本發明涉及星載天線領域，特別是一種基于改進粒子群算法的固面可展開天線極限包絡設計方法。

背景技術：

1、隨著人類對宇宙空間奧秘的深入探索，對超大型、高精度的衛星、空間站的發展越發迫切和需要。而星載天線作為接收信號的載體，在無線通信、深空探測、衛星遙感和射電天文等領域起著至關重要的作用。

2、受限于運載工具的空間限制，大口徑空間天線通常采用地面收攏發射入軌后展開的工作模式，因此空間天線通常設計為可展開結構。相比于網狀反射面天線和薄膜反射面天線，固體反射面天線具有更高的型面精度，可以更好地滿足空間探測、微波遙感等領域對天線高精度和寬頻帶的性能要求。如圖2所示，固面可展開天線主要由饋源系統、反射器面板、驅動及傳動組件、支撐及連接組件等部分組成。天線通過支撐及連接組件安裝于星體上，并以收攏態形式儲藏于運載火箭中，衛星發射入軌后，反射器面板在驅動及傳動組件的作動下展開至服役姿態，與饋源系統配合實現預定服役效能。然而，大口徑固面可展開天線的相關研究較少，特別是制約其應用的收納問題亟需開展研究，為固面可展開天線提供技術儲備。

技術實現思路

1、本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于改進粒子群算法的固面可展開天線極限包絡設計方法，實現固面可展開天線的結構參數設計和極限收納性能評估，解決固面可展開天線收納比提升問題。

2、本發明的技術解決方案是：一種基于改進粒子群算法的固面可展開天線極限包絡設計方法，包括如下步驟：

3、s1、將涉及天線收納包絡性能的多個指標，利用層次分析法根據任務需求進行權重規劃，構建單目標優化模型，得到固面可展開天線極限包絡的全局優化目標；

4、s2、建立優化模型約束條件，包括展開態幾何型面約束、收攏態包絡型面約束、剛體約束、單自由度折展約束、無干涉約束和結構參數邊界約束；

5、s3、根據天線設計要求，確定優化模型中待求解的結構參數；

6、s4、對結構參數進行初始化，根據結構參數的數量確定粒子群的維度和規模，對每個粒子群的參數進行初始化；

7、s5、根據全局優化目標，計算各粒子群在初始參數下的適應度，對粒子速度及空間位置進行更新；更新過程中，慣性系數為非固定值；

8、s6、對超出邊界條件的粒子的速度及空間位置進行校正；

9、s7、根據粒子當前位置所對應的結構參數，構建天線折展過程運動學模型，通過運動學分析判斷是否滿足建立的約束條件，當滿足約束條件時執行s8；

10、s8、更新粒子群最優解和全局最優解；

11、s9、重復s5～s8，直到達到設定的迭代條件，最終獲得的全局最優解，即為滿足固面可展開天線極限包絡所對應的結構參數。

12、進一步，步驟s1中，所述指標為收納直徑dmax、收納高度hmax和收納體積vmax，構建單目標優化模型為：

13、min:ζ(u)＝α1dmax+α2hmax+α3vmax

14、式中，參數[α1，α2，α3]為利用層次分析法確定的收納直徑dmax、收納高度hmax和收納體積vmax的權重向量，具體數據需要根據實際任務指標要求進行選取；u為待求解的結構參數，ζ()代表天線收攏率。

15、進一步，步驟s2中，約束條件的具體形式為：

16、s.t.:gd(xd?yd?zd)＝0

17、gf(xf?yf?zf)≤0

18、δ＝0

19、dof＝1

20、dmin≥d0

21、umin≤u≤umax

22、式中，gd為展開態天線型面函數，xd、yd、zd為展開態面板坐標，通過設置gd＝0表示展開態型面滿足展開態幾何型面約束；

23、gf為收攏態包絡型面函數，xf、yf、zf為收攏態面板坐標，通過設置gf≤0表示收攏態型面滿足收攏態包絡型面約束；

24、δ表示天線面板變形，通過設置δ＝0表示天線面板無變形，滿足剛體約束；

25、dof表示天線折展自由度，通過設置dof＝1表示天線折展過程僅有一個自由度，滿足單自由度約束；

26、dmin表示天線運動過程中天線相鄰面板間的最小距離，d0為設置距離閾值，通過設置dmin≥d0表示天線折展過程中相鄰面板間距離始終大于距離閾值，滿足無干涉約束；

27、umax和umin表示帶求解結構參數的上限和下限，通過設置umin≤u≤umax表示天線結構參數始終處于設計區間，滿足結構參數邊界約束。

28、進一步，步驟s3中，結構參數u包括展開態直徑da，中心面板直徑di，焦距f，花瓣數量n，驅動傳動桿件結構參數l，反射器面板及背架構件結構參數b，饋源組件結構參數f。

29、進一步，步驟s4中，每個粒子群的參數進行初始化時，各粒子群初始位置及初始速度在約束范圍內以隨機形式賦值。

30、進一步，步驟s5中，對粒子速度及空間位置進行更新，具體方式為：

31、vi(k+1)＝wvi(k)+c1r1(pbest,i(k)-si(k))+c2r2(gbest(k)-si(k))

32、si(k+1)＝si(k)+vi(k+1)

33、式中，v為粒子移動速度；s為粒子的空間位置；k為迭代次數；w為慣性系數；c1,c2為加速系數；r1,r2為隨機數；pbest,i為粒子群最優解；gbest為全局最優解；

34、其中，慣性系數為非固定值，按如下公式參與迭代計算：

35、

36、式中，wmax為最大慣性系數；wmin為最小慣性系數；n為最大迭代次數。

37、進一步，步驟s8中，更新粒子群最優解和全局最優解，具體方式為：

38、pbest,i(k+1)＝min(pbest,i(k),si(k+1))

39、gbest(k+1)＝min(pbest,i(k+1))i＝1.2....

40、式中，i為粒子群數量，具體數值綜合考慮計算精度及平臺算力選取。

41、本發明還提供一種基于改進粒子群算法的固面可展開天線極限包絡設計系統，包括：

42、主控模塊，用于執行s1：將涉及天線收納包絡性能的多個指標，利用層次分析法根據任務需求進行權重規劃，構建單目標優化模型，得到固面可展開天線極限包絡的全局優化目標；s2：建立優化模型約束條件，包括展開態幾何型面約束、收攏態包絡型面約束、剛體約束、單自由度折展約束、無干涉約束和結構參數邊界約束；s3：根據天線設計要求，確定優化模型中待求解的結構參數；步驟s3執行結束后，調用粒子群優化模塊；根據粒子群優化模塊的反饋，執行s9：重復s5～s8，直到達到設定的迭代條件，最終獲得的全局最優解，即為滿足固面可展開天線極限包絡所對應的結構參數，直到結束；

43、粒子群優化模塊，用于執行s4：對結構參數進行初始化，根據結構參數的數量確定粒子群的維度和規模，對每個粒子群的參數進行初始化；s5：根據全局優化目標，計算各粒子群在初始參數下的適應度，對粒子速度及空間位置進行更新，更新過程中，慣性系數為非固定值；s6：對超出邊界條件的粒子的速度及空間位置進行校正；步驟s6執行結束后，調用運動學模塊；根據運動學模塊的反饋，執行s8：更新粒子群最優解和全局最優解；步驟s8結束后，返回主控模塊；

44、運動學模塊，用于執行s7：根據粒子當前位置所對應的結構參數，構建天線折展過程運動學模型，通過運動學分析判斷是否滿足建立的約束條件，當滿足約束條件時執行s8；步驟s7執行結束后，返回粒子群優化模塊。

45、進一步，主控模塊和粒子群優化模塊，基于python平臺實現，采用多線程并行計算，實現多組粒子的并行運動；運動學模塊，基于adams平臺實現，完成運動學分析。

46、本發明還提供一種計算機程序產品，所述計算機程序產品被處理器執行時實現如前任一項所述方法的步驟。

47、本發明與現有技術相比的優點在于：

48、1)本發明提出了一種基于改進粒子群算法的固面可展開天線極限包絡設計方法，可以實現天線極限收納性能評估與結構參數設計。

49、2)本發明提出了一種跨平臺多線程尋優算法架構，可以解決極限包絡計算過程中串行計算效率低的問題。