分离式卫星的模块群在轨动态布局设计理论与方法研究

分离式卫星是美国军方近年提出的一种面向太空快速响应作战的新概念航天器，它将传统卫星按功能分解为物理上独立的可增删及重新组合的在轨模块群。它的在轨布局非传统静态布局，而是动态布局。本项目研究分离式卫星的模块群在轨动态布局设计，它影响到分离式卫星能量传输效率和通信可靠性等性能，重点研究其复杂动态布局设计建模和求解，具体包括：(1)基于轨道环装填(Packing)和拟设备布置相结合的建模方法，并考虑描述模型和问题求解模型的功能，研究实现基于周期和事件驱动的动态布局响应策略；(2)研究面向动态环境的双进化双促进的多种群协同策略和自适应导向搜索机制，并集成于进化算法，构成复杂动态布局问题的高效求解算法；(3)构建分离式卫星的模块群在轨动态布局设计与仿真系统原型。旨在为解决分离式卫星应对任务需要或未料变化的在轨机动的关键问题提供方法，并期望有助于促进一类分离式航天器在轨动态布局设计理论及应用研究进展。

分离式卫星是美国军方近年提出的一种面向太空快速响应作战的新概念航天器，它将传统卫星按功能分解为物理上独立的可增删及重新组合的在轨模块群。它的在轨布局非传统静态布局，而是动态布局。本项目研究分离式卫星的模块群在轨动态布局设计，它影响到分离式卫星能量传输效率和通信可靠性等性能，重点研究其复杂动态布局设计建模和求解，主要取得了如下的研究成果：.(1)提出了一种基于轨道环装填(Packing)和拟设备布置相结合的建模方法，将动态布局转变为相对静态布局，简化了问题求解难度。针对拟轨道环Packing问题具有组合优化特性，本项目提出了两种智能求解方法：基于改进启发式方法和物理模型调整策略的快速启发式并行蚁群算法和基于布局模式的粒子群优化算法。针对轨道环具有周期性，将上述拟设备布置问题归结为一类环型设备布局问题，本项目给出一种称之为设备相对位置整数编码的差异算法（DE），解决了用实数编码算法求解时编码空间远大于环形布置问题的解空间的问题，并减少无效编码。借鉴蚁群社会的应急响应原理，提出一种面向快速响应的仿蚁群社会建模方法，旨在探索FSMDL动态响应策略。.(2)研究了动态环境下多种群协同策略和自适应搜索机制。多种群协同机制的本质是提取多个种群中的对于全局优化具有决定作用的个体以形成相应的多知识体，进而为多种群协同进化提供指导。本项目提出了一种基于粒子群算法的粗糙集多知识约简方法以形成多知识体，为布局多知识提取提供方法；提出了一种基于对立学习和高斯变异的合作式协同进化差异算法。针对自适应搜索机制，提出了一种基于知识的自适应搜索机制，并将该机制与散射搜索算法相结合，形成基于知识的散射搜索布局优化方法；提出了一种新的基于主元分析的分布估计算法。.(3)研究了卫星有效载荷配置和布局集成化设计方法，并在前期工作基础上，在航天器动力学与控制仿真平台上集成了分离式卫星的模块群在轨动态布局设计算法，搭建了相应了仿真系统原型。.本项目旨在为解决分离式卫星应对任务需要或未料变化的在轨机动的关键问题提供方法，并期望有助于促进一类分离式航天器在轨动态布局设计理论及应用研究进展。