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卫星总体多学科设计优化理论与应用研究

作　者: 赵勇
导　师: 王振国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 卫星多学科设计优化分解策略协调策略搜索策略 MDO优化过程月球探测卫星 InSAR卫星编队
分类号: V423.41
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

卫星总体设计属于典型的多学科问题。以多学科设计优化(MultidisciplinaryDesign Optimization,MDO)方法为核心实现设计优化与过程集成,对于提高卫星总体设计水平,实现卫星研制“快、好、省”的目标具有重要意义。论文以探索MDO方法与卫星总体设计过程相结合为目的,在系统研究MDO理论的基础上,建立了以分解、协调、搜索策略和MDO优化过程为核心的MDO理论研究主线,并将其应用于月球探测卫星和InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)卫星编队两类典型卫星总体优化设计问题。在MDO理论研究方面:首先,研究了基于图论的函数关系矩阵(Functional Dependency Table,FDT)与设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)分解策略,分析了基于超图的FDT分解模型和基于图论的DSM分解模型。算例测试结果表明:合理的学科分解有助于MDO问题快速准确地求解。其次,提出了基于改进Kriging模型的响应面协调策略。该策略遵循变复杂度建模思想,结合了二次多项式模型和Kriging模型的优势。三个不同复杂度的算例测试结果表明:该策略可明显提高响应面的近似精度和计算效率,并改善基于响应面方法的MDO优化过程的收敛性能。然后,研究了基于微粒群算法的设计空间搜索策略,提出了改进的微粒群算法(Improved Particle Swarm Optimization,IPSO)以及集成Powell法、模式搜索法与IPSO的混合微粒群算法。典型全局优化函数测试结果表明:两种改进算法在全局收敛性能和计算效率方面均有明显优势。最后,提出了针对BLISS 2000(Bi-Level Integrated System Synthesis 2000)优化过程的改进形式——HBLISS(Hybrid BLISS 2000)。HBLISS集成了基于改进Kriging模型的响应面协调策略和基于混合微粒群算法的搜索策略,并利用HLA/RTI(High Level Architecture/Runtime Infrastructure)实现了并行。算例测试结果表明:HBLISS在学科自治性和收敛性能方面较有优势,其并行实现可显著缩短计算时间。在MDO应用方面:首先,探讨了基于MDO的卫星总体设计过程的建模问题,深入分析了卫星总体设计过程中的总体技术流程、总体方案流程及其模型体系,提出了模型树与方案树的概念,建立了卫星总体MDO的基本框架。其次,综合上述研究成果,研究了月球探测卫星的MDO问题。针对此类以继承性设计为主的卫星总体设计问题,以单位信息量的成本最小为优化目标建立了总体参数优化模型,经合理学科分解后采用HBLISS进行集成和求解。优化结果较好地验证了HBLISS的可行性与有效性,并给出了较优的总体设计方案。然后,研究了InSAR卫星编队的MDO问题。针对此类以创新性设计为主的卫星总体设计问题,以全球高程测量为背景,分析了编队构形、SAR天线及卫星平台总体参数间的耦合关系,以系统成本最小为目标构建总体参数优化模型,在合理学科分解的基础上利用并行HBLISS进行集成和求解。结果较好地体现了MDO方法的优越性,并为进一步的设计奠定了较好基础。最后,在以上应用实例的基础上,建立了面向卫星总体的多学科集成设计系统,用于概念设计和初步设计阶段的卫星总体多学科设计、分析与优化。针对数字化设计系统的发展需求,提出了基于本软件系统构建卫星数字化集成设计系统的构想。总之,论文研究初步形成了比较完整的MDO理论研究主线,并将其应用于月球探测卫星和InSAR卫星编队的总体优化设计,为探索MDO方法在卫星总体设计中的应用进行了有益的尝试,也为进一步的MDO理论与应用研究奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-40
  1.1 论文研究背景与意义  17-19
    1.1.1 卫星总体设计  17-18
    1.1.2 卫星总体优化设计  18
    1.1.3 卫星总体多学科设计优化  18-19
  1.2 多学科设计优化研究概述  19-33
    1.2.1 MDO的发展概况  19-22
    1.2.2 MDO的理论框架分析  22-25
    1.2.3 分解策略  25-27
    1.2.4 协调策略  27-29
    1.2.5 搜索策略  29-30
    1.2.6 典型MDO优化过程  30-33
  1.3 卫星多学科设计优化研究现状  33-38
    1.3.1 卫星MDO的内在要求  33-34
    1.3.2 卫星MDO的主要困难  34-35
    1.3.3 卫星MDO的研究进展  35-38
  1.4 论文主要研究内容  38-40
第二章基于图论的多学科分解策略  40-55
  2.1 概述  40-43
  2.2 FDT分解模型  43-45
    2.2.1 MDO问题的FDT描述  43-44
    2.2.2 基于超图的FDT分解模型  44-45
  2.3 DSM分解模型  45-50
    2.3.1 MDO问题的DSM描述  45-47
    2.3.2 基于图论的DSM分解模型  47-50
  2.4 分解实现分析与算例测试  50-54
    2.4.1 分解实现分析  50-51
    2.4.2 算例测试  51-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章基于改进Kriging模型的响应面协调策略  55-72
  3.1 响应面方法概述  55-56
  3.2 基本Kriging模型的响应面构造方法  56-62
    3.2.1 数学描述  57-60
    3.2.2 算例分析  60-62
  3.3 基于改进Kriging模型的响应面构造方法  62-70
    3.3.1 基本思想  62-63
    3.3.2 优化流程  63-64
    3.3.3 算例测试  64-70
  3.4 本章小结  70-72
第四章基于混合微粒群算法的设计空间搜索策略  72-83
  4.1 微粒群算法概述  72-75
    4.1.1 算法描述  72-74
    4.1.2 算法流程  74
    4.1.3 参数设置  74-75
    4.1.4 收敛准则  75
  4.2 微粒群算法改进研究  75-78
    4.2.1 改进策略分析  75-76
    4.2.2 改进微粒群算法  76-77
    4.2.3 算例测试  77-78
  4.3 混合微粒群算法  78-82
    4.3.1 混合机制  79
    4.3.2 混合微粒群算法  79-81
    4.3.3 算例测试  81-82
  4.4 本章小结  82-83
第五章 HBLISS优化过程及其并行实现  83-107
  5.1 BLISS优化过程特性分析  83-90
    5.1.1 标准BLISS  84-86
    5.1.2 BLISS/RS  86-87
    5.1.3 BLISS 2000  87-88
    5.1.4 现有BLISS优化过程存在的缺陷及改进  88-90
  5.2 HBLISS优化过程  90-97
    5.2.1 算法结构  90-94
    5.2.2 基本流程  94-96
    5.2.3 性能分析  96-97
  5.3 基于HLA/RTI的HBLISS优化过程并行实现  97-101
    5.3.1 HLA/RTI简介  97-98
    5.3.2 HBLISS优化过程并行实现  98-101
  5.4 算例测试  101-105
    5.4.1 减速器优化问题  101-103
    5.4.2 飞机总体优化设计问题  103-105
  5.5 本章小结  105-107
第六章基于MDO的卫星总体设计过程建模分析  107-123
  6.1 卫星总体设计过程分析  107-111
    6.1.1 总体技术流程  108-109
    6.1.2 总体方案流程  109-111
  6.2 卫星总体设计过程建模分析  111-118
    6.2.1 模型树  111-115
    6.2.2 方案树  115-118
  6.3 卫星总体MDO基本框架  118-122
    6.3.1 MDO与总体设计过程相结合的探讨  119
    6.3.2 基本框架  119-121
    6.3.3 求解流程  121-122
  6.4 本章小结  122-123
第七章月球探测卫星多学科设计优化  123-141
  7.1 月球探测卫星总体优化设计问题  123-124
  7.2 学科模型分析  124-136
    7.2.1 轨道模型  124-131
    7.2.2 分系统模型  131-134
    7.2.3 成本模型  134-136
  7.3 MDO问题分解与集成  136-138
    7.3.1 优化问题  136
    7.3.2 MDO分解  136-138
    7.3.3 HBLISS集成  138
  7.4 优化实现与结果分析  138-140
  7.5 本章小结  140-141
第八章 InSAR卫星编队多学科设计优化  141-160
  8.1 InSAR卫星编队总体优化设计问题  141-142
  8.2 学科模型分析  142-153
    8.2.1 轨道模型  142-148
    8.2.2 分系统模型  148-151
    8.2.3 成本模型  151-153
  8.3 MDO问题分解与集成  153-156
    8.3.1 优化问题  153
    8.3.2 MDO分解  153-156
    8.3.3 PHBLISS集成  156
  8.4 优化实现与结果分析  156-159
  8.5 本章小结  159-160
第九章面向卫星总体的多学科集成设计系统  160-176
  9.1 系统设计  160-162
    9.1.1 设计思想  160-161
    9.1.2 总体框架  161-162
  9.2 系统实现  162-165
    9.2.1 体系结构  162-164
    9.2.2 功能模块  164-165
  9.3 应用实例  165-169
    9.3.1 项目管理  165-166
    9.3.2 流程管理  166
    9.3.3 方案设计  166-168
    9.3.4 方案优化  168-169
  9.4 企业级卫星数字化集成设计系统构想  169-174
    9.4.1 需求分析  170-171
    9.4.2 系统构想  171-174
  9.5 本章小结  174-176
结束语  176-180
致谢  180-182
参考文献  182-195
作者在学期间取得的学术成果  195-197
附录A 主要缩略词  197-198

卫星总体多学科设计优化理论与应用研究

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