一种空天地一体化网络中的卫星星座设计方法

技术特征：
1.一种空天地一体化网络中的卫星星座设计方法，其特征在于，包括：步骤1：根据约束条件随机生成作为初始的卫星星座设计方案的一组解，这组解中的每个解都包含了卫星星座的构型信息，将所述一组解作为初始化群体q；设置一个空的群体p；设置保存进化代数的变量gen＝0；步骤2：根据下层网络设备的分布情况和具体需求设置优化目标以及约束条件，合并p和q中的个体到r中，根据所述优化目标以及约束条件对r中的个体进行适应度分配以及约束违反值计算；步骤3：结合各个体的适应度值和约束违反值来评估解集中解的优劣，对r中的个体进行筛选，选出α个优秀的个体放入外部群体p中，α为种群大小；步骤4：判断是否gen≥n，n为最大的进化代数，如果是，则停止进化并输出p中的非劣解集a，非劣解集a中的每个个体都代表一种卫星星座构型，否则继续执行下述处理过程；步骤5：利用二进制锦标赛选择法从p中选择个体将其复制到q中，将q作为交配池使用；步骤6：对q中的个体执行交叉变异操作产生子代个体，用新一代个体替换q中的父代个体，使gen＝gen 1，转步骤2。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述优化目标以及约束条件对r中的个体利用指标值进行适应度分配计算，包括：利用基于指标的演化算法ibea进行卫星星座设计，通过二元性能指标评估两个解之间的优劣关系以及拥挤度情况，所述二元性能指标为二元additiveepsilon指标，该二元additive epsilon指标服从帕累托优胜关系，即该指标值反映出的偏好与被优化问题的偏好是一致的，二元additive epsilon指标i
ε
的定义如下：对于解集中的个体a与b，指标值i
ε
(a，b)即等于ε的最小值，而ε则是这样一个值：使解a的所有目标值都减去ε，得到的移动后的解a’则弱优于解b，如果ε是负的，则解a优于解b，i
ε
(a，b)表示如下，其中n为目标问题的维数：利用二元additive epsilon指标i
ε
计算个体适应度f(x1)，计算方法如下：其中k是一个大于0的比例缩放因子，c是所有指标的绝对值中的最大值，p为解集，f(x1)为解集中个体x1的适应度值，x2为解集中除x1外的其他个体。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：对二元additive epsilon指标i
ε
的指标值进行放缩，将每个个体的指标值的绝对值按大小比例限制在[0,2]区间内，使用函数y＝x^0.5对指标值进行调整，使较小的指标值得到放大，而较大的指标值得到缩小，在保持原群体中各个体的支配关系不变的情况下使得同一级别的个体间的适应度差异缩小，其具体放缩方式如下：
式中minindicator即为二元additive epsilon指标i
ε
的绝对值中的最小值，maxindicator即为二元additive epsilon指标i
ε
的绝对值中的最大值。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述优化目标以及约束条件对r中的个体利用指标值进行约束违反值计算；包括：在进行初始化种群和后续的评估时，通过约束条件计算约束违反值，约束违反值反映的是解集中的解对于约束的违反程度，用来辅助评估解的优劣；对于不可行解，具有更小的约束函数违反值的解具有更高的优先级，在进行约束违反值的设计时将某个个体的约束违反值设置为该个体不满足的约束的数量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的结合各个体的适应度值和约束违反值来评估解集中解的优劣，对r中的个体进行筛选，选出α个优秀的个体放入外部群体p中，α为种群大小，包括：(1)如果约束违反值等于0的解的个数大于α，则将约束违反值等于0的解全部取出，记为可行解解集b，从可行解解集b中选出适应度值最小的个体进行删除，并更新b中剩余个体的适应度值，反复进行删除以及适应度更新操作，直到b中的个体数目等于α，时将b中的个体放入p中(2)如果约束违反值等于0的解的个数大于α，则r中的个体按约束违反值大小进行升序排序，选出其中前α个个体存入p中。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对q中的个体执行交叉变异操作产生子代个体，用新一代个体替换q中的父代个体，包括：对q中的个体执行改进后的模拟二进制交叉算子，计算方法如下：其中，其中μ为取值为[0,1)间的随机数，η
c
为交叉分布指数，用于控制生成的子代与父代个体的距离远近，sup(x)和inf(x)分别为优化变量x的上下界，x
high
与x
low
分别为参与交叉过程的两个变量中的较大值和较小值；其中μ为取值为[0,1)间的随机数，η
c
与η
m
分别为交叉分布指数与变异分布指数；对q中的个体执行改进后的多项式变异算子如下：
其中x为参与变异过程的变量；用计算产生的新一代个体替换q中的父代个体。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：在考虑地面用户的分布规律时利用人口密度来反映地面用户的密度，将地球表面按照经纬度划分为多个网格，网格大小根据实际的优化粒度进行调整，利用人口密度来反映地面用户的密度：d
i
＝p
i
δ
i
μ
i
其中i代表网格区域的编号，p为网格区域i中的人口密度，δ为该网格i中通信用户所占的比例，μ为网格i中sagin通信用户占总用户的比例，d为区域i中的sagin通信用户密度；假设sagin通信用户占总用户的比例μ和通信用户密度成反比例关系，在考虑空基网络设备的分布规律时利用人口密度来反映：f
i
＝p
i
δ
i
μ
i
λ其中λ表示单位通信用户所需要的空基设备数量，f表示最终区域i上空的空基设备密度。

技术总结
本发明提供了一种空天地一体化网络中的卫星星座设计方法。该方法包括：根据约束条件随机生成作为初始的卫星星座设计方案的一组解，作为初始化群体Q；设置一个空的群体P；根据下层网络设备的分布情况和具体需求设置优化目标以及约束条件，合并P和Q中的个体到R中，对R中的个体进行适应度分配以及约束违反值计算；结合各个体的适应度值和约束违反值来评估解集中解的优劣，对R中的个体进行筛选，选出α个优秀的个体放入外部群体P中；当达到了最大的进化代数，则停止进化并输出P中的非劣解集A，A中的每个个体都代表一种卫星星座构型，否则继续执行上述处理过程。本发明使用智能搜索算法提高了解集的搜索范围，提升了星座解集的数量与质量。数量与质量。数量与质量。


技术研发人员：赵成瑜 徐少毅
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2022/12/5