快速响应卫星电子系统等寿命设计方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252014VOl35No61673—1683lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn快速响应卫星电子系统等寿命设计方法刘源+，沈毅，邢雷，孙兆伟哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：与传统卫星不同，快速响应卫星的任务具有很强的时效性，采用传统的按重要程度分配部件可靠性的设计方式，难以在最大程度上降低成本。因此引入工业领域的等寿命设计理念，以预定

2、寿命为基础进行星载电子系统的部件选择和集成，使系统的生命周期与成本成正比，达到“快、智、廉”的目标。进一步，提出了一种基于遗传算法的即插即用星载电子系统等寿命优化方法，通过建立系统的非线性混合整数规划模型，对部件可靠性均方差和价格成本进行优化。此外针对卫星总体方案分配的体积、重量和可靠性约束，为算法设计了归一化满意度函数和Pareto解共享函数。仿真结果表明，算法表现出较好的收敛性和稳定性，在预定寿命期间能够在部件级有效消除可靠性短板，并实现良好的成本控制。关键词：快速响应；卫星；电子系统；可靠性；遗传算法中图分类号：

3、V443；TP23文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06167311在目前的研制流程中，卫星属于完全定制产品，制造并发射一颗新卫星通常需要几个月乃至几年的时问，因此能够对局部区域的军事冲突、地震洪涝等突发自然灾害提供快速响应能力的小型、廉价航天器成为航天领域的研究热点。美国空军实验研究所针对这个问题，提出了快速组装以及在轨模块更换的“即插即用”卫星制造理念，并作为未来天基平台的一个主要发展方向。为此AIAA标准委员会开发了名为“空问飞行器即插即用电子设备(SPA)”的一系列标准，定义了一个基于标准接口

4、模块化组件或子系统的空问飞行器体系结构。2005年12月美国空军研究实验室进行了第1次模块化、即插即用体系结构演示验证，证明了即插即用空问飞行器体系结构的可行性口]。而以PnPSAT[21和TacSAT[。1系列为代表的快速响应卫星，相继对即插即用技术进行了成功的在轨验证。快速响应卫星的任务具有很强时效性，随着自然灾害或战争结束卫星的使命也随之终止，因此寿命通常仅需6～12个月。如果采用传统的卫星设计方式，按照部件重要程度进行可靠性分配，则难以在最大程度上控制成本并达到“快、智、廉”的目标。在航天领域等寿命设计虽然还是

5、一个新的概念，但在工业设计中早已不陌生，意为产品的生命周期与成本成正比，从产品的选材、设计、生产都以设计寿命为基础，将任何一个超出预期寿命的环节支出视为设计的浪费。日本的汽车工业是等寿命设计得到成功应用的典型案例，既保证产品在预定寿命内具有较低的故障率(但达到预定寿命后故障率激增)又在最大程度上降低成本，进而成功占领了全球市场。与传统卫星相比快速响应卫星更类似一种消耗产品，等寿命设计的理收稿日期：2013—09—03；退修日期：2013—10—25；录用日期：2013—11—30；网络出版时间：2013—12—1913

6、：49网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201312191349007html基金项目：国家自然科学基金(11002040，61273096)*通讯作者Tel：0451—86416447E-mail：blueoceanhit@gmailcom黾属格式LmY，ShenY，XingL，etalEquallifedesignmethodofoperationa／／yresponsiveon—boardelectronicsystemsigJActaAeronau—t／caetAstro

7、naut／caSin／ca，2014，35(67：1673—1683懿湃，泷毅，舔肴，等快速喃盘l叠电子系统等毒命设计方法i如航空学报，2014，35(6)：1673一{683航空学报念与该特点不谋而合，通过让各个部件的设计寿命趋同来消除可靠性短板，使系统在预期寿命中造价最小化阻]。因此本文提出了一种基于遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)的卫星电子系统等寿命优化方法。该方法将等寿命思想引入快速响应卫星电子系统的设计中，以各部件与可靠性期望的方差和成本为优化目标，以重量、体积、冗余上限为边界条件生成Par

8、eto解集。基于对即插即用电子系统特点的分析，本文构建了快速响应卫星电子系统的可靠性模型，设计了适合的编码规则、满意度函数和遗传算子，并给出了整体的算法执行流程，最后通过仿真，验证了本文所提出算法的有效性。1问题描述1．1即插即用电子系统在即插即用卫星的研制流程中，平台结构件、部组件和载荷等，都基于统一的标准由一个或多个供应商提前