一种新量子进化算法及其在函数优化中的应用

基于量子计算理论和进化理论,提出了一种新的量子进化算法-基于实数编码的量子进化算法(RQEA).不同于传统进化算法的单点编码和量子进化算法的量子比特编码,算法以实数矩形区域来表示基因,一条染色体携带多个个体信息.利用量子态叠加和相干机理,通过叠加、变异及自学习来完成进化过程.实验表明,该算法在函数优化上具有优异的性能.     

求解连续空间优化问题的量子差分混合优化算法

借鉴量子计算的相关原理和差分进化思想,提出一种用于连续空间优化问题的量子差分混合优化算法。算法的核心是构造由决策向量的分量和量子位概率幅为等位基因的实数编码染色体;采用依据染色体的具体形式设计的互补变异进化部分优秀个体,以加快算法的收敛速度;利用差分进化思想进化部分随机选取个体,以保持算法的全局搜索能力和鲁棒性。对Benchmark函数测试表明,该算法具有寻优能力强、搜索精度高和稳定性好的特点。应用该算法求解路基沉降预测模型参数估计问题,能够有效提高实测沉降数据的拟合精度.     

同构双基地雷达星座优化设计

通过对卫星的轨道特性、星座中卫星间的相对运动规律以及对地覆盖特性的研究,推导了星载单基地和双基地雷达探测区域计算公式,分析了双基地角和目标前向散射区域与卫星相对位置的关系。基于星座固有的空间约束条件,讨论了由于平台运动引起的地杂波多普勒频率扩展与卫星飞行的几何关系。最后,分析了系统性能与星座构型参数和卫星轨道根数的关系,提出了利用逆向运行极轨道同构星座作为多基地雷达星座的基本构型,并针对该构型星座提出了一套优化设计方法并给出了设计实例。     

基于差分进化算法的多旅行商问题优化

针对所有旅行商路径最大值最小的多旅行商问题,提出改进的差分进化算法优化.在该优化方法中,编码采用实数编码;改进的差分进化算法采用轮盘赌选择;根据旅行商问题的特点,在差分进化算法中增加邻域搜索算子.该方法适于距离对称和非对称的多旅行商问题求解.以距离非对称的多旅行商问题的实例进行了仿真和比较,可以看出所提出的改进差分用来解决多旅行商这类离散组合优化问题是有效的.     

基于GDE3算法的侦察卫星星座优化设计

针对区域覆盖的卫星星座优化设计,将一种基于Pareto最优概念的通用差异演化算法(GDE3)应用于区域覆盖型侦察卫星星座的多目标优化设计,并利用多属性决策中的字典序法,根据目标的重要程度,在得到的Pareto解中进行选择.最后,利用STK和Visual c++针对侦察卫星星座进行了仿真,仿真结果表明了该算法可以找到多个Pareto解,避免了传统求解方法的权值选择问题,并且较简单遗传算法具有更好的灵活性,为解决星座优化与设计问题提供了新的思路.     

求解混合整数规划的嵌入正交杂交的差分进化算法

针对混合整数非线性规划问题中同时含有0-1整数变量和连续变量,采用0-1二进制编码和实数编码的混合编码方案,将布尔逻辑运算中的异或(exclusive or, XOR)算子引入到差分进化的变异算子中,以处理0-1整数变量,将基于正交试验设计的正交杂交算子和差分进化的杂交算子相结合,来增强差分进化算法的系统探索能力。为了验证该算法的性能,测试了一些数值例子,并与其他算法作了比较。数值实验结果表明,提出算法具有良好的稳健性和有效性。     

基于遗传算法的区域覆盖共地面轨迹卫星星座的优化设计

讨论了使用MATLAB的遗传算法工具箱GATOOL进行区域覆盖共地面轨迹卫星星座的优化设计方法。介绍了共地面轨迹卫星星座的参数特性,讨论了使用遗传算法工具箱GATOOL进行区域覆盖共地面轨迹卫星星座优化设计的方法,针对中国区域进行了仿真设计。仿真结果表明,该类型星座能够以较少数量的卫星为我国提供良好的覆盖性能,适于我国的区域覆盖卫星通信系统采用。     

基于遗传算法的卫星攻击轨道优化方法

在空间攻防与卫星对抗中,当目标卫星周围有若干小卫星以编队形式对其绕飞时,为使拦截卫星成功击中目标卫星,并且避开编队小卫星的防御区,必须对拦截卫星攻击轨道进行规划。寻找到一条既能满足安全性、快速性,又能节省燃料的最优路径。而利用经典数学规划方法,如序列二次规划方法,虽能寻找到最优路径,但并不适应于解决空间对抗中复杂攻防环境模型下的轨道规划问题。为此本文提出基于遗传算法的拦截卫星攻击轨道寻优方法。建立目标卫星编队小卫星的动态防御模型作为环境模型,采用可变长度实数编码方式,根据攻击轨道安全性、快速性、燃料消耗最少等要求建立综合适应度函数,并对遗传算子及置换运算方法进行设计。通过仿真验证,本文提出的轨道优化方法能够寻求到最优攻击路径,并且算法收敛速度较快。     

采用遗传算法的中轨区域通信星座优化设计

区域通信星座的研究具有重要的现实意义，给出一种利用遗传算法设计中轨区域通信星座的方法。首先分析、确定中轨通信星座优化涉及的轨道控制参数，然后讨论了星座覆盖性能的评价准则，对星座系统的轨道控制参数集进行二进制编码后，利用遗传算法来获得对服务区具有最佳覆盖性能的星座类型。为了验证该方法的有效性，选择我国本土的一块区域，以最大覆盖率为目标进行仿真，结果表明该方法可以在给定条件下获得性能良好的星座方案。     

基于METRIC理论的超大规模卫星星座多级备份策略

针对超大规模卫星星座可能出现的运行维护成本高、任务可用度低的问题, 结合卫星批量化生产以及采用一枚火箭将多颗卫星送入轨道(一箭多星)的现状, 基于可维修备件多级保障库存技术(multi-echelon technique for recoverable item control, METRIC)提出一种超大规模卫星星座多级备份策略。首先, 阐述了基于METRIC理论的卫星星座多级备份策略模型的原理, 备份策略同时考虑地面备份、停泊轨道备份以及星座轨道备份3种备份模式, 建立了考虑卫星年平均需求量、期望需求量与期望短缺数的星座可用度模型, 包含制造费用和发射费用的星座备份费用模型,以及以星座可用度为约束, 星座备份费用为优化目标的数学优化模型。然后, 以某型超大规模低轨卫星星座为案例研究对象, 使用遗传算法和边际分析法进行求解。最后, 讨论了遗传算法与边际分析法在求解该优化问题时的优缺点。结果表明, 在同一星座可用度指标下, 采用星座多级备份策略可比采用传统两级备份策略有效降低每年备份费用; 在保证星座可用度的前提下大幅降低了超大规模卫星星座的备份费用, 可为精确配置各级备份卫星数量提供参考。     

基于卫星可靠度和MTTR星座空间备份策略设计

基于卫星可靠度建立了星座系统可靠度模型,分析了星座构型、卫星的可靠度、备份卫星数目对星座系统可靠度的影响。通过分析备份卫星的可用性、卫星的固有可用度,提出了备份卫星轨道设计约束条件。基于平均修复时间建立了备份卫星重构控制模型,分析了备份卫星数目、备份卫星轨道、平均修复时间对备份卫星重构控制平均特征速度的影响。最后针对卫星星座对系统可靠度和平均修复时间的需求,提出了一套备份卫星子星座构型优化设计方法并给出了设计实例。     

基于仿真的双基站卫星星座设计

根据双基站卫星星座的特点，分析了卫星和空间站之间的可视窗、通讯窗、过顶时间要求下的通讯约束，并进一步设计双基站卫星星座的轨道高度、倾角、升交点赤经、轨道数目及卫星分布选择、星际链路建立。该星座克服了以地球为基地的卫星星座测控信号传递路程长，信号受到环境干扰大的不足。并充分利用空间站的优势，更有效的发挥卫星及其星座的作用。以服务于未来我国空间站的专用数据中继系统为例，进行双基站星座设计。从仿真结果可以看出，所设计的星座作为未来我国空间站的数据中继系统是有效的、可行的。     

基于云平台的Starlink星座高性能仿真技术研究

面向星链星座的网络仿真是未来低轨卫星星座设计与建设验证和评估的重要工具。针对星链网络规模庞大,结构复杂的特性,设计了一种高性能卫星网络仿真体系。该体系基于云平台的分布式网络仿真架构,通过系统仿真工具包(system kit tool,STK) Engine底层接口开发、卫星模型库存储优化和消息异步传输等技术,实现对星链星座的快速部署,具有良好的可扩展性。实验表明：所提方法实现了400颗卫星规模的复杂卫星网络的自动化建模,在部署效率上相对于传统方法提升了39.07%,可为大规模低轨卫星建设提供仿真技术支持。     

基于分布式协同进化的星座自主任务规划算法

星座协同自主任务规划是卫星自主化管理与控制技术中的重要一环。首先, 提出了一种分布式星座协同迭代优化策略, 星座内各星作为独立智能体通过“接收”“更新”“发布”的三阶段协作行为共同参与对整体任务方案的协调寻优。其次, 在该策略的基础上设计了一种分布式协同进化算法, 通过分布于不同卫星的多个亚种群在信息交互中并行进化以持续优化各星方案组合。最后, 在S698PM嵌入式开发环境下进行仿真实验, 通过与贪婪算法、集中式遗传算法以及CPLEX的对比测试, 验证了所提方法在恶劣通信环境下与大规模问题中的适用性和有效性。     

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit, LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model, SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal, PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1 100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。     

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit, LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model, SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal, PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1 100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。     

区域性星座设计

主要讨论用中轨卫星来建立区域性卫星通信系统的星座设计方法。首先论述了低轨卫星座不适合用来建立区域性卫星通信系统 ,然后介绍了用鞭状中轨卫星链来设计区域性星座的方法 ,并给出星座参数计算与优化的步骤 ,最后给出了按照此方法得到的两种区域性星座方案的具体参数及其覆盖特性的仿真结果 ,并与玫瑰星座进行了比较 ,得出区域性中轨卫星通信系统是适合中国国情的卫星通信系统方案。