[發明專利]基于粒子群優化算法的多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法

有效

• 申請號: 201710657351.3
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107294589B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 楊明川;周赫;張宇萌;張淑靜;馬晨;邵欣業
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/08;H04B7/185;G06N3/12
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

基于粒子群優化算法的多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法，本發明涉及多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法。本發明為了解決利用傳統粒子群優化算法進行星載波束賦形時面臨的收斂速度慢以及容易陷入局部優解的問題。為了彌補低軌衛星遠近效應所帶來的路徑損耗，需要設計特殊形狀的波束。本發明采用啟發式算法粒子群優化算法，通過將陣元幅值和相位的求解模擬為自然界中鳥群對食物的搜索過程。設定初始種群數，粒子數目以及迭代次數最終得到優良的平頂波束和余割平方波束。滿足等通量覆蓋的要求。本發明在迭代300次左右就已經收斂到最優解，而傳統算法需要超過500次才會達到收斂。本發明用于衛星通訊領域。

技術領域

本發明涉及多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法。

背景技術

在現如今的衛星通信系統中，低軌衛星具有路徑損耗低，傳播時延小等其他軌道衛星不具備的特殊優勢。對于GEO衛星和MEO衛星，衛星波束覆蓋區域的張角很小，星下點到波束覆蓋邊緣的自由空間路徑算好差異可忽略不計，但對于低軌衛星而言其路徑損耗差異不能忽略。為了保證衛星覆蓋區域內的終端用戶無論處在波束中心或者波束邊緣，都可以相同的服務質量。需要采用多波束衛星對覆蓋區域進行不同程度的波束覆蓋，并且對覆蓋波束進行波束賦形，以滿足衛星波束可以對星下區域進行“等通量覆蓋”。

為了實現衛星的等通量覆蓋，需要對波束進行特殊形狀的設計，以保證波束增益可以對路徑損耗進行修復，最終在地面區域實現等輻射增益的覆蓋。基于此，提出了改進的粒子群優化算法的波束賦形設計方案，最終結果表明，改進的粒子群算法進行的陣列天線方向圖綜合可以達到預期的標準。

粒子群優化算法是一種基于種群的智能算法，種群中的每個成員為一個粒子。代表著一個潛在的可行解，而目標的位置被認為時全局最優解。群體在M緯度空間上搜索全局最優解，并且每個粒子都有一個適應函數值和速度來調整它自身的飛行方向以保證向目標的位置飛行。在飛行過程中，群體中所有的粒子都具有記憶的能力，能對自身的位置和自身經歷過的最佳位置進行判斷和調整。為了接近目標位置這個最終目的，每個粒子通過不斷地向自身經歷過的最佳位置和種群中最好的粒子位置學習，通過調整自己的速度和位置，最終接近目標位置。

粒子群算法相比于傳統綜合算法，以其簡單，高效，面對多目標，非線性綜合的優異表現而逐漸獲得更多關注，其在天線綜合，目標求解，結構設計等多領域獲得廣泛的應用。

但粒子群優化算法也有其固定的缺點：

(1)傳統粒子群算法容易陷入局部最優解；

(2)當采用固定的權重和學習因子時，算法的優化時間過長，迭代次數過多，不適宜在要求低復雜度的衛星上進行應用；

所以，將粒子群優化算法應用到低軌衛星進行設計時，需要解決以下問題：

(1)要有跳出局部最優解的機制以保證手鏈結果為全局最優解；

(2)需要設計學習因子以及權重的值，保證算法可以再開始時進行大尺度搜所來靠近最優解，在算法后期進行小尺度搜所來尋求最優解值。

發明內容

本發明的目的是為了解決利用傳統粒子群優化算法進行星載波束賦形時面臨的收斂速度慢以及容易陷入局部優解的問題，而提出基于粒子群優化算法的多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法。

基于粒子群優化算法的多波束衛星陣列天線方向圖綜合方法包括以下步驟：

步驟1、針對N個陣元的直線排布相控陣天線，將陣元幅值向量w和相位值向量p進行初始化；

步驟2、計算種群中每個粒子幅度和相位的位置和速度；