Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Optimal Design of Low Earth Altitude Navigation Satellite Constellation Using MOPSO Optimization Algorithm

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 Satellite Engineering Group. School of New Technologies, University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Applied Design Group. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Applied Design Group, School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology, Tehran, Iran
Abstract
In satellite constellation design, particularly for navigation and positioning applications, system performance and associated costs are among the key factors guiding the design process. In recent years, Low Earth Orbit (LEO) satellite constellations have attracted significant attention from researchers and industry professionals due to their ability to provide wide coverage, low latency, and relatively lower manufacturing and launch costs. In this context, the present study aims to develop a design tool for the simultaneous optimization of performance and cost in LEO based navigation constellations. The proposed tool is developed by linking MATLAB and STK software environments and employs the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm to explore the design space efficiently. The main performance indicator considered in this study is the Geometric Dilution of Precision (GDOP) at the Earth's surface. Additionally, to estimate the total system cost, a combination of the USCM8 and SSCM cost models is utilized. The design parameters include the number of satellites, the number of orbital planes, Walker constellation configurations, orbital elements, and transmitter power. The developed design tool is capable of conducting multi-scenario evaluations to provide a comprehensive and detailed analysis of the trade-off between coverage accuracy and system cost. The simulation results demonstrate that the tool generates reliable and realistic solutions, making it a robust framework for the conceptual design of navigation satellite constellations. This study contributes to the integration of intelligent optimization methods with advanced space simulation tools and paves the way for more advanced research in the field of space system design.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

طراحی بهینه منظومه ماهواره‌ای ناوبری ارتفاع پایین زمین با استفاده از روش الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات چند هدفه

Authors Persian

مجید بختیاری 1
محمد بوالحسنی 1
علیرضا ابراهیمی حصاری 2
کامران دانشجو 3
1 گروه مهندسی فناوری ماهواره، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه علم و صنعت ایران
2 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران
3 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران
Abstract Persian

در طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای، به‌ویژه در کاربردهای مرتبط با ناوبری و موقعیت‌یابی، عملکرد سیستم و هزینه‌های مرتبط با آن، از جمله عوامل کلیدی در هدایت فرآیند طراحی به شمار می‌روند. در سال‌های اخیر، منظومه‌های ماهواره‌ای مدار پایین زمین (LEO) به دلیل قابلیت تأمین پوشش گسترده، زمان تأخیر پایین و هزینه‌ی ساخت و پرتاب نسبتاً کمتر، توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعت‌گران را به خود جلب کرده‌اند. در همین راستا، این پژوهش با هدف توسعه‌ی یک ابزار طراحی برای بهینه‌سازی هم‌زمان عملکرد و هزینه‌ی منظومه‌های ناوبری در مدار LEO انجام گرفته‌است. ابزار پیشنهادی از لینک نرم‌افزارهای MATLAB و STK توسعه یافته و از الگوریتم بهینه‌ سازی چندهدفه‌ی ازدحام ذرات (MOPSO) برای جستجوی فضای طراحی استفاده‌ می‌کند. شاخص عملکردی اصلی در این پژوهش، پارامتر دقت هندسی منظومه‌های ناوبری (GDOP) در سطح زمین در نظر گرفته شده‌است. همچنین، به‌منظور تخمین هزینه‌های کلی سامانه، از ترکیبی از مدل‌های هزینه USCM8 و SSCM استفاده شده‌است. پارامترهای طراحی شامل تعداد ماهواره‌ها، تعداد صفحات مداری، مشخصات منظومه واکر، المان‌های مداری و توان فرستنده هستند. ابزار طراحی توسعه‌یافته با انجام ارزیابی‌های چند سناریویی، قادر است تحلیل جامعی از مصالحه میان دقت پوشش‌ دهی و هزینه‌ی سامانه ارائه دهد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها حاکی از آن است که این ابزار، با تولید پاسخ‌های معتبر و واقع‌گرایانه، می‌تواند به عنوان یک ابزار دقیق در طراحی مفهومی منظومه‌های ماهواره‌ای ناوبری مورد استفاده قرار گیرد. این پژوهش می‌تواند گام مؤثری در جهت تلفیق روش‌های بهینه‌سازی هوشمند با ابزارهای شبیه‌سازی فضایی تلقی شود و زمینه‌ساز تحقیقات پیشرفته‌تری در حوزه طراحی سامانه‌های فضایی باشد.

Keywords Persian

منظومه های ماهواره ای ناوبری
الگوریتم ازدحام ذرات چند هدفه
بهینه‌سازی
پارامتر تعدیل دقت هندسی
هزینه

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 02 December 2025

  • Receive Date 03 May 2025
  • Revise Date 23 October 2025
  • Accept Date 12 November 2025
  • First Publish Date 02 December 2025