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1、中 国 空 间 科 学 技 术C HIN ESE SPACE SCIENCE AND TEC HNOLO GY2009 年 10 月第 5 期基 于 物 理 规 划 的 数 据 中 继 卫 星链 路 配 置 决 策 方 法胡 丹 闫 忠 文(中 国 空 间 技 术 研 究 院 , 北 京 100094)摘 要 将 方 案 评 价 与 决 策 的 思 想 引 入 到 卫 星 链 路 配 置 中 , 建 立 了 中 继 卫 星 链 路 参 数 配置 的 多 目 标 模 型 , 并 用 “ 短 板 链 路 ” 优 先 配 置 的 原 则 , 将 多 目 标 模 型 缩 减 为 三 目 标 模 型 。
2、采 用 基 于 物 理 规 划 的 决 策 方 法 , 给 出 了 决 策 三 目 标 配 置 模 型 最 优 解 的 具 体 实 现 算 法 。 通 过实 例 分 析 表 明 该 决 策 方 法 是 可 行 的 。关 键 词 物 理 规 划 链 路 配 置 决 策 数 据 中 继 卫 星1 引 言数 据 中 继 卫 星 (简 称 DRS)是 地 面 站 与 用 户 航 天 器 间 的 通 信 中 继 站 , 位 于 地 球 静 止 轨 道 。 DRS能 提 供 的 链 路 类 型 众 多 (少 则 6 种 、 多 则 10 种 ) , 由 于 不 同 链 路 的 传 输 能 力 要 求 不
3、同 , 对 不 同 链 路DRS 都 要 配 有 不 同 的 等 效 全 向 辐 射 功 率 (简 称 EIRP) 和 G/ T 值 , 其 配 置 模 型 是 一 个 多 目 标 模 型 。目 前 的 卫 星 设 计 只 是 继 承 国 外 经 验 找 到 满 足 要 求 的 配 置 组 合 即 可 , 或 根 据 链 路 余 量 进 行 配 置 修 改 ,但 无 法 实 现 所 有 配 置 参 数 的 优 化 。 本 文 提 出 的 配 置 决 策 模 型 能 综 合 考 虑 各 配 置 参 数 , 决 策 选 出 最 优的 组 合 , 使 卫 星 设 计 工 作 更 具 有 效 性 。目
4、 前 工 程 实 践 中 最 常 用 的 评 价 与 决 策 方 法 是 决 策 矩 阵 法 , 它 需 要 决 策 者 来 确 定 无 实 际 物 理 意 义的 权 值 , 带 有 主 观 性 1 。 为 了 有 效 避 免 权 值 确 定 的 主 观 性 , 美 国 学 者 Messac 于 1995 年 提 出 了 物 理规 划 法 , 能 从 本 质 上 把 握 设 计 者 的 偏 好 , 将 整 个 设 计 过 程 置 于 一 个 更 加 灵 活 、 自 然 的 框 架 中 2 。 物理 规 划 当 前 主 要 用 于 机 械 结 构 的 优 化 设 计 (如 文 献 3 - 6 )
5、 , 本 文 将 其 应 用 于 卫 星 通 信 领 域 , 首 先 提炼 出 DRS 链 路 参 数 配 置 的 多 目 标 模 型 , 为 了 减 少 计 算 量 , 按 照 “ 短 板 链 路 ” 优 先 配 置 的 原 则 将 其缩 减 为 三 目 标 模 型 , 进 而 确 定 出 基 于 物 理 规 划 的 决 策 方 法 , 最 后 通 过 实 例 给 出 了 具 体 求 解 步 骤 。2 多 目 标 DRS 链 路 参 数 配 置 模 型DRS 通 信 链 路 是 两 段 式 、 点 对 点 、 多 频 段 、 双 向 非 平 衡 的 卫 星 通 信 链 路 , 即 星 地 链
6、 路 和 星 间链 路 两 段 ; 地 面 站 与 用 户 航 天 器 点 对 点 通 信 ; 往 往 采 用 Ku/ Ka、 S、 激 光 等 多 个 频 段 ; 信 号 既 可 由地 面 向 用 户 航 天 器 前 向 传 输 , 也 可 由 用 户 向 地 面 返 向 传 输 ; 返 向 链 路 的 速 率 远 高 于 前 向 链 路 的 速率 , 属 非 平 衡 式 链 路 。 国 际 上 典 型 DRS 配 置 的 链 路 有 : Ku/ Ka 频 段 单 址 (简 称 KSA)前 向 链 路 和 返向 链 路 ; S 频 段 单 址 (简 称 SSA) 前 向 链 路 和 返 向
7、链 路 ; S 频 段 多 址 (简 称 SMA) 前 向 链 路 和 返 向 链路 , 部 分 还 配 有 激 光 单 址 (简 称 L SA)前 向 链 路 和 返 向 链 路 (本 文 中 不 考 虑 ) 7 - 10 。SMA 前 向 和 返 向 链 路 使 用 单 独 的 星 间 多 址 链 路 天 线 , KSA 前 向 、 KSA 返 向 、 SSA 前 向 和收 稿 日 期 : 2008206211。 收 修 改 稿 日 期 : 2009205226452009 年 10 月 中 国 空 间 科 学 技 术SSA 返 向 链 路 共 用 一 个 S/ K双 频 段 的 星 间
8、单 址 链 路 天 线 , 6 种 链 路 ( KSA 前 向 与 返 向 、 SSA 前 向 与返 向 、 SMA 前 向 与 返 向 )共 用 一 个 星 地 链 路 天 线 , 因 此 各 链 路 的 EIRP 和 G/ T 值 并 不 完 全 独 立 。 为了 使 配 置 参 数 相 对 独 立 , 将 EIRP 和 G/ T 值 进 行 分 解 , 得 到 DRS 的 配 置 参 数 有 : 星 间 单 址 链 路 天线 口 径 Di 、 星 地 链 路 天 线 口 径 Df 、 6 种 链 路 的 发 射 功 率 Pt i ( i = 1 , 2 , , 6)和 接 收 系 统 等
9、 效 噪 声 温度 Ts 、 星 间 多 址 天 线 的 发 射 增 益 Gt和 接 收 增 益 Gr 。 值 得 说 明 的 是 , 星 间 多 址 天 线 常 采 用 相 控 阵 天线 , 因 此 用 增 益 代 替 口 径 作 为 衡 量 参 数 ; DRS 的 Ts变 化 范 围 较 小 , 配 置 时 可 将 其 固 定 为 某 一 典 型值 , 不 作 为 配 置 变 量 出 现 。 最 终 得 到 DRS 的 配 置 参 数 有 10 种 , 用 配 置 向 量 x 表 示 为x = ( Df , Di , Gt , Gr , Pt1 , Pt2 , , Pt6 ) (1)考 虑
10、 到 每 种 链 路 的 传 输 能 力 不 同 , 必 然 有 一 种 是 “ 短 板 链 路 ” , 即 最 不 易 达 到 要 求 的 、 对 配 置最 受 限 的 (往 往 是 传 输 速 率 要 求 最 高 的 KSA 返 向 链 路 ) 。 如 果 先 进 行 初 步 配 置 找 出 “ 短 板 链 路 ” ,对 其 进 行 单 独 配 置 并 优 选 , 将 “ 短 板 链 路 ” 的 结 果 应 用 于 其 他 链 路 再 得 出 剩 余 配 置 参 数 (见 图 1) ,便 可 大 大 减 轻 计 算 负 担 。 以 “ 短 板 链 路 ” 是 KSA 返 向 链 路 为 例
11、 , 需 要 对 其 单 独 配 置 得 出 星 地 天 线口 径 Df 、 星 间 天 线 口 径 Di和 KSA 返 向 链 路 发 射 功 率 (即 转 发 器 末 级 功 放 的 输 出 功 率 ) Pt , 选 定 这三 个 参 数 的 范 围 和 初 值 后 , 通 过 步 进 变 化 , 计 算 得 出 所 有 满 足 要 求 的 配 置 组 合 C( C 是 一 个 向 量集 ) , 进 而 优 选 出 一 种 组 合 ; 将 优 选 结 果 中 的 Df 和 Di作 为 输 入 , 确 定 出 SSA 前 向 和 返 向 链 路 的Pt , 将 Df作 为 输 入 确 定 出
12、 SMA 前 向 和 返 向 链 路 的 Pt 以 及 多 址 天 线 发 射 增 益 Gt 和 接 收 增 益 Gr (如有 需 要 ,可 对 SMA 前 向 返 向 链 路 Pt 、 Gt和 Gr进 行 另 一 次 优 选 过 程 ) 。 这 样 进 入 基 于 物 理 规 划 的 决 策过 程 的 目 标 参 数 立 减 为 3 种 , 此 时 的 配 置 向 量 为x = ( Df , Di , Pt ) , x C (2)式 中 Pt为 “ 短 板 链 路 ” 的 发 射 功 率 。3 基 于 物 理 规 划 的 决 策 方 法物 理 规 划 从 设 计 / 决 策 者 那 里 获
13、得 信 息 , 将 设 计 / 决 策 问 题 描 述 成 一 个 能 够 反 映 设 计 / 决 策 者 对设 计 / 决 策 目 标 偏 好 程 度 的 真 实 框 架 结 构 , 然 后 进 行 优 化 设 计 或 决 策 。 它 应 用 偏 好 函 数 来 表 达 设 计 /决 策 者 对 各 个 目 标 的 满 意 程 度 , 将 目 标 的 取 值 范 围 划 分 为 若 干 连 续 区 间 , 通 过 分 段 插 值 得 到 符 合 物理 规 划 数 学 特 性 要 求 的 能 定 量 描 述 满 意 程 度 的 偏 好 函 数 , 再 将 偏 好 函 数 综 合 起 来 , 得
14、 到 综 合 偏 好 函数 进 行 优 化 设 计 或 评 价 决 策 11 。物 理 规 划 将 设 计 准 则 分 为 4 大 类 : Class21 (目 标 越 小 越 好 ) , Class22 (目 标 越 大 越 好 ) , Class23(目 标 取 某 一 值 最 好 )和 Class24 (目 标 位 于 某 一 范 围 最 好 ) , 每 类 又 分 为 软 ( S) 、 硬 ( H) 两 种 情 况 12 。DRS 链 路 配 置 的 决 策 模 型 属 于 Class21S , 下 面 的 内 容 将 只 针 对 Class21S 型 。基 于 物 理 规 划 的 决
15、 策 模 型 为 11 :minx Cf ( x) = lg ( 1nsc nsci = 1gi ( gi ) ) (3)式 中 x = ( g1 , g2 , , gnsc ) ; C为 需 要 决 策 优 选 的 所 有 组 合 , 是 一 个 向 量 集 ; gi为 第 i 个 决 策 目 标 ;nsc为 目 标 个 数 ; gi ( gi ) 是 第 i 个 目 标 的 偏 好 函 数 。 决 策 过 程 其 实 就 是 求 每 个 待 选 向 量 x 的 综 合 偏 好函 数 值 f ( x) , 即 为 x 打 分 , 得 分 最 低 的 那 个 就 是 最 优 解 。55中 国
16、空 间 科 学 技 术 2009 年 10 月图 1 中 继 卫 星 链 路 参 数 配 置 流 程 图图 2 第 i 个 目 标 g i的 偏 好 函 数 区 间下 面 介 绍 偏 好 函 数 g i ( gi ) 的 构 建 方 法 。 如 图 2 所 示 ,偏 好 函 数 按 照 满 意 程 度 可 分 为 6 个 区 间 13 :理 想 区 间 : gi gi1期 望 区 间 : gi1 gi5gi1 , gi2 , , gi5为 目 标 满 意 程 度 区 间 的 边 界 值 , 是有 实 际 物 理 意 义 的 常 数 , 由 决 策 者 根 据 实 际 问 题 确 定 ,表 达 决 策 者 对 目 标 值 的 偏 好 。 gk ( k = 1 , 2 , , 5) 为 区 间 边 界 处 的 偏 好 函 数 值 , 对 不 同 的 目 标 是 一样 的 。根 据 偏 好 函 数 需 满 足 的 数 学 特 性 , Me
