基于高保真模型的卫星总体可靠性设计优化方法研究

In recent years, the importance of uncertainty-based multidisciplinary design optimization (UMDO) method has been highlighted in aerospace field to enhance system reliability under various uncertainties. Although the theoretical research is developing fast, there are still three great difficulties hindering its application in practical engineering, namely the complexities in high-fidelity disciplinary modeling, uncertainty analysis under mixed aleatory and epistemic uncertainties, and reliability based optimization for complex system with coupled disciplines and integrated hierarchy of subsystems. To address these problems, it is proposed to comprehensively study the reliability-based satellite system design optimization method with high-fidelity model in this application. The research will be focused on the following scientific problems: the modeling and validation method of satellite high-fidelity model parameters based on multi-source, multi-layer, and scarce samples; the satellite performance uncertainty analysis method under mixed aleatory and epistemic uncertainties; and the reliability-based satellite multidisciplinary and multi-level design optimization method. Practical application studies will be carried out to set up credible examples and validate the aforementioned methods. This research will advance the development of UMDO theory, enhance the satellite system design in our country with innovative paradigm and method, and provide beneficial reference to the application of UMDO in other fields as well.

近年来，以提高系统可靠性为目的、综合考虑各种不确定因素的飞行器不确定性多学科设计优化方法得到了我国航天领域的高度重视，相关理论也得到了快速发展。但是在工程实际应用过程中，还有三个突出难题需要解决，即高保真建模问题、不确定性综合分析问题、系统总体设计优化问题。本项目将结合这三个难题，对面向工程实际的卫星总体可靠性设计优化方法进行系统深入研究，重点解决相应的关键科学问题，即多源、多层、稀疏样本条件下的卫星学科高保真模型参数建模与校验方法，多类型随机与认知不确定性混合影响下的卫星性能不确定性分析方法，基于高保真模型的卫星总体可靠性设计优化高效求解方法。在此基础上构建科学合理、可信度高的卫星总体可靠性设计优化实例，验证理论的可行性和有效性。通过本项目研究，将丰富和发展现有的不确定性多学科设计优化理论，为我国的卫星总体设计提供创新思路与方法，也为在其他领域的推广应用提供有益参考。

本项目以提高系统可靠性为目的，针对基于高保真模型的卫星多学科多层次可靠性设计优化方法及其在航天器设计中的应用开展了系统研究。首先，在卫星高保真模型参数建模与校验方法研究方面，提出了基于最大似然估计的高保真度模型参数更新方法，基于贝叶斯融合和多层系统迭代更新的序贯建模方法，和基于系统结构不确定性传递融合的先验知识补充更新方法，算例研究验证了上述方法的有效性。然后，在卫星系统性能不确定性分析方法方面，提出了多层结构系统的多源信息贝叶斯融合方法，基于序贯重要性抽样的可靠性分析方法，和基于贝叶斯网络和压缩推理的系统可靠性分析方法，算例表明上述方法能够有效实现可靠性分析精度与效率的平衡。其次，在卫星总体多学科多层次可靠性优化方法研究方面，重点对优化求解算法进行了研究，提出了多模态交叉熵单目标优化算法和基于粒子群的智能多目标优化算法，并特别针对卫星布局问题研究了三维卫星布局优化设计方法和基于深度学习代理模型的卫星热布局优化设计方法，算例测试验证了上述方法的可行性和有效性。最后，对卫星总体多学科多层次可靠性设计优化方法的验证与应用进行了研究，开展了多态微小卫星系统可靠性设计优化和基于多源信息融合的卫星系统可靠性设计优化方法的验证研究，同时以课题组“天拓一号”纳星为对象，对其布局方案进行了多学科条件下的多目标优化设计。实验结果验证了本项目提出方法的有效性，为将来进一步推广应用奠定了基础。