Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Crafting a LEO Satellite Constellation for the Tehran Region Using an Innovative Hybrid GA-PSO Optimization Algorithm

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering and Information Technology Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST)
2 PhD student, University of Tehran
Abstract
This study investigates the essential role of satellite constellations within the rapidly expanding space economy, emphasizing their increasing contribution to global connectivity, navigation, and economic development. As the demand for reliable space-based infrastructure accelerates, the design and optimization of efficient satellite constellations have become a critical engineering challenge. This research focuses on determining key orbital design parameters for satellite constellations, with particular emphasis on developing an optimized configuration specifically for the Tehran metropolitan region. To address the inherent complexity and high-dimensional nature of the constellation design problem, a hybrid optimization approach is introduced that combines the strengths of Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) techniques. The problem is formulated as a thirty-variable optimization task that incorporates both global and local search strategies. Initially, the GA explores the broad solution space to identify high-quality global optima. These solutions subsequently serve as initial conditions for a refined optimization process using the GA-PSO hybrid algorithm, which further improves solution quality and enhances computational efficiency. Through this two-stage optimization process, the objective function was improved by 610 seconds compared to the GA-only approach, demonstrating the effectiveness and superiority of the proposed hybrid method. The final outcome is the design of a ten-satellite LEO constellation optimized to provide maximum coverage over Tehran, achieving 17 hours of daily coverage within a 24-hour period. The findings underscore the significant potential of advanced computational optimization techniques for improving better satellite constellation design and contribute to the development of more efficient, reliable, and cost-effective space-based telecommunication solutions.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

ساخت یک منظومه ماهواره‌ای LEO برای منطقه تهران با استفاده از یک الگوریتم بهینه‌سازی ترکیبی نوآورانه GA-PSO

Authors Persian

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

این پژوهش به بررسی نقش حیاتی منظومه‌های ماهواره‌ای در اقتصاد در حال رشد فضا می‌پردازد و بر افزایش سهم آن‌ها در ارتقاء ارتباطات جهانی، ناوبری و توسعه اقتصادی تأکید دارد. با افزایش سریع نیاز به زیرساخت‌های قابل‌اعتماد فضایی، طراحی و بهینه‌سازی منظومه‌های ماهواره‌ای کارآمد به یک چالش مهندسی اساسی تبدیل شده است. در این تحقیق، تعیین پارامترهای کلیدی طراحی مداری برای منظومه‌های ماهواره‌ای با تمرکز بر توسعه یک پیکربندی بهینه برای منطقه کلان‌شهری تهران مورد بررسی قرار گرفته است. به‌منظور مقابله با پیچیدگی ذاتی و ابعاد بالای مسئله طراحی منظومه، یک رویکرد ترکیبی بهینه‌سازی معرفی شده است که مزایای الگوریتم ژنتیک (GA) و الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) را تلفیق می‌کند. مسئله به‌صورت یک مسئله بهینه‌سازی سی متغیره فرمول‌بندی شده است که استراتژی‌های جست‌وجوی سراسری و محلی را در بر می‌گیرد. در ابتدا، الگوریتم ژنتیک برای جست‌وجوی فضای وسیع جواب و شناسایی بهینه‌های جهانی با کیفیت بالا به کار گرفته می‌شود. این پاسخ‌ها به‌عنوان شرایط اولیه برای مرحله دوم، یعنی فرآیند بهینه‌سازی دقیق‌تر با الگوریتم ترکیبی GA-PSO استفاده می‌شوند که کیفیت پاسخ را بیشتر بهبود می‌بخشد و بازده محاسباتی را افزایش می‌دهد. در این فرآیند دومرحله‌ای، مقدار تابع هدف نسبت به حالت استفاده صرف از الگوریتم ژنتیک، ۶۱۰ ثانیه بهبود یافت که کارایی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد. نتیجه نهایی، طراحی یک منظومه ده‌ماهواره‌ای مدار LEO است که پوشش بهینه بر فراز تهران را با ۱۷ ساعت پوشش روزانه فراهم می‌کند. یافته‌ها بر پتانسیل بالای روش‌های پیشرفته محاسباتی در بهبود طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای تأکید دارد.

Keywords Persian

منظومه‌های ماهواره‌ای
الگوریتم ژنتیک (GA)
بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)
الگوریتم‌های بهینه‌سازی
زیرساخت فضایی

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 15 October 2025

  • Receive Date 27 June 2025
  • Revise Date 22 September 2025
  • Accept Date 05 October 2025
  • First Publish Date 15 October 2025