基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法技术

本发明专利技术涉及一种基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，在反射面天线中引入记忆合金促动器，并基于记忆合金促动器构建了一种具有索杆结构支撑的星载网状反射面天线，并通过构建反射面天线的索杆结构参数，根据地面所需覆盖区域方向性系数要求，计算得出反射面天线索

【技术实现步骤摘要】
基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法


[0001]本专利技术涉及卫星天线
，尤其涉及星载网状反射面天线波束的赋形方法。

技术介绍

[0002]星载网状反射面天线因其反射面是由索杆结构张拉成形，通常不能实现赋形波束要求的具有凸凹起伏的反射面形状，导致其赋形能力受限。
[0003]在星载网状反射面天线波束赋形设计方面，由张树新等专利技术人提供的专利号为：201210510289.2，专利名称为：《基于敏度信息的索网反射面天线型面赋形方法》的一文中，仅是基于灵敏度信息对反射面赋形，未将索网支撑结构的支撑能力考虑在内。杨癸庚2017年发表的《A Novel Contoured Beam Synthesis Method forAstroMesh Reflectors Based on Integrated Electromagnetic
‑
Structural Design》一文中对传统的纯索杆结构进行赋形设计，约束索力必须为正值，但其反射面因不能实现凸凹不平的赋形反射面需求，其赋形能力大受限制。
[0004]为解决实现凸凹不平的赋形反射面问题，张逸群等专利技术人提供的专利号为： 201610638630.0，专利名称为：《一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法》和杨癸庚等专利技术人提供的专利号为：201510144508.3，专利名称为：《一种基于机电集成的星载网状天线赋形波束设计方法》均采用三层索杆结构来实现凸凹不平的反射面，提升了星载网状反射面天线的赋形能力，但较传统天线设计方案增加了一层索杆结构，从而导致天线结构复杂化和自重大幅增加，天线索杆结构越复杂，越容易导致其在轨展开时与其它结构发射缠绕勾挂，导致展开失败，而天线自重大幅增加会导致卫星发射成本的大幅攀升。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种不增加天线自重，就能够实现赋形波束所需的凸凹不平的赋形反射表面形状的基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、构建由索杆结构支撑的星载网状反射面天线，所述的索杆结构包括上索网面、下索网面及用于连接上、下索网面的多个调节索和记忆合金促动器，则有：在所述反射面天线口径面的上索网面和下索网面上设有的节点为边界支撑节点；在所述上索网面、下索网面上的节点为索网自由节点；所述上索网面将所述反射面天线的金属反射表面分割成多个平面面片；
[0008]进而根据索杆结构的拓扑关系，将索杆结构中两个相连节点之间的线段定义为线单元；
[0009]步骤二、给定所述边界支撑节点的位置坐标，同时，给定所述线单元的力密度值，采用力密度法，建立所述线单元的力密度与所述索网自由节点之间的数理关系模型，进而
得到组成所述索杆结构的所有节点的连接关系矩阵和索网自由节点坐标，同时，也得到了所述索杆结构支撑的反射表面的整体形状S；
[0010]步骤三、根据地面所需覆盖区域，生成所述的星载网状反射面天线波束覆盖区域，根据Nyquist准则在波束赋形区域内采样，并标出采样点；
[0011]步骤四、给定馈源入射波，依据步骤二得到的索杆结构支撑的反射表面的整体形状S，并计算当前反射表面的整体形状对应的波束赋形区域内采样点处的方向性系数；
[0012]步骤五、以所述线单元的力密度值为设计变量，以极大化所述的采样点处的方向性系数的最小值为目标函数，建立机电集成的波束赋形设计的优化设计模型；
[0013]步骤六、求解步骤五所述优化设计模型，直至其满足所述设计变量和目标函数的收敛条件，得到赋形后的索杆结构和索杆结构支撑的反射表面的整体形状S，以及索杆结构的力学状态；
[0014]步骤七、在步骤六中确定的赋形后最终的索杆结构中，判断所有力密度值的正负：若为正值，则该力密度对应的线单元为调节索绳索结构，命名为索单元，否则，该力密度对应的线单元为由记忆合金促动器替代调节索形成的杆结构，命名为杆单元，完成所述星载网状反射面天线索杆结构模型。
[0015]进一步的，所述的步骤二具体为：
[0016]给定所述索杆结构边界支撑点位置坐标为X
f
、Y
f
和Z
f
，给定所述线单元的力密度值q
i
(i＝1,2,
…
,b)，q
i
取值为正值或负值，b为线单元的总个数，建立线单元的力密度与索杆结构上的索网自由节点坐标X、Y和Z之间的数理关系模型，具体为：
[0017][0018]其中，Q为线单元力密度q
i
组成的对角矩阵，C为索网自由节点的连接关系矩阵， C
f
为索杆结构边界支撑节点的连接关系矩阵，上标
T
表示矩阵的转置，C和C
f
可组成所述索杆结构的所有节点的连接关系矩阵C
all
，即为
[0019]C
all
＝[C C
f
]；
[0020]设i1和i2第i个单元的的两端节点编号，且规定i1≤i2，则矩阵C
all
中的元素为
[0021][0022]以上步骤，可得到索杆结构自由节点坐标X、Y和Z,并根据索杆结构自由节点和边界支撑节点坐标，得到天线反射表面一系列平面面片的空间位置，最终得到反射表面的整体形状S。
[0023]进一步的，所述的步骤三具体为：
[0024]31)将地面所需覆盖的地图边界用经度和纬度表示；
[0025]32)把经度和维度坐标值转换到地球直角坐标系；
[0026]33)将地球直角坐标系下的坐标值，转换为所述星载网状反射面天线球坐标系下
的坐标(θ,φ)；
[0027]34)在覆盖区域边界之内和边界上进行采样，获得采样点的坐标值为 (θ
p
,φ
p
),p＝1,2,...,N,N为采样点的总数；
[0028]采样点的密度取决于所述星载网状反射面天线口径D，当天线口径D为有限口径，辐射场为远场时，由Nyquist准则可知，所述取样点间的经、纬度间隔为 0～0.5λ/D，其中λ为波长；
[0029]以上步骤，即得到所需覆盖的地图在星载网状反射面天线球坐标系下的采样点坐标值(θ
p
,φ
p
)。
[0030]进一步的，所述取样点间的经、纬度间隔应为0.25λ/D，其中λ为波长。
[0031]进一步的，所述的步骤四具体为：
[0032]41)构建根据步骤二得到的索杆结构支撑的反射表面的整体形状S为三角形面片拼接的反射面形状S；
[0033]42)以天线口径D面中心为原点O，在天线口径D面上建立直角坐标系O
‑
xyz，其z轴与抛物面的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建由索杆结构支撑的星载网状反射面天线，所述的索杆结构包括上索网面(1)、下索网面(2)及用于连接上、下索网面的多个调节索(3)和记忆合金促动器(4)，则有：在所述反射面天线口径面的上索网面和下索网面上设有的节点为边界支撑节点(5)；在所述上索网面、下索网面上的节点为索网自由节点(6)；所述上索网面将所述反射面天线的金属反射表面分割成多个平面面片；进而根据索杆结构的拓扑关系，将索杆结构中两个相连节点之间的线段定义为线单元；步骤二、给定所述边界支撑节点的位置坐标，同时，给定所述线单元的力密度值，采用力密度法，建立所述线单元的力密度与所述索网自由节点之间的数理关系模型，进而得到组成所述索杆结构的所有节点的连接关系矩阵和索网自由节点坐标，同时，也得到了所述索杆结构支撑的反射表面的整体形状S；步骤三、根据地面所需覆盖区域，生成所述的星载网状反射面天线波束覆盖区域，根据Nyquist准则在波束赋形区域内采样，并标出采样点；步骤四、给定馈源入射波，依据步骤二得到的索杆结构支撑的反射表面的整体形状S，并计算当前反射表面的整体形状对应的波束赋形区域内采样点处的方向性系数；步骤五、以所述线单元的力密度值为设计变量，以极大化所述的采样点处的方向性系数的最小值为目标函数，建立机电集成的波束赋形设计的优化设计模型；步骤六、求解步骤五所述优化设计模型，直至其满足所述设计变量和目标函数的收敛条件，得到赋形后的索杆结构和索杆结构支撑的反射表面的整体形状S，以及索杆结构的力学状态；步骤七、在步骤六中确定的赋形后最终的索杆结构中，判断所有力密度值的正负：若为正值，则该力密度对应的线单元为调节索绳索结构，命名为索单元，否则，该力密度对应的线单元为由记忆合金促动器替代调节索形成的杆结构，命名为杆单元，完成所述星载网状反射面天线索杆结构模型。2.如权利要求1所述的基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：给定所述索杆结构边界支撑点位置坐标为X
f
、Y
f
和Z
f
，给定所述线单元的力密度值q
i
(i＝1,2,
…
,b)，q
i
取值为正值或负值，b为线单元的总个数，建立线单元的力密度与索杆结构上的索网自由节点坐标X、Y和Z之间的数理关系模型，具体为：其中，Q为线单元力密度q
i
组成的对角矩阵，C为索网自由节点的连接关系矩阵，C
f
为索杆结构边界支撑节点的连接关系矩阵，上标T表示矩阵的转置，C和C
f
可组成所述索杆结构的所有节点的连接关系矩阵C
all
，即为
C
all
＝[C C
f
]；设i1和i2第i个单元的的两端节点编号，且规定i1≤i2，则矩阵C
all
中的元素为以上步骤，可得到索杆结构自由节点坐标X、Y和Z,并根据索杆结构自由节点和边界支撑节点坐标，得到天线反射表面一系列平面面片的空间位置，最终得到反射表面的整体形状S。3.如权利要求1所述的基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：31)将地面所需覆盖的地图边界用经度和纬度表示；32)把经度和维度坐标值转换到地球直角坐标系；33)将地球直角坐标系下的坐标值，转换为所述星载网状反射面天线球坐标系下的坐标(θ,φ)；34)在覆盖区域边界之内和边界上进行采样，获得采样点的坐标值为(θ
p
,φ
p
),p＝1,2,...,N,N为采样点的总数；采样点的密度取决于所述星载网状反射面天线口径D，当天线口径D为有限口径，辐射场为远场时，由Nyquist准则可知，所述取样点间的经、纬度间隔为0～0.5λ/D，其中λ为波长；以上步骤，即得到所需覆盖的地图在星载网状反射面天线球坐标系下的采样点坐标值(θ
p
,φ
p
)。4.如权利要求3所述的基于记忆合金促动器的星载网状反射面天线波束赋形方法，其特征在于，所述取样点间的经、纬度间隔应为0.25λ/D，其中λ为波长。5.如权利要求1所述的基于记忆合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗亚雳，李帅鹏，史文璐，王晨曦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：