基于METRIC理论的超大规模卫星星座多级备份策略

摘要

针对超大规模卫星星座可能出现的运行维护成本高、任务可用度低的问题,结合卫星批量化生产以及采用一枚火箭将多颗卫星送入轨道(一箭多星)的现状,基于可维修备件多级保障库存技术(multi-echelon technique for recoverable item control,METRIC)提出一种超大规模卫星星座多级备份策略。首先,阐述了基于METRIC理论的卫星星座多级备份策略模型的原理,备份策略同时考虑地面备份、停泊轨道备份以及星座轨道备份3种备份模式,建立了考虑卫星年平均需求量、期望需求量与期望短缺数的星座可用度模型,包含制造费用和发射费用的星座备份费用模型,以及以星座可用度为约束,星座备份费用为优化目标的数学优化模型。然后,以某型超大规模低轨卫星星座为案例研究对象,使用遗传算法和边际分析法进行求解。最后,讨论了遗传算法与边际分析法在求解该优化问题时的优缺点。结果表明,在同一星座可用度指标下,采用星座多级备份策略可比采用传统两级备份策略有效降低每年备份费用;在保证星座可用度的前提下大幅降低了超大规模卫星星座的备份费用,可为精确配置各级备份卫星数量提供参考。