Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Optimization of Genetic Algorithm Parameters for the Design of Indigenous Telecommunication Satellite Constellations

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 Department of Electrical Engineering and Information Technology, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran
2 University of Tehran, Tehran,Iran
Abstract
The design of optimal Low Earth Orbit (LEO) constellations is a complex, high-dimensional challenge central to modern telecommunications. While Genetic Algorithms (GAs) are potent optimization tools, their performance is notoriously sensitive to initial parameter settings, often leading to premature convergence and suboptimal designs. This paper introduces a novel Fully Adaptive Genetic Algorithm (AGA), engineered to overcome this critical limitation through a dynamic, self-correcting framework. The AGA employs an external control loop that co adjusts population size and crossover fraction based on real-time metrics of population diversity and convergence stagnation. To rigorously test its resilience, the AGA was intentionally initialized with the worst-performing parameters from a static GA baseline a configuration guaranteed to fail.First, its robustness was validated on the high-dimensional Rastrigin benchmark function, where, despite the poor start, it outperformed the best static GA by an astonishing factor of 380, proving its exceptional ability to escape deep local optima. The validated AGA was then applied to its primary mission: optimizing a 10-satellite, 30 variable LEO constellation for maximal coverage over Tehran. The results were decisive. The AGA achieved 19.45 hours of daily coverage, a 14.4% improvement over the 17.00 hours achieved by the best-tuned static GA. More remarkably, it accomplished this in just 15 hours, an 80.8% reduction from the 78 hours required by the static GA. This research not only contributes a highly efficient and reliable methodology for indigenous satellite constellation design but also presents a powerful paradigm for solving complex engineering problems where parameter sensitivity is major bottleneck
Keywords
Subjects

Article Title Persian

بهینه‌سازی پارامترهای الگوریتم ژنتیک برای طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای مخابراتی بومی

Authors Persian

آرش کوثری 1
امیر رضا فتحی 2
1 استادیار، پژوهشکده برق و فناوری اطلاعات سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران
2 دانشجوی دکترا، دانشگاه تهران
Abstract Persian

بهینه‌سازی طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای در مدار پایین زمین (LEO) به دلیل ابعاد پیچیده مسئله، یک چالش اساسی محسوب می‌شود. اگرچه الگوریتم‌های ژنتیک (GA) ابزارهای مناسبی هستند، اما عملکرد آن‌ها به تنظیمات اولیه پارامترها بسیار حساس بوده و اغلب به همگرایی زودرس منجر می‌شوند. این مقاله یک الگوریتم ژنتیک کاملاً تطبیقی (AGA) جدید را معرفی می‌کند که با بهره‌گیری از یک چارچوب پویا و خوداصلاح‌کننده، این محدودیت را برطرف می‌سازد. در این الگوریتم، یک حلقه کنترل خارجی، اندازه جمعیت و نرخ تقاطع را بر اساس معیارهای بلادرنگ تنوع و رکود همگرایی تنظیم می‌کند.
پس از تأیید تاب‌آوری الگوریتم با عملکردی ۳۸۰ برابر بهتر از بهترین GA استاتیک روی تابع معیار Rastrigin، از AGA برای بهینه‌سازی یک منظومه ماهواره‌ای LEO با هدف حداکثرسازی پوشش بر فراز تهران استفاده شد. نتایج نشان داد که AGA با دستیابی به ۱۹.۴۵ ساعت پوشش روزانه، بهبود ۱۴.۴ درصدی نسبت به GA استاتیک (۱۷ ساعت) ایجاد کرد. همچنین، زمان محاسباتی الگوریتم به ۱۵ ساعت کاهش یافت که نشان‌دهنده کاهش چشمگیر ۸۰.۸ درصدی نسبت به زمان ۷۸ ساعتی GA استاتیک است. این تحقیق، یک روش کارآمد و قابل اعتماد برای طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای ارائه می‌دهد که الگویی برای حل مسائل مهندسی پیچیده با حساسیت بالا به پارامترها محسوب می‌شود.

Keywords Persian

منظومه‌های ماهواره‌ای
بهینه‌سازی
پوشش منطقه‌ای
الگوریتم ژنتیک
منظومه‌های بومی
[1] Y. Zhang, H. Yang, G. Liang, Y. Chen, Z. Liu, and J. Hu, “Efficient design of constellation for Low-Earth-Orbit object revisit observations,” Aerospace Science and Technology, vol. 166, 2025, Art. no. 110633, https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110633.
[2]  S. Wang et al., “Multi-layer LEO constellation optimization based on D-NSDE algorithm,” Remote Sensing, vol. 17, no. 6, 2025, Art. no. 994, https://doi.org/10.3390/rs17060994.
[3]  C. Qin, Y. Gao, and Y. Wang, “The optimization of low Earth orbit satellite constellation visibility with genetic algorithm for improved navigation potential,” Scientific Reports, vol. 15, no. 1, 2025, Art. no. 30798, https://doi.org/10.1038/s41598-025-16815-7.
[4]  J. Zhang and L. Xing, “An improved genetic algorithm for the integrated satellite imaging and data transmission scheduling problem,” Computers & Operations Research, vol. 139, 2022, Art. no. 105626, https://doi.org/10.1016/j.cor.2021.105626.
[5]  C. Han, S. Bai, and S. Zhang, and X. Wang, “Visibility optimization of satellite constellations using a hybrid method,” Acta Astronautica, vol. 163, Part B, pp. 250-263, 2019, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.01.025.
[6] H. Ge, B. Li, L. Nie, M. Ge, and H. Schuh, “LEO constellation optimization for LEO enhanced global navigation satellite system (LeGNSS),” Advances in Space Research, vol. 66, no. 3, pp. 520-532, 2020, https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.04.031.
[7]  A. E. Eiben and J. Smith, Introduction to Evolutionary Computing, Latest ed. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003, https://doi.org/10.1007/978-3-662-44874-8.
[8]  C. Tan, Y. Xu, R. Luo, Y. Li, and C. Yuan, “Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions,” Advances in Space Research, vol. 71, no. 5, pp. 2357–2369, 2023, https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.10.035.
[9]  Q. Zheng, Y. Cai, and P. Wang, “A modified genetic algorithm for large-scale and joint satellite mission planning,” Egyptian Informatics Journal, vol. 31, 2025, Art. no. 100713, https://doi.org/10.1016/j.eij.2025.100713.
[10] J. Guo, Y. Wang, X. Xie, and C. Sun, “A fast satellite selection algorithm for positioning in LEO constellation,” Advances in Space Research, vol. 73, no. 1, pp. 271–285, 2024, https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.10.031.
Volume 18, Issue 4
2025
Pages 48-62

  • Receive Date 27 June 2025
  • Revise Date 22 September 2025
  • Accept Date 07 October 2025
  • First Publish Date 15 October 2025