基于NSGA-II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于NSGA

【技术实现步骤摘要】
基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法


[0001]本专利技术涉及卫星隐身外形设计技术，具体涉及一种基于NSGA
‑
II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法。

技术介绍

[0002]当前，空间态势感知设备不断发展进步，对于空间目标的探测能力达到了分米级别，常见卫星均处在空间态势感知设备的有效探测范围之内。先进的空间武器能精确地对追踪到的目标进行破坏。若想增加卫星在斗争日益激化的太空中的生存能力，一个有效的办法就是使卫星具有针对电磁探测的隐身能力。而卫星电磁隐身可以通过外形隐身设计来实现。外形隐身是指通过外形设计，控制散射电磁波波峰的方向，使目标方向回波强度低于探测阈值，从而实现电磁隐身的目的。
[0003]传统的隐身卫星外形只针对某个极小范围方向角(如卫星顶端方向)具有隐身效果，没有重视其它方向的隐身性能。目前的空间态势感知设备已经形成了空地一体的空间态势感知网，从地表和太空等各个方向对卫星进行探测。只实现了小方向角隐身的卫星外形设计不能满足现代化空间探测体系下电磁隐身的要求。
[0004]为提高卫星的隐身效果，隐身卫星必须要兼顾各个方向的隐身性能。而在隐身卫星全方向隐身外形设计时，不同方向角之间的电磁隐身性能耦合程度高，关联性大，优化某个方向隐身效果的同时往往要以牺牲其他目标的性能为代价，很难全面考虑各个方向的隐身效果。因此，在隐身卫星外形设计的全方向隐身性能实现方面仍存在问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，本专利技术旨在解决现有的隐身卫星外形隐身方向狭窄，容易在空间态势感知设备全方位探测下暴露位置的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，包括：
[0008]1)以单优化变量参数确定隐身卫星的外形；
[0009]2)确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件；
[0010]3)利用NSGA
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II算法求卫星外形的优化参数的最优解集；
[0011]4)在最优解集中根据需求选择最终应用的解；
[0012]5)根据最终应用的解确定所要设计的隐身卫星的外形。
[0013]可选地，步骤1)包括：
[0014]1.1)确定隐身卫星为旋转体外形，母线为上半部分的抛物线和下半部分的椭圆形两段参数化的二次多项式，且所述母线绕轴心旋转形成卫星旋转体外形；
[0015]1.2)根据最大化利用包络空间的条件，将两段参数化的二次多项式转换为通过卫星的上半部分抛物线的高度h表达其它各个多项式系数的解析表达式。
[0016]可选地，步骤1.1)中椭圆形两段参数化的二次多项式的函数表达式为：
[0017]z＝
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ax2+b 0≤x≤R
[0018][0019]上式中，z为z轴坐标值，x为x轴坐标值，a,b,c,d分别为系数，R为卫星的最大半径。
[0020]可选地，步骤1.2)的步骤包括：假设火箭内部装载卫星的包络空间是高为H，半径为卫星的最大半径R的圆柱体，为最大化利用包络空间和减少正向RCS回波，则母线应当分别经过A(0,h)、B(R,0)、C(0,h
‑
H)三点，其中h为上半部分抛物线的高度，将A(0,h)、B(R,0)、C(0,h
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H)三点代入椭圆形两段参数化的二次多项式的函数表达式，得到通过卫星的上半部分抛物线的高度h表达其它各个多项式系数的解析表达式：
[0021][0022][0023]上式中，z为z轴坐标值，x为x轴坐标值，h为上半部分抛物线的高度，H为卫星的总高度、且为包络空间的高度，R为卫星的最大半径、且为包络空间的半径。
[0024]可选地，步骤2)中确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件时，最终确定的约束条件为R≤h≤αH，其中，h为上半部分抛物线的高度，H为卫星的总高度、且为包络空间的高度，R为卫星的最大半径、且为包络空间的半径，α为大于预设阈值且小于1的系数；步骤2)中确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件时，最终确定的目标函数包括卫星的顶端方向的雷达散射截面RCS值、地基探测威胁方向的雷达散射截面RCS的平均值以及天基探测威胁方向的雷达散射截面RCS的极大值共三个目标函数。
[0025]可选地，步骤3)中利用NSGA
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II算法求卫星外形的优化参数的最优解集的步骤包括：
[0026]3.1)用指定长度n的二进制编码串来表示上半部分抛物线的高度h，并将上半部分抛物线的高度h的定义域离散为多个均等的区域，得到包括两个端点在内多个离散点；针对上半部分抛物线的高度h定义域的最小值h1到最大值H1依次进行二进制编码，从而实现对优化问题的编码，使得解空间和优化算法的搜索空间就具有一一对应关系；
[0027]3.2)将三个目标函数组成的数组F作为NSGA
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II算法的种群内粒子的适应度函数；
[0028]F＝[f1(x) f2(x) f3(x)][0029]上式中，f1(x),f2(x),f3(x)分别为三个目标函数；
[0030]根据Pareto占优关系将种群内的粒子进行分层排序，选择排序层级靠前的粒子进入下一代，且若粒子之间距离小于拥挤距离d，后一个粒子不进入下一代种群；确定每代种群粒子数为N、进化代数X以及重复次数；
[0031]3.3)执行NSGA
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II算法反复执行交叉、排序、选择，提高群体Pareto层级最终得到卫星外形的优化参数的最优解集。
[0032]可选地，步骤3.2)中拥挤距离d的函数表达式为：
[0033][0034]上式中，H为卫星的总高度、且为包络空间的高度，R为卫星的最大半径、且为包络空间的半径，n为表示上半部分抛物线的高度h的二进制编码串长度。
[0035]可选地，步骤3.3)包括：
[0036]3.3.1)构建迭代池：随机初始化N个粒子作为初代粒子，形成初代的迭代池。
[0037]3.3.2)判断是否达到终止条件，终止条件为迭代次数等于预设阈值，若达到终止条件，则结束迭代，将迭代池内粒子对应的优化参数作为最终得到的卫星外形的优化参数的最优解集；否则，跳转执行下一步
[0038]3.3.3)随机交叉：将迭代池内的粒子的通过基因随机交叉生成N/2个子粒子；
[0039]3.3.4)构建选择池：将交叉的父代粒子与其子代粒子共3N/2个例子共同组成选择池；
[0040]3.3.5)将选择池内的粒子进行Pareto分层排序：当以目标函数的数值大为优的情况下，若粒子A相对粒子B满足：A的各个目标均大于等于B对应的目标函数、A的各个目标不全部等于B对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其特征在于，包括：1)以单优化变量参数确定隐身卫星的外形；2)确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件；3)利用NSGA
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II算法求卫星外形的优化参数的最优解集；4)在最优解集中根据需求选择最终应用的解；5)根据最终应用的解确定所要设计的隐身卫星的外形。2.根据权利要求1所述的基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其特征在于，步骤1)包括：1.1)确定隐身卫星为旋转体外形，母线为上半部分的抛物线和下半部分的椭圆形两段参数化的二次多项式，且所述母线绕轴心旋转形成卫星旋转体外形；1.2)根据最大化利用包络空间的条件，将两段参数化的二次多项式转换为通过卫星的上半部分抛物线的高度h表达其它各个多项式系数的解析表达式。3.根据权利要求2所述的基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其特征在于，步骤1.1)中椭圆形两段参数化的二次多项式的函数表达式为：z＝
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ax2+b 0≤x≤R上式中，z为z轴坐标值，x为x轴坐标值，a,b,c,d分别为系数，R为卫星的最大半径。4.根据权利要求3所述的基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其特征在于，步骤1.2)的步骤包括：假设火箭内部装载卫星的包络空间是高为H，半径为卫星的最大半径R的圆柱体，为最大化利用包络空间和减少正向RCS回波，则母线应当分别经过A(0,h)、B(R,0)、C(0,h
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H)三点，其中h为上半部分抛物线的高度，将A(0,h)、B(R,0)、C(0,h
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H)三点代入椭圆形两段参数化的二次多项式的函数表达式，得到通过卫星的上半部分抛物线的高度h表达其它各个多项式系数的解析表达式：线的高度h表达其它各个多项式系数的解析表达式：上式中，z为z轴坐标值，x为x轴坐标值，h为上半部分抛物线的高度，H为卫星的总高度、且为包络空间的高度，R为卫星的最大半径、且为包络空间的半径。5.根据权利要求1所述的基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其特征在于，步骤2)中确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件时，最终确定的约束条件为R≤h≤αH，其中，h为上半部分抛物线的高度，H为卫星的总高度、且为包络空间的高度，R为卫星的最大半径、且为包络空间的半径，α为大于预设阈值且小于1的系数；步骤2)中确定隐身卫星外形优化的目标函数和约束条件时，最终确定的目标函数包括卫星的顶端方向的雷达散射截面RCS值、地基探测威胁方向的雷达散射截面RCS的平均值以及天基探测威胁方向的雷达散射截面RCS的极大值共三个目标函数。6.根据权利要求5所述的基于NSGA
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II算法的全方向隐身卫星外形多目标优化方法，其
特征在于，步骤3)中利用NSGA
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II算法求卫星外形的优化参数的最优解集的步骤包括：3.1)用指定长度n的二进制编码串来表示上半部...

【专利技术属性】
技术研发人员：范才智，李春雷，罗青，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：