一种深空测控天线组阵布局优化设计方法与流程

1.本发明涉及深空目标探测领域，具体涉及到深空目标探测技术中天线组阵布局的优化技术，基于天线组阵布局优化设计的智能算法，实现了对无遮挡和深空探测精度等要求下天线组阵的高效优化设计。


背景技术：

2.天线组阵的优化设计在工程应用中能够更好地支撑深空测控。目前，稀疏阵列、稀布阵列的优化算法的研究成果非常广泛。然而，基于工程需求和探测场景，对测控天线组阵的优化设计还存在以下约束：1)深空天线组阵采用抛物面天线，物理孔径大，阵列设计需要考虑天线的物理尺寸以确保无遮挡；2)干涉测角精度较高，对天线组阵的布局范围有最小阈值要求；3)工程中，天线组阵的布设范围受限。基于多重约束条件的限制，很难直接使用现有的稀疏阵列和稀布阵列的优化方法完成深空天线组阵的阵列优化设计。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种深空测控天线组阵规模的优化设计方法，在多种基于实际需求的约束条件下，利用离散量子粒子群优化算法，实现对天线组阵阵列的最优设计。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种深空测控天线组阵布局优化设计方法，包括以下步骤：
6.步骤一、确定天线组阵布局的优化函数；
7.步骤二、确定天线遮挡约束条件，构建天线遮挡约束函数；确定干涉测角精度约束条件，构建干涉测角精度约束函数；确定场地部署约束条件，构建场地部署约束函数，并得到场地部署约束区域，将场地部署约束区域等面积离散化；
8.步骤三、将在每个离散化区域中存在1个阵元或者不存在阵元作为离散量子粒子的位置，得到天线组阵布局和粒子位置的映射关系；
9.步骤四、确定粒子群中的粒子个数，对每个粒子代表的天线组阵布局进行初始化，并根据天线组阵布局和粒子位置的映射关系，将粒子的位置初始化；
10.步骤五、计算粒子群中每个粒子的更新速度和待更新位置，确定待更新天线组阵布局；
11.步骤六、对待更新天线组阵布局进行调整，使得同时满足天线遮挡约束条件、干涉测角精度约束条件和场地部署约束条件，得到更新后的天线组阵布局；
12.步骤七、计算更新后的天线组阵布局的优化函数，更新粒子群中的个体最优布局和全局最优布局；
13.步骤八、判断粒子群是否达到粒子群的最大迭代次数，若否，则返回步骤五，若是，则选择粒子群中全局最优个体的天线组阵布局作为最优深空测控天线组阵布局。
14.其中，步骤一中天线组阵布局的优化函数具体为：
[0015][0016]
式中，c是一种深空测控天线组阵布局，c＝{p1,p2,...,pn}，n是c中的天线数目，pn是c中的任一天线的坐标，f
side
(c)、f
grating
(c)和f
peak
(c)分别表示c的方向图在旁瓣、栅瓣和主瓣特征方面的评分值，f(f
side
(c),f
grating
(c),f
peak
(c))表示关于f
side
(c)、f
grating
(c)和f
peak
(c)的函数，α
p
和β
p
分别表示主瓣的方位角和俯仰角。
[0017]
其中，步骤二具体为：
[0018]
确定天线遮挡约束条件，即根据深空测控天线的直径和深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度计算得到深空测控天线之间的最小间距，并根据最小间距确定系统的天线遮挡约束函数；
[0019]
确定干涉测角精度约束条件，即根据深空测控天线组阵的检测信噪比阈值、深空测控天线组阵的角度测量精度和深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度，计算得到深空测控天线组阵的最小布阵孔径，并根据最小布阵孔径确定系统的干涉测角精度约束函数；
[0020]
确定场地部署约束条件，即根据部署现场的围墙高度、深空测控天线中心到地面的高度、深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度、天线直径和部署现场直径，计算得到满足现场部署范围时深空测控天线组阵的最大布阵孔径，并根据最大布阵孔径确定系统的场地部署约束函数和场地部署约束区域，将场地部署约束区域等面积离散化。
[0021]
其中，步骤二中系统的天线遮挡约束条件和天线遮挡约束函数具体为：
[0022]
天线遮挡约束条件：深空测控天线之间不产生相互遮挡，要求深空测控天线两两之间的距离差不低于最小间距d
1,min
＝d1/sinα；其中，d1表示深空测控天线的直径，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度；
[0023]
天线遮挡约束函数：
[0024][0025]
式中，||
·
||表示求模运算，min(
·
)表示所有计算结果中的最小值，any(
·
)表示任意一个计算结果，f1(c)取1表明天线组阵布局c满足约束条件1，取0表明不满足。
[0026]
其中，步骤二中干涉测角精度约束条件和干涉测角精度约束函数具体为：
[0027]
干涉测角精度约束条件：深空测控天线组阵达到系统要求的干涉测角精度，要求深空测控天线组阵的布阵范围不低于深空测控天线组阵的最小布阵孔径其中snr表示深空测控天线组阵的检测信噪比阈值，δθ表示深空测控天线组阵的角度测量精度，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度，λ表示信号波长；
[0028]
干涉测角精度约束函数：
[0029][0030]
式中，max(
·
)表示所有计算结果中的最大值，f2(c)取1表明天线组阵布局c满足
约束条件2，取0表明不满足。
[0031]
其中，步骤二中确定场地部署约束条件，构建场地部署约束函数，并得到场地部署约束区域，将场地部署约束区域等面积离散化，具体为：
[0032]
首先，确定场地部署约束条件和场地部署约束函数；
[0033]
场地部署约束条件：深空测控天线组阵进行现场部署时与围墙不产生遮挡，计算得到避免围墙遮挡时深空测控天线距离围墙的最小间距d
i,min
：
[0034][0035]
式中，h1表示部署现场的围墙高度，h2表示深空测控天线中心到地面的高度，d1表示深空测控天线的直径，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度；
[0036]
计算得到满足现场部署范围时深空测控天线组阵的最大布阵孔径d
3,max
：
[0037][0038]
式中，d2表示部署现场直径；
[0039]
场地部署约束函数：
[0040][0041]
式中，max(
·
)表示所有计算结果中的最大值，f3(c)取1表明天线组阵布局c满足约束条件3，取0表明不满足；
[0042]
然后，将部署场地中心设定为坐标系原点o，部署约束区域r3为以o为中心，将xoy平面上半径r3＝d
3,max
/2的圆形区域；
[0043]
将r3划分成个子区域，每个子区域的覆盖面积均为并将第m个子区域记作am；其中，
[0044]
其中，步骤三具体为：
[0045]
由c确定的离散量子粒子位置记作w，并且w＝[w1,w2,...,wm]；其中，w的第m位wm取值为1或者0，分别表明c在子区域am存在1个阵元或者不存在阵元，根据天线组阵阵元数目，n是天线组阵中抛物面天线的数目，表示第m个子区域中存在的阵元数，将上述由c确定对应的粒子是w这一函数关系记作w＝θ(c)。
[0046]
其中，步骤四具体为：
[0047]
根据d
2,min
、d
3,max
的几何平均数计算初始化的天线组阵区域半径r
gm
：
[0048][0049]
然后，以o为中心，在xoy平面上半径r
gm
的圆形区域内均匀随机产生g种不同的天线组阵布局，每个天线组阵布局中具有n个相同的抛物面天线，其中，第g个天线组阵布局记作
对天线布局cg，根据天线组阵布局和表示的粒子位置的映射关系得到wg＝θ(cg)，将粒子群的第g个粒子记作qg(wg,cg)。
[0050]
其中，步骤五具体为：
[0051]
在第k 1次迭代中，计算粒子qg(wg,cg)的更新速度
[0052][0053]
式中，ω,c1,c2是离散量子粒子的学习因子，为取值在[0,1]内的随机数，α,β是运动控制参数，为取值在[0,1]内的随机数，是粒子g为了学习自身的历史最优粒子we(g)的速度分量，是粒子群中的任意粒子为了学习第k次迭代后的全局最优粒子wr(k)的速度分量，是we(g)的第m位取值，是wr(k)的第m位取值；其中，在第k次迭代后，粒子g自身的历史最优天线组阵布局表示为其自身的历史最优粒子位置为we(g)＝θ(ce(g))，全局最优天线组阵布局表示为全局最优粒子位置为wr(k)＝θ(cr(k))；是粒子群中任意粒子g在第k次迭代后的天线组阵布局；
[0054]
然后，计算粒子qg(wg,cg)的待更新位置：
[0055][0056]
其中，rand()是随机生成的在[0,1]内均匀的随机数；
[0057]
计算若n'＞n，则随机抽取n'-n个取值为1的将其重新赋值为0；若n'＜n，则随机抽取n-n'个取值为0的将其重新赋值为1；
[0058]
待更新位置如果则在子区域am内随机生成阵元位置，生成的阵元共n个，得到待更新的天线组阵布局
[0059]
其中，步骤六具体为：
[0060]
初始调整算法a)：将调整天线组阵布局看作求解等圆包装问题，利用拟物算法，对待更新的天线组阵布局进行调整，得到符合天线遮挡约束条件和场地部署约束条件的天线组阵布局
[0061]
平移扩大调整b)：整体平移坐标得到使的中心位于坐标系原点，若则将中所有阵元的坐标扩大，扩大系数均为扩大后的阵列布局符合干涉测角精度约束条件，并赋值给
[0062]
迭代调整c)：按顺序重复步骤a)～步骤b)，直到同时满足天线遮挡约束条件、干涉测角精度约束条件和场地部署约束条件；得到更新后的天线组阵布局
[0063]
至此，完成深空测控天线组阵布局优化设计方法。
[0064]
本发明相比背景技术具有如下有益效果：
[0065]
本发明提供了一种深空测控天线组阵布局优化设计方法，该方法综合考虑了基于探测需求和应用场景的多重约束条件和基于方向图的优化函数，适用于深空天线组阵的工程化实施。另外，本发明基于离散量子粒子群的思路完成算法设计，不需要人工干预，在多重约束下仍能较快收敛并得到有效的天线组阵布局。
附图说明
[0066]
图1是本发明实施例流程图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图对本发明进一步说明：
[0068]
参照图1，为本发明的一种深空测控天线组阵布局优化设计方法的流程图，主要包括以下步骤：
[0069]
步骤一、确定天线组阵布局的优化函数。
[0070]
天线组阵布局的优化函数具体为：
[0071][0072]
式中，c是一种深空测控天线组阵布局，c＝{p1,p2,...,pn}，n是c中的天线数目，pn是c中的任一天线的坐标，f
side
(c)、f
grating
(c)和f
peak
(c)分别表示c的方向图在旁瓣、栅瓣和主瓣特征方面的评分值，f(f
side
(c),f
grating
(c),f
peak
(c))表示关于f
side
(c)、f
grating
(c)和f
peak
(c)的函数，α
p
和β
p
分别表示主瓣的方位角和俯仰角。
[0073]
步骤二、确定天线遮挡约束条件，即根据深空测控天线的直径和深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度计算得到深空测控天线之间的最小间距，并根据最小间距确定系统的天线遮挡约束函数；
[0074]
其中，天线遮挡约束条件：深空测控天线之间不产生相互遮挡，要求深空测控天线两两之间的距离差不低于最小间距d
1,min
＝d1/sinα；其中，d1表示深空测控天线的直径，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度；
[0075]
天线遮挡约束函数：
[0076][0077]
式中，||
·
||表示求模运算，min(
·
)表示所有计算结果中的最小值，any(
·
)表示任意一个计算结果，f1(c)取1表明天线组阵布局c满足约束条件1，取0表明不满足。
[0078]
确定干涉测角精度约束条件，即根据深空测控天线组阵的检测信噪比阈值、深空
测控天线组阵的角度测量精度和深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度，计算得到深空测控天线组阵的最小布阵孔径，并根据最小布阵孔径确定系统的干涉测角精度约束函数；
[0079]
其中，干涉测角精度约束条件和干涉测角精度约束函数具体为：
[0080]
干涉测角精度约束条件：深空测控天线组阵达到系统要求的干涉测角精度，要求深空测控天线组阵的布阵范围不低于深空测控天线组阵的最小布阵孔径其中snr表示深空测控天线组阵的检测信噪比阈值，δθ表示深空测控天线组阵的角度测量精度，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度，λ表示信号波长；
[0081]
干涉测角精度约束函数：
[0082][0083]
式中，max(
·
)表示所有计算结果中的最大值，f2(c)取1表明天线组阵布局c满足约束条件2，取0表明不满足。
[0084]
确定场地部署约束条件，即根据部署现场的围墙高度、深空测控天线中心到地面的高度、深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度、天线直径和部署现场直径，计算得到满足现场部署范围时深空测控天线组阵的最大布阵孔径，并根据最大布阵孔径确定系统的场地部署约束函数和场地部署约束区域，将场地部署约束区域等面积离散化。具体为：
[0085]
首先，确定场地部署约束条件和场地部署约束函数；
[0086]
场地部署约束条件：深空测控天线组阵进行现场部署时与围墙不产生遮挡，计算得到避免围墙遮挡时深空测控天线距离围墙的最小间距d
i,min
：
[0087][0088]
式中，h1表示部署现场的围墙高度，h2表示深空测控天线中心到地面的高度，d1表示深空测控天线的直径，α表示深空测控天线组阵俯仰维的最小跟踪角度；
[0089]
计算得到满足现场部署范围时深空测控天线组阵的最大布阵孔径d
3,max
：
[0090][0091]
式中，d2表示部署现场直径；
[0092]
场地部署约束函数：
[0093][0094]
式中，max(
·
)表示所有计算结果中的最大值，f3(c)取1表明天线组阵布局c满足约束条件3，取0表明不满足；
[0095]
然后，将部署场地中心设定为坐标系原点o，部署约束区域r3为以o为中心，将xoy平面上半径r3＝d
3,max
/2的圆形区域；
[0096]
将r3划分成个子区域，每个子区域的覆盖面积均为并将第m个子区域
记作am；其中，
[0097]
步骤三、将在每个离散化区域中存在1个阵元或者不存在阵元作为离散量子粒子的位置，得到天线组阵布局和粒子位置的映射关系；具体为：
[0098]
由c确定的离散量子粒子位置记作w，并且w＝[w1,w2,...,wm]；其中，w的第m位wm取值为1或者0，分别表明c在子区域am存在1个阵元或者不存在阵元，根据天线组阵阵元数目，n是天线组阵中抛物面天线的数目，表示第m个子区域中存在的阵元数，将上述由c确定对应的粒子是w这一函数关系记作w＝θ(c)。
[0099]
步骤四、确定粒子群中的粒子个数，对每个粒子代表的天线组阵布局进行初始化，并根据天线组阵布局和粒子位置的映射关系，将粒子的位置初始化；具体为：
[0100]
根据d
2,min
、d
3,max
的几何平均数计算初始化的天线组阵区域半径r
gm
：
[0101][0102]
然后，以o为中心，在xoy平面上半径r
gm
的圆形区域内均匀随机产生g种不同的天线组阵布局，每个天线组阵布局中具有n个相同的抛物面天线，其中，第g个天线组阵布局记作对天线布局cg，根据天线组阵布局和表示的粒子位置的映射关系得到wg＝θ(cg)，将粒子群的第g个粒子记作qg(wg,cg)。
[0103]
步骤五、计算粒子群中每个粒子的更新速度和待更新位置，确定待更新天线组阵布局；具体为：
[0104]
在第k 1次迭代中，计算粒子qg(wg,cg)的更新速度
[0105][0106]
式中，ω,c1,c2是离散量子粒子的学习因子，为取值在[0,1]内的随机数，α,β是运动控制参数，为取值在[0,1]内的随机数，是粒子g为了学习自身的历史最优粒子we(g)的速度分量，是粒子群中的任意粒子为了学习第k次迭代后的全局最优粒子wr(k)的速度分量，是we(g)的第m位取值，是wr(k)的第m位取值；其中，在第k次迭代后，粒子g自身的历史最优天线组阵布局表示为其自身的历史最优粒子位置为we(g)＝θ(ce(g))，全局最优天线组阵布局表示为全局最优粒子位置为wr(k)＝θ(cr(k))；是粒子群中任意粒子g在第k次迭代后的天线组阵布局；
[0107]
然后，计算粒子qg(wg,cg)的待更新位置：
[0108]
[0109]
其中，rand()是随机生成的在[0,1]内均匀的随机数。
[0110]
为了确保天线阵元总数仍为n，计算若n'＞n，则随机抽取n'-n个取值为1的将其重新赋值为0；若n'＜n，则随机抽取n-n'个取值为0的将其重新赋值为1。
[0111]
待更新位置如果则在子区域am内随机生成阵元位置，生成的阵元共n个，得到待更新的天线组阵布局
[0112]
步骤六、对待更新天线组阵布局进行调整，使得同时满足天线遮挡约束条件、干涉测角精度约束条件和场地部署约束条件，得到更新后的天线组阵布局；具体为：
[0113]
初始调整算法a)：将调整天线组阵布局看作求解等圆包装问题，利用拟物算法，对待更新的天线组阵布局进行调整，得到符合天线遮挡约束条件和场地部署约束条件的天线组阵布局
[0114]
首先，将调整天线组阵布局看作求解等圆包装问题，利用拟物算法，将以中的任一阵元i的坐标为中心，半径r1＝d
1,min
/2的圆拟作刚性圆盘ri；将所有圆盘的外边界半径设定为r3，将外边界拟作圆形容器。为满足约束条件1和约束条件3，拟化后的系统弹性势能u应不高于门限值ε(ε的典型值可取10-15
)。
[0115]
则若ri与rj存在交叠，则不满足约束条件1。定义两者的嵌入深度：
[0116][0117]
将ri与rj之间拟作存在弹性力：
[0118][0119]
其中，f
j,i
表明是rj对ri的作用力，同理f
i,j
表明是ri对rj的作用力，而且f
i,j
＝-f
j,i
。
[0120]
若则表明ri的部分区域不属于r3，则不满足约束条件3。定义圆形容器对ri的嵌入深度：
[0121][0122]
将圆形容器与ri之间拟作弹性力：
[0123][0124]
然后，定义整个系统的弹性势能：
[0125][0126]
其中，ui是第i个圆盘的弹性势能，是与之相关的所有嵌入深度的线性组合(系数k
为常数，可以取值为1)：
[0127][0128]
最后，按如下步骤调整阵列：
[0129]
1)当前为第t＝0步，各圆盘的中心位置初始化为p
i0
＝pi；
[0130]
2)获取系统弹性势能u，若u≤ε，则阵列已经符合约束条件1和约束条件3，退出本算法，否则进入3)；
[0131]
3)计算第i个圆盘的所受合力令圆盘i在合力作用下运动一步，p
it
＝p
it 1
fi；
[0132]
4)所有圆盘运动一步后，t＝t 1，重新计算系统的弹性势能，返回步骤2)。
[0133]
完成步骤1)～步骤4)即完成初始调整算法a)，得到符合约束条件1和约束条件3的天线布局
[0134]
平移扩大调整b)：整体平移坐标得到使的中心位于坐标系原点，若则将中所有阵元的坐标扩大，扩大系数均为扩大后的阵列布局符合干涉测角精度约束条件，并赋值给
[0135]
迭代调整c)：按顺序重复步骤a)～步骤b)，直到同时满足天线遮挡约束条件、干涉测角精度约束条件和场地部署约束条件；得到更新后的天线组阵布局
[0136]
步骤七、计算更新后的天线组阵布局的优化函数，更新粒子群中的个体最优布局和全局最优布局；
[0137]
步骤八、判断粒子群是否达到粒子群的最大迭代次数，若否，则返回步骤五，若是，则选择粒子群中全局最优个体的天线组阵布局作为最优深空测控天线组阵布局。
[0138]
通过本发明的具体实施可以看出，设计思路上充分考虑基于深空探测中不同应用场景的约束条件，设计方案与深空目标探测需求紧密耦合，基本覆盖了各种约束条件和基于方向图的优化准则，基于离散量子粒子群的算法的应用保障了算法的运行效率，具有较好的创新性。