设置作动器的方法和对天线在轨反射面进行赋形重构及扫描的方法、系统与流程

1.本发明涉及卫星天线反射器技术领域，尤其涉及一种作动器的方法和对天线在轨反射面进行赋形重构及扫描的方法、系统。


背景技术：

2.在卫星通信系统中，当天线的形式与相对位置确定之后，其方向图就已经确定。增益与波束宽度是相互影响的，在满足高增益的条件下，其波束宽度会很窄，无法同时满足这两个条件。因此，波束扫描和重构成为了解决这一问题的主要方法。波束扫描，即令该天线阵列的波束指向在所需的角度范围内进行间断或者不间断地扫描，以此来达到宽覆盖的要求。目前，波束扫描方式大致分为两类：传统的机械扫描方式和电控扫描方式。
3.传统的机械扫描采用固定的天线反射面，通过一系列的机械传动机构来实现旋转天线或天线所处的平台，从而来使抛物面天线的波束指向发生改变，从而达到波束扫描的效果。抛物面天线有着诸多优势，从其结构来看，设计较为简单，容易加工实物；从工作频段来看，其频带较宽；从方向图来看，其旁瓣特性较好，这些优势使得该天线形式被广泛地应用于通信方面。但该类天线在扫描时需转动整个反射器和馈元系统，运动部分的重量重，转动惯量大，导致扫描精度低；另外，扫描速度慢，且机械地转动平台或整个天线系统容易引起故障及并由此造成单点失效，使得该天线具有一定的局限性。
4.电控扫描主要有相控阵列天线，即相位扫描天线，其基本原理为，通过改变天线单元处的相位值，来使天线阵列的波束形状和波束指向发生改变，其优势在于波束形状易于控制、波束扫描速度较快，波束性能稳定。但相控阵天线需要采用大量的t/r组件和移相器来实现波束扫描。t/r组件和移相器的价格非常昂贵，使得整副天线的价格也非常昂贵。此外，每一个t/r组件和移相器在工作时都需要一定的功率消耗，使得整副天线在工作时的功耗增大，效率降低。再者，t/r组件和移相器在工作时都会产生热，如何散发这些热以保证天线能一直正常工作也是现有技术的难点。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种通过作动器进行z向作动以调整反射面的几何型面进而改变波束扫描方向的在天线反射面设置作动器的方法和对天线在轨反射面进行赋形重构及扫描的方法、系统。
6.本发明公开了一种设置作动器的方法，用于天线反射面，包括如下步骤：在所述反射面上设定m个所述作动器的布置点，并设定n个用于评价所述布置点的评价点；为每一个所述布置点的所述作动器分别配置相同单位的作动力以进行反射面的形变仿真；所述形变仿真后的所有所述评价点的位移组成n
×
1列向量；m个所述作动器分别作动后所有所述评价点的位移组成n
×
m的矩阵m；所述矩阵m为影响系数，且m
×
f＝d，其中，f为m个所述作动器的作动力组成的m
×
1向量，d为评价点的位移；依据所述影响系数m，通过优化算法计算获取
m个所述作动器中的x个作为最优布置，所述最优布置包括作动器的数量和位置；并获取该x个所述作动器的作动力。
7.优选的，所述依据所述影响系数m，通过优化算法计算获取m个所述作动器中的x个作为最优布置，所述最优布置包括作动器的数量和位置；并获取该x个所述作动器的作动力包括：在m个所述作动器中选取x0个所述作动器，计算获取该x0个所述作动器作动后的d值，进而通过公式计算获取该x0个所述作动器的重构精度，其中b为所述反射面变形至目标型面时期望的评价点的z向位移；通过所述优化算法计算选取m个所述作动器中的x0个，使得所述扫描过程中所有角度下的最大的rms值，输出该rms为rms
max
；设定rms的边界值rms
l
，判断rms
max
是否小于等于rms
l
；若是，则输出x＝x0；若否，则取x0＝x0 1，再通过所述优化算法计算x0个rms
max
，直至rms
max
小于等于rms
l
，输出x＝x0。
8.优选的，所述设定rms的边界值rms
l
，判断rms
max
是否小于等于rms
l
；若是，则输出x＝x0还包括：若是，则取x0＝x
0-1，再通过所述优化算法计算x0个rms
max
；若rms
max
大于rms
l
，则输出x＝x0 1；若rms
max
小于等于rms
l
，则继续取x0＝x
0-1，直至取x0个所述作动器时rms
max
大于rms
l
而取x0 1个所述作动器时rms
max
小于等于rms
l
，输出x＝x0 1。
9.优选的，所述优化算法包括遗传算法、蚁狮算法、二次规划算法、模拟退火算法。
10.优选的，所述在所述反射面上设定m个所述作动器的布置点，并设定n个用于评价所述布置点的评价点包括：m个所述作动器的布置点均匀设置，n个所述评价点均匀设置。
11.优选的，所述在所述反射面上设定m个所述作动器的布置点，并设定n个用于评价所述布置点的评价点包括：m个所述布置点和n个所述评价点不重合。
12.本发明还公开了一种对天线在轨反射面进行赋形重构的方法，包括如下步骤：依据上述的设置作动器的方法，在所述天线反射面的背面设置若干个作动器，每个作动器对应作用一个反射子面所对应的作动点；每个所述作动器上下作动以改变所作用的所述作动点的z向位置，从而使反射面发生面外的弯曲变形和面内的拉伸；所述若干个作动器同时作动，以使得由所述反射子面组成的所述反射面发生形变成为一新的特定几何形状的反射面；从馈源发射出来的电磁波经过所述新的反射面后覆盖不同于原先区域的另一区域。
13.本发明还公开了一种对天线在轨反射面进行扫描的方法，基于上述的对天线在轨反射面进行赋形重构的方法，经过作动器的作动形成特定形状的反射面后，从馈源发射的波经变型后的反射面向预设方向反射电磁波，连续的改变反射面的形状，则经反射的电磁波方向随之改变，从而实现波束扫描。
14.本发明还公开了一种对天线在轨反射面进行赋形重构及扫描的系统，依据上述的在天线反射面设置作动器的方法在所述天线反射面的背面设置若干个作动器，每个作动器对应作用一个反射子面所对应的作动点；每个所述作动器上下作动以改变所作用的所述作动点的z向位置；所述若干个作动器同时作动，以使得由所述反射子面组成的所述反射面发生形变成为一新的特定几何形状的反射面；从馈源发射出来的电磁波经过所述新的反射面后覆盖不同于原先区域的另一区域；连续的改变反射面的形状，则经反射的电磁波方向随之改变，从而实现波束扫描。
15.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
16.1.本发明只需要借助所述反射面背面的作动器来调整反射面的型面几何，而不需要对天线整体结构进行角度调整，极大的减少了扫描时反射器在空间的位移、速度和加速度的变化，有利于卫星的姿态保持和控制；
17.2.本发明通过作动器的作动，使发射面的几何形状变形至目标型面，该目标型面对应特定的辐射区域。反射面在作动器作动下，可变形到多个目标型面，即可实现一个反射面反射的波束在不同的时间，覆盖不同的区域；且连续改变馈反射面的几何型面后，从馈源发射的波被转化成多个断续向预设方向进行发射的平面波，从而实现波束扫描。
18.3.由于仅仅借助作动器，而不用调整整个天线，使得驱动总功率小，驱动器总质量少，减少了发射载荷的质量；
19.4.本发明相对于现有技术，需要较少的机械传动机构，结构简单，重量减小的同时，可靠性提高，不易故障。
附图说明
20.图1为本发明提供的反射面对平面波进行反射的结构示意图；
21.图2为本发明提供的反射面角度不同于图1的反射面对平面波进行反射的结构示意图；
22.图3为本发明提供的对作动器数量进行优化的流程示意图；
23.图4为本发明提供的通过作动器的作动以改变反射面的几何型面的结构示意图；
24.图5为本发明提供的在反射面中均布作动器布置点的示意图；
25.图6为本发明提供的优化后的作动器布置示意图。
26.其中：1-反射面，2-作动器，3-馈源，4-平面波，5-底座。
具体实施方式
27.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
28.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
29.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
30.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所
示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
33.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
34.参见附图1-2，本发明的天线反射面1工作所遵循的基本物理原理是：从任何一个角度来的一个平面波4，如果此平面波4中的任何一根波线在反射面1碰到一个点以后能与其它所有波线同时到达馈源3，则这个反射面1完成了反射这个平面波4的功能。
35.由于平面波4中所有波线的传播速度和方向完全相同，则上述的基本物理原理可以转化为：一个平面波4波面的任何一根波线顺着波束方向到反射面1上所对应反射点的距离加上此反射点到馈源3的距离必须与其它所有的波线相同，即波程差为零。
36.而本发明则是通过改变反射面1的几何型面，使得从任何方向的入射波的每一根波线从波锋面到反射面1的距离加上从反射面1到馈源3的距离与其它任何一根波线都相等，也就是说此反射面1将整个平面波4聚焦到了馈源3。
37.反射面1的几何型面，可以直观的理解为，反射面1的凹凸形状，但需要说明的是，天线反射面1的面积较大，若分解为若干个小型面，小型面与小型面之间可能存在凹凸不同，但对于整个反射面1来说，始终都是“碗”状结构。而本发明改变的可能是某一个小型面，但也可能若干个小型面都被改变，此处并不限定。
38.另外需要说明的是，作动器2工作时使得反射面1发生z向上的位移改变，由于不同的反射面1材质的性能，将导致同一作动力可能发生不同的z向位移数值，但本发明并不对此进行限定，而是在对不同材料的反射面1进行仿真实验后进行的本发明的技术方案的设计。
39.本发明的一种对天线在轨反射面进行赋形重构的方法，首先在天线反射面1的背面设置若干个作动器2，天线反射面1可以看做是由若干个反射子面组成(当然，反射面1实际是一体式还是拼接式此处并不限制)，每个作动器2对应作用一个反射子面所对应的作动点；每个作动器2上下作动以改变所作用的反射子面的z向位置，从而使反射面发生面外的弯曲变形和面内的拉伸；若干个作动器2同时作动，以使得由反射子面组成的反射面1发生形变成为一新的特定几何形状的反射面1，参见附图2和附图4，即使由图1的反射面1经过作动器2的作动后所形成的具有另一几何型面的新的反射面1，不同方向的入射波经过新的反射面1可以聚焦到同一馈源3，从馈源3发射出来的若干波经过新的反射面1被反射成一个向预设方向进行发射的平面波4，该预设方向即为所期望的方向。
40.从馈源发射出来的电磁波经过新的反射面后覆盖不同于原先区域的另一区域，而通过计算作动器的作动量即可控制该另一区域为哪一特定区域。
41.在实际应用中，可以理解为，在原反射面1上，波是向地区一发射，而经过作动器2
的作动形成新的反射面1后，波将向地区二发射，整个过程无需整个天线进行角度调整，仅由作动器2即可实现，故，极大的减少了扫描时反射器在空间的位移、速度和加速度的变化，有利于卫星的姿态保持和控制；且由于仅仅借助作动器2，而不用调整整个天线，使得驱动总功率小，驱动器总质量少，减少了发射载荷的质量。
42.另外如果连续改变波束的发射方向便实现了波束的扫描。故依据上述的重构方法还可以将一个从馈源3发射出来的波经变型后的反射面1向预设方向反射电磁波，连续的改变反射面1的形状，则经反射的电磁波方向随之改变，从而实现波束扫描。
43.即本发明公开的一种对天线在轨反射面进行扫描的方法，基于上述的对天线在轨反射面进行赋形重构的方法，连续改变反射面的几何型面，从而连续地发射在一定角度范围内不同预设角度的波束，从而实现波束扫描。
44.另一可选的，反射面和馈源之间还可以增加一个副反射面，此副反射面的出现不但可以增强天线的扫描和几何重构能力，而且可以有效的减少每一个作动器的位移和作动力，使得重构更容易实现。
45.而上述的重构方法，都需要基于在天线反射面1设置作动器2，作动器2的数量越多，原则上将实现更佳精确、更佳灵活的几何重构，但是由于实际应用中，需要严格控制天线整体的质量，故需要减少作动器2的数量，本发明公开的一种在天线反射面1设置作动器2的方法，即是为了在保证几何重构的精度要求的前提下，尽量少的设置作动器2，故需要对作动器2的数量和位置进行优化设计。
46.首先在反射面1上均布上所有可配置作动器2的m个位置点以及用于评估反射面1重构精度的n个位置点。
47.再通过仿真软件分别对在每一个作动器2位置点施加单位力后的反射面1变形进行仿真，在第i个作动器2作动下的仿真结果中，拾取第j评估点的位移为a
ji
，所有n个位移组成一个n
×
1列向量[a
1i
,a
2i
,...,a
ni
]
t
，将m个作动器2的分别作动下的评估点位移组成一个n
×
m的矩阵m，m为影响系数矩阵：且m
×
f＝d，其中f为作动器2的作动力，体现为作动器2的输出力组成的m
×
1向量，d为评价点的位移，体现为评估点的位移组成的n
×
1向量。
[0048]
接着利用影响系数矩阵m，通过优化算法计算获取m个作动器2中的x个作为最优布置，最优布置包括作动器2的数量和位置，并同时获取该x个作动器2的作动力。
[0049]
具体的，参见附图3，在m个作动器2中选取期望的x0个作动器2，使反射面1变形至目标型面的误差最小，误差rms采用均方根误差进行评价，其中，b为该x0个作动器2作动后反射面1的z向形变位移值，b为反射面1变形至目标型面时期望的评价点的z向位移值。通过优化算法计算所选取的x0个作动器2，在所有扫描角度下的最大的rms值，输出该rms为rms
max
；设定rms的边界值rms
l
，判断rms
max
是否小于等于rms
l
；若是，则输
出x＝x0；若否，则赋值x0＝x0 1，再通过优化算法计算x0个rms
max
，直至rms
max
小于等于rms
l
，输出x＝x0。
[0050]
可以理解为，首先通过优化算法计算获取x0个作动器2的反射面1在所有扫描角度下的最大的rms值，判断该最大值是满足精度要求，即小于等于边界值rms
l
，若最大的rms值都小于等于边界值rms
l
，则认为该数量满足所有扫描角度都满足精度要求。若该最大的rms值不满足精度要求，则增加一个作动器2，继续计算，直到最大的rms值小于等于边界值rms
l
。
[0051]
需要说明的是，每次选取的x0个作动器2，其位置不同，所产生的形变效果也不同，故在优化时，对于同一数量，还需要将该数量的所有布置位置考虑进计算过程，即上述的x0个作动器2既代表了数量，还代表了该数量下的若干个不同组合位置。所以最后优化得出的结果才是作动器的数量和该数量的作动器2的具体布置位置。
[0052]
另外，作为一可选的，当x0个作动器2下，最大的rms值小于等于边界值rms
l
，则取x0＝x
0-1，再通过优化算法计算x0个rms
max
；若rms
max
大于rms
l
，则输出x＝x0 1；若rms
max
小于等于rms
l
，则继续取x0＝x
0-1，直至取x0个作动器2时rms
max
大于rms
l
而取x0 1个作动器2时rms
max
小于等于rms
l
，输出x＝x0 1。
[0053]
可以理解为，若第一次选值x0就满足精度要求，则不排除x
0-1个作动器2也满足精度要求，故为了保证作动器2的数量最少，在此种情况下，需要从新选取x0，即赋值x0＝x
0-1，继续进行精度计算。
[0054]
较佳的，优化算法包括但不限于遗传算法、蚁狮算法、二次规划算法、模拟退火算法。
[0055]
较佳的，在反射面1上设定的m个作动器2的布置点需要均匀设置，n个评价点也需要均匀设置，以保证所有可被选用的布置点都不被遗漏。
[0056]
由于布置点与评价点重合后该点将失去评价意义，故较佳的m个布置点和n个评价点需要不重合，以减小计算量。
[0057]
较佳的，分别对不同材质的、不同厚度的反射面1进行形变仿真以获取矩阵m。
[0058]
下面提供一具体实施例，天线反射面1为口径为d＝1m，焦距为f＝2.1m的抛物反射面1，初始型面为正馈型面，初始波束角度与抛物面中心线平行。在反射面1底部设置了直线作动器2，在作动器2的驱动下，使反射面1变形至对应波束扫描角度的偏馈型面，参见附图4。其中各作动器2与反射面1连接点的坐标为(x，y，z)，若要调整波束扫描角度，则控制作动器2的输出位移，使反射面1几何调整到与扫描角度相对应的几何型面。通过不断的调整反射面1的几何就可以不断的进行波束扫描。
[0059]
为确定作动器2的配置(数量和位置)，首先在反射面xy平面的投影区域内均匀分布69个作动器2位置点编号为1-69，参见附图5，在该区域内均布设置995个精度评价点，且使精度评价点与作动器2位置点不重合。本实施例找中的型面重构精度的要求为rms＜0.5mm。
[0060]
通过有限元分析在每一个作动器2单位力作用下的反射面1变形，并得到评价点的位移，从而得到由由评价点位移向量组成的995
×
69影响系数矩阵m。
[0061]
接着建立优化布局的数学模型：其中，λj为第j个作动器2是否配置作动器2，0为否，1为是；n为可能配置作动器2的总数，m为要求配置作动器2的总数。
[0062]
再采用遗传算法(ga)进行优化。同时在优化布局中，同时可以优化作动器2的输出力使rms最小。
[0063]
其中的优化逻辑为：目标型面上对应精度评价点的坐标为b∈rn×1,作动器2的输出力f∈rm×1，m
×
f＝d，则若要使得rms最小，即求(d-b)2最小。而(d-b)2＝|(mf)-b2|＝((mf)-b)
t
((mf)-b)＝f
tmt
mf-2b
t
mf b
t
b，取q＝-2b
t
m,依次采用优化算法进行优化。
[0064]
在本实施中，采用matlab软件中优化算法的ga函数和二次规划算法quadprog函数进行优化。
[0065]
设置作动器2数量初值x0为16个，优化后的rms＝0.6mm，不满足精度要求，所以增加x的值，直至当x＝21时，rms＝0.458mm，满足精度要求，优化后的作动器2配置参见附图6。
[0066]
本发明还公开了一种对天线在轨反射面进行赋形重构及扫描的系统，天线反射面1依据上述的在天线反射面1设置作动器2的方法，在背面设置有若干个作动器2，作动器2一端与底座5连接，另一端连接反射面1；每个作动器2对应作用一个反射子面所对应的作动点，每个作动器2上下作动以改变所作用的作动点的z向位置。若干个作动器2同时作动，以使得所作用的反射面1发生形变成为一新的反射面1。不同方向的入射波经过新的反射面1可以聚焦到同一馈源3，从馈源3发射出来的若干波经过新的反射面1被反射成一个向预设方向进行发射的平面波4。连续改变馈源3发射波束的角度，经过新的反射面1后，从馈源3发射的波被转化成多个同时向预设方向进行发射的平面波4，从而实现波束扫描。
[0067]
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。