بهینه‌سازی چندهدفی زیرسامانه تامین توان ماهواره بر مبنای جرم و توان تولیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

2 کارشناسی ارشد / گروه مهندسی هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران

3 عضو هیات علمی / گروه مهندسی هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران

چکیده

هدف از این مقاله، بهینه­سازی زیرسامانه تامین توان ماهواره بر مبنای جرم و توان تولیدی می­باشد. برای این منظور، تحلیل مدار ماهواره، برای تعیین زمان قرارگیری در سایه در نرم­افزار 1STK صورت پذیرفته است و طراحی زیرسامانه تامین توان2 ماهواره براساس روابط تحلیلی موجود انجام و پارامترهای اصلی طراحی برای دستیابی به کمینه وزن این زیرسامانه بهینه­سازی شده است. بدین منظور، ابتدا براساس ماهواره هدف (موجود)، ماهواره اُرستد3، مدهای عملیاتی مداری و ماموریتی این ماهواره تدوین شده است و همچنین اطلاعات آماری زیرسامانه تامین توان آن نیز مشخص و استخراج شده است، سپس، طراحی زیر سامانه تامین توان بر مبنای روابط پارامتریک و تحلیل آماری و همچنین براساس شبیه­سازی­ و تحلیل مداری ماهواره صورت پذیرفته است. در پایان به منظور مدل­سازی مساله طراحی، تابع هدف طراحی و بهینه­سازی، وزن زیرسامانه تامین توان در نظر گرفته شده است و پارامترهای اصلی طراحی تاثیرگذار بر تابع هدف، ظرفیت، عمق دشارژ، راندمان و چگالی باتری و مساحت آرایه­های خورشیدی بوده است. شایان ذکر است، جنس خود باتری نیز بر تابع هدف بسیار موثر است، ولی با توجه به نوع باتری ماهواره مدنظر (نیکل کادمیم)، جنس باتری متغیر در نظر گرفته نشده است. در نهایت این مساله، با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینه­سازی انجام شده است. نتایج بدست آمده، نسبت به مقادیر زیرسامانه تامین توان ماهواره موجود، دقت روش و پیاده­سازی را نشان می­دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Multi-objective optimization of satellite power supply subsystem based on mass and power production

نویسندگان [English]

  • Hassan Naseh 1
  • Fardin Jamali Amleshi 2
  • Ali Mahmoodi 3
  • Neda Mohammadi Bdizi 2
  • Mohammad Reza Bakhtiari 2
1 Aerospace Research Institute
2 M.Sc. graduate, Faculty Technical Engineering, Islamic Azad University of Science and Research Branch, Tehran
3 Asistant Professor, Faculty Technical Engineering, Islamic Azad University of Science and Research Branch, Tehran
چکیده [English]

The purpose of this article is to optimize the power supply subsystem of the satellite based on mass and power production. For this purpose, the satellite orbit is to determine the time of placement in the shadow in Satellite Tool kit (STK) software, and the design of the satellite energy supply subsystem of existing analytical equations are done, and these main design parameters have been optimized to achieve the minimum weight of system. Then, the beginning of the target satellite, the Orsted satellite, the orbital and mission operational modes of this satellite has been compiled and the statistical information of its power supply subsystem has also been determined. Then, the design of the power supply sub-system is based on the parametric analysis and processing of statistical information and also based on the simulation and orbital analysis of the satellite. Finally, in order to model the design problem, the objective functions of design and optimization, the weight of the power supply subsystem has been considered, and the main design parameters affecting the objective function are capacity, depth of discharge, efficiency and density of the battery and the area of ​​the arrays. It is worth mentioning that the type of battery itself is also very effective on the objective function, but considering the type of satellite battery considered (nickel-cadmium), the variable battery type is not considered. Finally, this problem has been optimized using genetic algorithm. The obtained results show the accuracy of the method and implementation compared to the values ​​of the existing satellite power supply subsystem.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Power Supply Sub-system
  • Satellite
  • Statistical Design
  • Multi-objective Optimization
  • Battery

مراجع

[1] M. Mirshams, E. Zabihian. “FADSat: A System Engineering Tool for the Conceptual Design of Geostationary Earth Orbit Satellites Platform.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering 233, no. 6, 2019.
[2] M. A. Sherkat Masoom, Satellite’s Power Supply Consideration, Iran University of Science and Technology, 1381. (in Persian فارسی)
[3] Mohsen Taherbaneh, H. Ghafooifard, Evaluation end-of-life power generation of a satellite solar array, 2011.
[4] E. Zabihian, Space System’s Electrical Power supply Modelling for Laboratory, M.Sc. Thesis, K. N. Toosi University of Technology, Aerospace Faculty, 1391.
[5] Bo. Cho, Fered, Modeling and Analysis of spacecraft power system, 1988.
[6] M. Zahran, In Orbit Performance of LEO Satellite Electrical Power Subsystem - SW Package for Modelling and Simulation Based on MatLab.7 GUI, 2006.
[7] Hanaa T. El-madany a,n, Faten H. Fahmy, Spacecraft power system controller based on neural network, 2011.
[8] Wertz J. R., and Larson W. J., (editors), Reducing Space Mission Cost,, Microcosm Inc., El Segundo  California, 1996.
[9] Hosseini Onari H., Maani E., Bohlouri V., Seyedzamani S., HIL Experimental Analyses of Satellite Electrical Power Subsystem (EPS) in De-tumbling Mode, Vol. 10, No. 4, pp. 19-28, 1396.
[10] M. Mirshams, A. Saghari, E. Zabihian, Complementary Method the Conceptual Design of Spacecraft Electrical Power  Subsystem, Vol. 8, No. 3, pp. 55-63, 1394.
[11] Fortescue, P., Spacecraft Systems Engineering, 4th Edition., Graham Swinerd, John Stark Peter Fortescue, Editor, UK, John Wiley & Sons, 2011.
[12] Larson, W. J. and Wertz, J. R., Space Mission Analysis and Design, 3rd Edition. Microcosm Press, 1999.
[13] Brown Ch. D., Elements of Spacecraft Design, J. S. Przemlenleckl, Editor, Colorado, U.S.A., AIAA, 2002.
[14] Capderou, M., Satellites Orbits and Missions, France, Springer, 2005.
[15] Rania A. Hassan, William A. Crossley Multi-Objective Optimization of communication Satellites with Two-Branch Tournament Genetic Algorithm, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 40, No. 2, 2003.
[16] A. k. Hyder, R. L. Wiley, G. Halpert,  D. J. Flood, S. Sabripour, Spacecraft  Power  Technologies, Second edition, Imperial College Press, 2003.
[17] Naseh H., Comparing the launch vehicle multidisciplinary design optimization frameworks, Journal of Aerospace Knowledge and Technology, Maleke Ashtar University, Vol. 5, No. 3, 1395 (in Persian فارسی).
[18] Flournoy M., Solar Power Satellites, by springer 2012.
[19] Zhaohui Wang, Zhongshan Zhang, Yingwu Chen, Multi-objective Optimization of Satellite-ground time synchronization Scheduling Problem, IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC), Wellington, New Zealand, 2019.
10.1109/CEC.2019.8790100.
[20] Zhiming Song, Xiaoyu Chen, Maocai Wang, Multi-objective Optimization of Agile Satellite Orbit Design, Advances in Space Research, Vol. 62, No. 11, 2018.
DOI: 10.1016/j.asr.2018.08.037
[21] Panwadee Tangpattanakul, Multi-objective Optimization of Earth Observing Satellite Missions, Thesis in Toulotouse University, 26th September, 2013.
[22] Charles D. Brown, Elements of Spacecraft Design, AIAA Education Series, 2002.
[23] David G. Gilmore, Spacecraft Thermal Control Handbook, Second Edition, The Aerospace Press and American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2002.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار