一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法及系统，所述天基引力波探测器包括三个卫星组成的卫星编队，每个卫星分别装载两个激光干涉光学平台；所述方法包括：确定优化目标函数和变量约束条件；利用多目标优化算法对优化目标函数求解，构建6种不同主星的偏移频率锁相方案的约束条件和目标函数；采用并行化方式对6种方案进行求解，选择6种方案中持续时间最长的方案作为最终选取的方案；如果多目标优化算法的解有可行解，则计算结束，否则更换多目标优化算法重新计算；本发明专利技术的优势在于：采用了分步优化的思想，将频率规划这一复杂问题分步解决并形成闭环，便于复杂全频率规划问题求解并提升求解效率。率规划问题求解并提升求解效率。率规划问题求解并提升求解效率。

【技术实现步骤摘要】
一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法及系统


[0001]本专利技术属于计算机
，具体涉及一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法及系统。

技术介绍

[0002]引力波探测是目前物理学研究的热点问题之一，通过超远距离激光干涉测距的方式探测引力波是近几十年主要研究的方法。探测引力波信号的关键点之一是激光全频段的合理规划，即哪些频段用于测量科学数据，哪些频段用于星间通讯，哪些频段用于星间时钟噪声传递。在任务过程中合理的设定各个卫星上的超稳时钟频率、ADC采样频率，导频频率等等与频率相关的项是目前急需解决的问题。
[0003]在目前国内外研究中，仅对用于测量科学数据的拍频频段进行了限定并提供了相应的偏移频率设定方案，并没有构建天基引力波探测器中所有关键频率的合理设定方案，特别是超稳时钟频率、ADC采样频率和导频信号频率，这是目前需要解决的问题之一。其中，载波和边频在整个激光功率中的占比对天基引力波探测过程中的读出噪声有较大影响；边频的设定与ADC采样频率、导频频率具有强耦合关系；星间拍频频率也会受到ADC采样频率、导频频率影响，因此在设定这两个频率时需要避开星间拍频频段。在众多约束条件的影响下，需要制定天基引力波探测器全频率规划方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服无法在众多约束条件的影响下，制定天基引力波探测器全频率规划方案的缺陷。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法，所述天基引力波探测器包括三个卫星组成的卫星编队，每个卫星分别装载两个激光干涉光学平台；所述方法包括：
[0006]确定优化目标函数和变量约束条件；
[0007]利用多目标优化算法对优化目标函数求解，构建6种不同主星的偏移频率锁相方案的约束条件和目标函数；采用并行化方式对6种方案进行求解，选择6种方案中持续时间最长的方案作为最终选取的方案；如果多目标优化算法的解有可行解，则计算结束，得到频率规划方案，否则更换多目标优化算法重新计算直至满足变量约束条件；计算结果包括：超稳时钟调制频率、星间拍频频率的下限、星间拍频频率的上限、导频信号频率、ADC采样频率、总读出噪声、调整参数、主光学平台和最长持续时间。
[0008]作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
[0009]步骤1：确定优化目标函数，构建变量约束；
[0010]所述优化目标函数如下：
[0011][0012]其中，为总读出噪声；f
upper
为星间拍频频率的上限；f
lower
为星间拍频频率的下限；
[0013]所述变量约束如下：
[0014][0015]其中：f
mod
为超稳时钟调制频率；为边频总读出噪声；为载波总读出噪声；
[0016]步骤2：使用多目标优化算法对所述优化目标函数求解；
[0017]步骤3：对步骤2求解得到的f
upper
，f
lower
和f
mod
进行调整，策略如下：
[0018][0019]其中，round为四舍五入方法；和分别表示调整后的f
upper
，f
lower
和f
mod
；
[0020]步骤4：根据和搜寻合适的f
ADC
和f
p
并再次更新f
mod
；其中，f
ADC
为ADC采样频率,f
p
为导频信号频率；
[0021]步骤4
‑
1：根据获取f
ADC
的最小值根据获取f
ADC
和f
p
的最大间隔，即1<abs(f
ADC
‑
f
p
)<f
lower
；在求解过程中，默认f
p
<f
ADC
<100MHz；
[0022]步骤4
‑
2：采用穷举的方式获取所有可能的[f
mod
,f
p
,f
ADC
]组合；假设共有n组可能的组合，存储为如下矩阵：
[0023][0024]选择矩阵中，距离最近的一个组合得到
[0025]步骤5：将步骤3调整后的f
upper
和f
lower
作为步骤5的拍频上下限的输入，输入已有的时序多普勒频移数据，构建6种不同主星的偏移频率锁相方案的约束条件和目标函数；对6种方案进行求解，选择6种方案中，持续时间最长的方案作为最终选取的方案；
[0026]步骤6：根据步骤3和步骤4更新后的重新计算总读出噪声，并更新调整参数m；更新调整参数m的方式如下：
[0027][0028][0029]即通过更新调整参数m的方式，求得更新后的总读出噪声的最小值，更新后的调整参数m记为m
new
；
[0030]更新后的解包括：
[0031][0032]其中，J0(m)和J1(m)分别表示0阶和1阶贝塞尔函数；m
new
为更新后的调整参数m；f
p
,f
ADC
为步骤4获取的导频频率和ADC采样频率；t为步骤5中获取的最长持续时间；M为步骤5中获取的最长持续时间t所对应选择的主光学平台；RN为步骤6中更新调整参数m后的总读出噪声；
[0033]步骤7：当步骤2中求得的所有最优解都经过步骤3至步骤6处理后，判断是否存在可行解；若是，则可行解即为最终计算结果；否则更换步骤2中采用的多目标优化算法，重新开始执行步骤2；
[0034]所述判断是否存在可行解是判断最优解是否符合步骤1的变量约束。
[0035]作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体为：利用多目标优化算法求解得到n组帕累托最优解，将这些解存入n
×
4的矩阵中，4列存储顺序为[f
mod
,f
lower
,f
upper
,m]。
[0036]作为上述方法的一种改进，所述多目标优化算法包括NSGA
‑
II算法或MOEAD算法。
[0037]作为上述方法的一种改进，所述三个卫星分别为卫星_1、卫星_2和卫星_3；
[0038]其中，所述卫星_1包含光学平台A和光学平台B；所述卫星_2包含光学平台C和光学平台D；所述卫星_3包含光学平台E和光学平台F；
[0039]所述6种锁相方案为：
[0040]第1种：以光学平台A为主光学平台，其他卫星为从光学平台，其锁相顺序为光学平台D锁相到光学平台C，光学平台C锁相到光学平台B，光学平台B锁相到光学平台A，光学平台E锁相到光学平台F，光学平台F锁相到光学平台A；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天基引力波探测器频率规划方案制定方法，所述天基引力波探测器包括三个卫星组成的卫星编队，每个卫星分别装载两个激光干涉光学平台；所述方法包括：确定优化目标函数和变量约束条件；利用多目标优化算法对优化目标函数求解，构建6种不同主星的偏移频率锁相方案的约束条件和目标函数；采用并行化方式对6种方案进行求解，选择6种方案中持续时间最长的方案作为最终选取的方案；如果多目标优化算法的解有可行解，则计算结束，得到频率规划方案，否则更换多目标优化算法重新计算直至满足变量约束条件；计算结果包括：超稳时钟调制频率、星间拍频频率的下限、星间拍频频率的上限、导频信号频率、ADC采样频率、总读出噪声、调整参数、主光学平台和最长持续时间。2.根据权利要求1所述的天基引力波探测器频率规划方案制定方法，其特征在于，所述方法具体包括：步骤1：确定优化目标函数，构建变量约束；所述优化目标函数如下：其中，为总读出噪声；f
upper
为星间拍频频率的上限；f
lower
为星间拍频频率的下限；所述变量约束如下：其中：f
mod
为超稳时钟调制频率；为边频总读出噪声；为载波总读出噪声；步骤2：使用多目标优化算法对所述优化目标函数求解；步骤3：对步骤2求解得到的f
upper
，f
lower
和f
mod
进行调整，策略如下：其中，round为四舍五入方法；和分别表示调整后的f
upper
，f
lower
和f
mod
；步骤4：根据和搜寻合适的f
ADC
和f
p
并再次更新f
mod
；其中，f
ADC
为ADC采样频率,f
p
为导频信号频率；步骤4
‑
1：根据获取f
ADC
的最小值根据获取f
ADC
和f
p
的最大间隔，即1<
abs(f
ADC
‑
f
p
)<f
lower
；在求解过程中，默认f
p
<f
ADC
<100MHz；步骤4
‑
2：采用穷举的方式获取所有可能的[f
mod
,f
p
,f
ADC
]组合；共有n组可能的组合，存储为如下矩阵：选择矩阵中，距离最近的一个组合得到步骤5：将步骤3调整后的f
upper
和f
lower
作为步骤5的拍频上下限的输入，输入已有的时序多普勒频移数据，构建6种不同主星的偏移频率锁相方案的约束条件和目标函数；对6种方案进行求解，选择6种方案中，持续时间最长的方案作为最终选取的方案；步骤6：根据步骤3和步骤4更新后的重新计算总读出噪声，并更新调整参数m；更新调整参数m的方式如下：参数m；更新调整参数m的方式如下：即通过更新调整参数m的方式，求得更新后的总读出噪声的最小值，更新后的调整参数m记为m
new
；更新后的解包括：其中，J0(m)和J1(m)分别表示0阶和1阶贝塞尔函数；m
new
为更新后的调整参数m；f
p
,f
ADC
为步骤4获取的导频频率和ADC采样频率；t为步骤5中获取的最长持续时间；M为步骤5中获取的最长持续时间t所对应选择的主光学平台；RN为步骤6中更新调整参数m后的总读出噪声；步骤7：当步骤2中求得的所有最优解都经过步骤3至步骤6处理后，判断是否存在可行解；若是，则可行解即为最终计算结果；否则更换步骤2中采用的多目标优化算法，重新开始执行步骤2；所述判断是否存在可行解是判断最优解是否符合步骤1的变量约束。3.根据权利要求2所述的天基引力波探测器频率规划方案制定方法，其特征在于，所述步骤2具体为：利用多目标优化算法求解得到n组帕累托最优解，将这些解存入n
×
4的矩阵中，4列存储顺序为[f
mod
,f
lower
,f
upper
,m]。4.根据权利要求2所述的天基引力波探测器频率规划方案制定方法，其特征在于，所述多目标优化算法包括NSGA

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳锋，杨震，马晓珊，彭晓东，高辰，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：