求解空間爆炸、變量耦合及信息交互的問題。

發明內容

針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種基于多學科協作逆向優化的通信、導航、遙感一體化跨域融合星座設計方法，將星座設計分成滿足需求的綜合型基礎星座設計和基礎星座跨域融合逆向設計優化兩個階段，不但可以滿足通信、導航、遙感等多域融合星座設計需求，還能夠針對優化目標進行優化。