一种卫星动中通天线阵列的布阵方法及布阵系统技术方案

本发明专利技术公开一种卫星动中通天线阵列的布阵方法及布阵系统。本发明专利技术根据天线阵列的尺寸及阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，能够同时考虑阵元的可分布空间以及可放置阵元的数量，最大化阵元分布的自由度。求解优化函数，获得使最大旁瓣电平最小的最优横坐标随机变量矩阵、最优纵坐标随机变量矩阵和最优权值矩阵。可见，本发明专利技术通过把带有最小阵元间隔约束、阵元总数约束、天线尺寸约束的问题转换为了只包含上下界的随机优化问题，成功的将多约束条优化问题转换为无约束优化问题，能够有效提高天线布阵的搜索效率，避免不可行解的出现，从而有效减少阵元间的互耦效应，在保证天线性能的前提下能够降低天线的成本、重量和功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星动中通天线阵列的布阵方法及布阵系统
本专利技术涉及卫星通信领域，特别是涉及一种卫星动中通天线的布阵方法及布阵系统。
技术介绍
动中通是移动通信(即运动中通信)的简称，即移动体之间或移动体与固定体之间的通信。在美国的军事科技文献中，宽带卫星“动中通”通常是指以地球同步轨道卫星为中继，实现的移动站与固定站、移动站与移动站之间的宽带、多媒体卫星移动通信。天线的性能直接影响到无线电设备的使用，为了满足人们对通信品质以及探测精度日益增长的需求，阵列天线被广泛的应用到各种无线通信以及雷达系统中。动中通需要安装于载体的顶部才能实现与赤道上空的地球同步轨道卫星进行通信，而低轮廓动中通不需要在载体顶部挖洞或开槽，对载体外观改动少，可保持载体外观的完整性。同时，安装低轮廓动中通的载体运动过程中产生的风阻小，遇到陆地上的桥梁、涵洞时可通过性好。而且，战场中采用低轮廓动中通的作战单元战场隐蔽性强，信息传输保密性高，能极大地增强其战场生存能力。为适应陆地车辆与空中飞机载体的需求，尤其是适应高速、机动的商务、家用轿车以及战场指挥通信车辆安装动中通的要求，当前国内、外动中通的研究正朝着降低动中通系统高度方向发展，低轮廓、低成本、高性能天线已成为宽带卫星动中通大范围推广与应用的核心关键技术。降低动中通天线成本的一种重要手段是通过优化布阵减少阵元的数量，同时实现较好的天线性能。为了避免阵元间互耦效应，通常要求阵元间距大于半波长，为了满足天线增益要求，还要求优化后的天线结构满足天线孔径约束和总阵元数量的约束。由于平面阵列天线的优化是一个高度非线性的问题，因此将多约束优化问题转换为无约束优化问题能极大的提高优化效率，避免不可行解的出现。传统的改进遗传算法以及矩阵映射方法提出将阵元间隔约束转换为切比雪夫约束，但是实际操作时只考虑同一行或者同一列之间的阵元间隔，无法保证不同行列之间的阵元间隔满足约束要求，容易产生无法满足约束条件的不可行解，导致阵元间产生互耦，降低天线性能。因此，如何减少卫星动中通天线阵元间的互耦效应，为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种卫星动中通天线阵列的布阵方法及布阵系统，通过把带有最小阵元间隔约束、阵元总数约束、天线尺寸约束的问题转换为了只包含上下界的随机优化问题，成功的将多约束条优化问题转换为无约束优化问题，能够有效提高天线布阵的搜索效率，避免不可行解的出现，从而有效减少阵元间的互耦效应，在保证天线性能的前提下能够降低天线的成本、重量和功耗。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种卫星动中通天线阵列的布阵方法，所述布阵方法包括：获取天线阵列的尺寸、阵元数量及最小阵元间隔，其中所述天线阵列包括多个以阵列方式排布的阵元；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量建立所述天线阵列的位置平面直角坐标系；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，并构造与所述阵元位置矩阵对应的权值矩阵，所述权值矩阵的元素为随机数；根据所述阵元位置矩阵的维数及所述天线阵列的尺寸确定待分配行空间和待分配列空间；构造横坐标随机变量矩阵和纵坐标随机变量矩阵，根据所述横坐标随机变量矩阵、所述待分配行空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的横坐标，并根据所述纵坐标随机变量矩阵、所述待分配列空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的纵坐标，其中，所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵中的元素均为随机数，且所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵均为P行Q+1列的矩阵，P表示阵元位置矩阵的行数，Q表示阵元位置矩阵的列数；以所述天线阵列的最大旁瓣电平最小为目标，构建优化函数；求解所述优化函数，获得使所述最大旁瓣电平最小的最优横坐标随机变量矩阵、最优纵坐标随机变量矩阵和最优权值矩阵；根据所述最优权值矩阵、所述最优横坐标随机变量矩阵和所述最优纵坐标随机变量矩阵确定所述天线阵列的待激励阵元的位置。可选的，所述权值矩阵的元素、所述横坐标随机变量矩阵的元素及所述纵坐标随机变量矩阵中的元素均为大于或者等于零且小于或者等于1的随机数。可选的，所述根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，具体包括：根据所述天线阵列的尺寸确定所述天线阵列的横轴尺寸和纵轴尺寸；根据所述横轴尺寸和所述最小阵元间隔确定横轴方向最大阵元数量；根据所述纵轴尺寸和所述最小阵元间隔确定纵轴方向最大阵元数量；根据所述阵元数量、所述最小阵元间隔、所述纵轴方向最大阵元数量和所述横轴方向最大阵元数量确定阵元位置矩阵的维数。可选的，所述根据所述阵元数量、所述最小阵元间隔、所述纵轴方向最大阵元数量和所述横轴方向最大阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，具体包括：根据公式：确定阵元位置矩阵的维数，其中，Pm表示横轴方向最大阵元数量，Qm表示纵轴方向最大阵元数量，P×Q≥N,Q∈Z+,P∈Z+，P≤Pm,Q≤Qm，L表示天线阵列在第一象限内的横轴尺寸，H表示天线阵列在第一象限内的纵轴尺寸，dc表示最小阵元间隔，N表示位置平面直角坐标系中每个象限的阵元数量。可选的，所述根据所述阵元位置矩阵的维数及所述天线阵列的尺寸确定待分配行空间和待分配列空间，具体包括：根据公式：Ux＝L-(Q-0.5)dc，确定待分配行空间；根据公式：Uy＝H-(P-0.5)dc，确定待分配列空间，其中，Ux表示待分配行空间，Uy表示待分配列空间。可选的，所述构造横坐标随机变量矩阵和纵坐标随机变量矩阵，根据所述横坐标随机变量矩阵、所述待分配行空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的横坐标，具体包括：构造横坐标随机变量矩阵A：构造纵坐标随机变量矩阵B：其中，αi,j，βi,j，γi，ηi均为区间[0,1]之间的随机数，1≤i≤P，1≤j≤Q；根据公式：确定第i行第j列阵元的横坐标，其中，Δxi,j表示第i行第j列阵元的横坐标增量，Δdx1＝0.5dc，Δdxj＝dc，2≤j≤Q，Ux表示待分配行空间，xi,j表示第i行第j列阵元的横坐标。可选的，所述根据所述纵坐标随机变量矩阵、所述待分配列空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的纵坐标，具体包括：根据公式：确定第i行第j列阵元的纵坐标，Δdy1＝0.5dc，Δdyi＝dc，2≤i≤P。可选的，所述根据所述最优权值矩阵、所述最优横坐标随机变量矩阵和所述最优纵坐标随机变量矩阵确定所述天线阵列的待激励阵元的位置，具体包括：判断P和Q的乘积是否大于N，获得判断结果，N表示位置平面直角坐标系中每个象限的阵元数量；当所述判断结果表示P和Q的乘积等于N时，将所述阵元全部作为待激励阵元；当所述判断结果表示P和Q的乘积大于N时，将所述最优权值矩阵的各元素按照数值大小进行降序排列，并选取前N个元素作为权值最优元素；将N个所述权值最优元素对应的阵元作为待激励阵元。一种卫星动中通天线阵列的布阵系统，所述布阵系统包括：数据获取模块，用于获取天线阵列的尺寸、阵元数量及最小阵元间隔，其中所述天线阵列包括多个以阵列方式排布的阵元；平面直角坐标系确定模块，用于根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量建立所述天线阵列的位置平面直角坐标系；维数及权值矩阵确定模块，用于根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星动中通天线阵列的布阵方法，其特征在于，所述布阵方法包括：获取天线阵列的尺寸、阵元数量及最小阵元间隔，其中所述天线阵列包括多个以阵列方式排布的阵元；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量建立所述天线阵列的位置平面直角坐标系；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，并构造与所述阵元位置矩阵对应的权值矩阵，所述权值矩阵的元素为随机数；根据所述阵元位置矩阵的维数及所述天线阵列的尺寸确定待分配行空间和待分配列空间；构造横坐标随机变量矩阵和纵坐标随机变量矩阵，根据所述横坐标随机变量矩阵、所述待分配行空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的横坐标，并根据所述纵坐标随机变量矩阵、所述待分配列空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的纵坐标，其中，所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵中的元素均为随机数，且所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵均为P行Q+1列的矩阵，P表示阵元位置矩阵的行数，Q表示阵元位置矩阵的列数；以所述天线阵列的最大旁瓣电平最小为目标，构建优化函数；求解所述优化函数，获得使所述最大旁瓣电平最小的最优横坐标随机变量矩阵、最优纵坐标随机变量矩阵和最优权值矩阵；根据所述最优权值矩阵、所述最优横坐标随机变量矩阵和所述最优纵坐标随机变量矩阵确定所述天线阵列的待激励阵元的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种卫星动中通天线阵列的布阵方法，其特征在于，所述布阵方法包括：获取天线阵列的尺寸、阵元数量及最小阵元间隔，其中所述天线阵列包括多个以阵列方式排布的阵元；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量建立所述天线阵列的位置平面直角坐标系；根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，并构造与所述阵元位置矩阵对应的权值矩阵，所述权值矩阵的元素为随机数；根据所述阵元位置矩阵的维数及所述天线阵列的尺寸确定待分配行空间和待分配列空间；构造横坐标随机变量矩阵和纵坐标随机变量矩阵，根据所述横坐标随机变量矩阵、所述待分配行空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的横坐标，并根据所述纵坐标随机变量矩阵、所述待分配列空间和所述最小阵元间隔确定各所述阵元在所述位置平面直角坐标系中的纵坐标，其中，所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵中的元素均为随机数，且所述横坐标随机变量矩阵和所述纵坐标随机变量矩阵均为P行Q+1列的矩阵，P表示阵元位置矩阵的行数，Q表示阵元位置矩阵的列数；以所述天线阵列的最大旁瓣电平最小为目标，构建优化函数；求解所述优化函数，获得使所述最大旁瓣电平最小的最优横坐标随机变量矩阵、最优纵坐标随机变量矩阵和最优权值矩阵；根据所述最优权值矩阵、所述最优横坐标随机变量矩阵和所述最优纵坐标随机变量矩阵确定所述天线阵列的待激励阵元的位置。2.根据权利要求1所述的布阵方法，其特征在于，所述权值矩阵的元素、所述横坐标随机变量矩阵的元素及所述纵坐标随机变量矩阵中的元素均为大于或者等于零且小于或者等于1的随机数。3.根据权利要求1所述的布阵方法，其特征在于，所述根据所述天线阵列的尺寸及所述阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，具体包括：根据所述天线阵列的尺寸确定所述天线阵列的横轴尺寸和纵轴尺寸；根据所述横轴尺寸和所述最小阵元间隔确定横轴方向最大阵元数量；根据所述纵轴尺寸和所述最小阵元间隔确定纵轴方向最大阵元数量；根据所述阵元数量、所述最小阵元间隔、所述纵轴方向最大阵元数量和所述横轴方向最大阵元数量确定阵元位置矩阵的维数。4.根据权利要求3所述的布阵方法，其特征在于，所述根据所述阵元数量、所述最小阵元间隔、所述纵轴方向最大阵元数量和所述横轴方向最大阵元数量确定阵元位置矩阵的维数，具体包括：根据公式：确定阵元位置矩阵的维数，其中，Pm表示横轴方向最大阵元数量，Qm表示纵轴方向最大阵元数量，P×Q≥N,Q∈Z+,P∈Z+，P≤Pm,Q≤Qm，L表示天线阵列在第一象限内的横轴尺寸，H表示天线阵列在第一象限内的纵轴尺寸，dc表示最小阵元间隔，N表示位置平面直角坐标系中每个象限的阵元数量。5.根据权利要求4所述的布阵方法，其特征在于，所述根据所述阵元位置矩阵的维数及所述天线阵列的尺寸确定待分配行空间和待分配列空间，具体包括：根据公式：Ux＝L-(Q-0.5)dc，确定待分配行空间；根据公式：Uy＝H-(P-0.5)dc，确定待分配列空间，其中，Ux表示待分配行空间，Uy表示待分配列空间。6.根据权利要求1所述的布阵方法，其特征在于，所述构造横坐标随机变量矩阵和纵坐标随...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰干，姚敏立，贾维敏，戴定成，袁丁，沈晓卫，金伟，伍宗伟，朱丰超，戴精科，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61