天线的设计方法、装置和天线与流程

本发明涉及通信技术应用领域，具体而言，涉及一种天线的设计方法、装置和天线。

背景技术：

随着通信技术的发展，天线的种类，规格也随着通信业务，或，通信任务的不同而变化，其中，以空间网状的天线在航天通信上的使用尤为广泛。

如图1所示，图1是空间可展开网状反射面天线示意图，空间可展开网状反射面天线主要由轻质量的支撑桁架、索网结构以及金属丝网三部分组成。支撑桁架为可展开结构，发射阶段收拢在一起，以减少占用体积，发射到预定轨道之后展开，对索网结构形成外部支撑。索网结构又可以分为三部分，包括：前索网、背索网和张力阵(竖向索)。前后索网通过竖向的张力阵形成张紧结构，通过适当的设计和调整，使得前索网形成抛物面形状。金属丝网由抛物面形状的前索网进行承载，形成天线反射面，对电磁波起到反射传输作用。索网结构是连接桁架结构以及支撑金属丝网反射面的重要桥梁。桁架结构为索网结构形成规则曲面提供了支撑作用，而为了使索网结构具有一定的刚度以持续保持规则曲面则需要给每个索段施加一定的张力，这个过程称为找形或者张力设计。

其中，网状反射面天线的索网结构设计包括索网集合坐标设计和索网张力设计两部分，有许多现有方法可以实现，如：纯粹索网几何坐标设计的八步法、测地线索网设计方法；纯粹索网张力设计的非线性有限元法、遗传算法、逆迭代算法、极小二范数法、动力松弛法、两步法；以及索网张力与几何坐标同时设计的力密度法等。

然而在现实生产制造中，空间可展开网状反射面天线总会存在诸多不确定性因素，如尺寸、角度、间隙等尺度误差；材料参数的误差；索网张力施加的误差；以及空间环境下的热载荷引起的误差等。上述误差最终总会转换为索网结构的不确定性，变为天线综合性能的不确定性。考虑这样一些不确定性因素的索网结构称为不确定性索网。如何在诸多不确定性因素的情况下仍能保持空间结构性能的稳健可靠，也就显得尤为重要。

但是现有的索网设计方法均为理想状态下对索网结构的设计缺乏各个因素对天线性能的影响的考虑，从而导致天线性能降低。

针对上述由于相关技术中在索网天线设计过程中存在的设计缺陷，导致天线性能降低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种天线的设计方法、装置和天线，以解决由于相关技术中在索网天线设计过程中存在的设计缺陷，导致天线性能降低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种天线的设计方法，包括：依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断索段长度是否满足预设条件；在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线。

可选的，预先获取的天线设计初始值集合包括：索网初始形态、不确定参数的区间、最大允许索长以及计算参数。

进一步地，可选的，索网初始形态为索网的初始节点坐标与索网拓扑连接关系。

进一步地，可选的，不确定参数的区间包括：索段放样长度的不确定性区间、横截面积不确定性区间、弹性模量不确定性区间、热膨胀系数的不确定性区间、空间环境温差的不确定性区间、以及张力测量的不确定性区间。

进一步地，可选的，计算参数包括：迭代步数、收敛误差和张力均值。

可选的，判断索段长度是否满足预设条件包括：筛选每个天线索网节点之间的索段长度，得到最大索长；判断最大索长是否小于或等于最大允许索长；其中，索段长度计算如下：

每个天线索网节点之间的索段长度包括：

l(k)＝[l(k,1,2),l(k,1,3),…,l(k,2,3),l(k,2,4),…,l(k,n-1,n)]；其中，l(k,i,j)表示第k组索段长度中，第i、j两个节点之间索段的长度；n表示索网的节点总数；最大允许索长包括lm；判断最大索长是否小于或等于最大允许索长包括：max(l(k))≤lm；其中，max(l(k))为l(k)中的最大索长。

可选的，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度包括：依据力密度值和索段长度之间的数学关系，得到张力；依据张力进行计算，得到弹性变形不确定性值和热变形不确定性值；依据张力、弹性变形不确定性值和热变形不确定性值的和，得到张力的不确定性值；依据张力的不确定性值和索段长度进行计算，得到区间力密度；其中，张力包括：f(k)＝q(k)*l(k)；q(k)为力密度值，l(k)为索段长度；弹性变形不确定性值和热变形不确定性值包括：

δfe(k)＝((f(k)*(l(k)+δl)-e*a*δl)/(e*a*(l(k)+δl)+f(k)*δl)*(e+δe)*(a+δa)；

δft(k)＝(e+δe)*(a+δa)*(α+δα)*δt；δfe(k)为弹性变形不确定性值，δft(k)为热变形不确定性值；

张力的不确定性值包括：

δfz(k)＝f(k)+δfe(k)+δft(k)；δfz(k)为张力的不确定性值；

区间力密度包括：

qi(k)＝δfz(k)/l(k)；qi(k)为区间力密度。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种天线的设计装置，包括：第一计算模块，用于依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断模块，用于判断索段长度是否满足预设条件；第二计算模块，用于在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；第三计算模块，用于依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；天线设计模块，用于依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线。

根据本发明实施例的又一个方面，提供了一种天线，包括：通过上述天线的设计方法进行生产，得到的天线。

根据本发明实施例的再一个方面，提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述天线的设计方法。

根据本发明实施例的再一个方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述天线的设计方法。

在本发明实施例中，通过依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断索段长度是否满足预设条件；在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线，即，本申请中通过在设计之初同时考虑不确定性因素的影响，从而保证天线索网形面精度在用户可接受的范围，有效降低不确定性因素的影响，进而达到了填补天线设计缺陷的目的，从而实现了提升天线性能的技术效果，进而解决了由于相关技术中在索网天线设计过程中存在的设计缺陷，导致天线性能降低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是空间可展开网状反射面天线示意图；

图2是根据本发明实施例的天线的设计方法的流程示意图；

图3是根据本发明实施例的一种天线的设计方法的流程示意图；

图4是根据本发明实施例的索网各个部位示意图；

图5a是根据本发明实施例的一种索网初始形态的示意图；

图5b是根据本发明实施例的一种索网设计结果的示意图；

图6a是根据本发明实施例的另一种索网初始形态的示意图；

图6b是根据本发明实施例的另一种索网设计结果的示意图；

图7a是根据本发明实施例的又一种索网初始形态的示意图；

图7b是根据本发明实施例的又一种索网设计结果的示意图；

图8是根据本发明实施例的天线的设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种天线的设计方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图2是根据本发明实施例的天线的设计方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤s202，依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；

步骤s204，判断索段长度是否满足预设条件；

步骤s206，在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；

步骤s208，依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；

步骤s210，依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线。

在本发明实施例中，通过依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断索段长度是否满足预设条件；在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线，即，本申请中通过在设计之初同时考虑不确定性因素的影响，从而保证天线索网形面精度在用户可接受的范围，有效降低不确定性因素的影响，进而达到了填补天线设计缺陷的目的，从而实现了提升天线性能的技术效果，进而解决了由于相关技术中在索网天线设计过程中存在的设计缺陷，导致天线性能降低的技术问题。

可选的，预先获取的天线设计初始值集合包括：索网初始形态、不确定参数的区间、最大允许索长以及计算参数。

进一步地，可选的，索网初始形态为索网的初始节点坐标与索网拓扑连接关系。

进一步地，可选的，不确定参数的区间包括：索段放样长度的不确定性区间、横截面积不确定性区间、弹性模量不确定性区间、热膨胀系数的不确定性区间、空间环境温差的不确定性区间、以及张力测量的不确定性区间。

进一步地，可选的，计算参数包括：迭代步数、收敛误差和张力均值。

可选的，步骤s204中判断索段长度是否满足预设条件包括：

步骤2041，筛选每个天线索网节点之间的索段长度，得到最大索长；

步骤2042，判断最大索长是否小于或等于最大允许索长；；其中，索段长度计算如下：

每个天线索网节点之间的索段长度包括：

l(k)＝[l(k,1,2),l(k,1,3),…,l(k,2,3),l(k,2,4),…,l(k,n-1,n)]；其中，l(k,i,j)表示第k组索段长度中，第i、j两个节点之间索段的长度；n表示索网的节点总数；最大允许索长包括lm；判断最大索长是否小于或等于最大允许索长包括：max(l(k))≤lm；其中，max(l(k))为l(k)中的最大索长。

可选的，步骤s206中依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度包括：

步骤2061，依据力密度值和索段长度之间的数学关系，得到张力；

步骤2062，依据张力进行计算，得到弹性变形不确定性值和热变形不确定性值；

步骤2063，依据张力、弹性变形不确定性值和热变形不确定性值的和，得到张力的不确定性值；

步骤2064，依据张力的不确定性值和索段长度进行计算，得到区间力密度；

其中，张力包括：f(k)＝q(k)*l(k)；q(k)为力密度值，l(k)为索段长度；弹性变形不确定性值和热变形不确定性值包括：

δfe(k)＝((f(k)*(l(k)+δl)-e*a*δl)/(e*a*(l(k)+δl)+f(k)*δl)*(e+δe)*(a+δa)；

δft(k)＝(e+δe)*(a+δa)*(α+δα)*δt；δfe(k)为弹性变形不确定性值，δft(k)为热变形不确定性值；

张力的不确定性值包括：

δfz(k)＝f(k)+δfe(k)+δft(k)；δfz(k)为张力的不确定性值；

区间力密度包括：

qi(k)＝δfz(k)/l(k)；qi(k)为区间力密度。

综上，如图3所示，本申请所述的天线的设计方法可分为以下几个步骤：

步骤1：给定索网初始形态、不确定参数的区间、最大允许索长以及设置计算参数(即，对应本申请中的步骤s202中的依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，本申请中预先获取的天线设计初始值集合包括：索网初始形态、不确定参数的区间、最大允许索长以及计算参数)；

索网初始形态指索网的初始节点坐标与索网拓扑连接关系。不确定参数指：索段放样长度的不确定性δl＝[δld,δlu]，横截面积不确定性δa＝[δad,δau]，弹性模量不确定性δe＝[δed,δeu]，热膨胀系数的不确定性δα＝[δαd,δαu]，空间环境温差的不确定性δt＝[δtd,δtu]，以及张力测量的不确定性δf＝[δfd,δfu]。其中，[]中的两个参数值分别表示对应不确定性参数所在区间的下限和上限。最大允许索长表示为lm。计算参数设置包括：将迭代步数k设置为0，给定收敛误差ε，给定的张力均值f0。

步骤2：生成一组新的力密度值；

第k组力密度的值q(k)由如下方式进行计算：

当k＝0时，q(k)＝1；

当k＞0时，q(k)＝f0*l(k-1)^-1。其中，l(k-1)为第k-1组索段的长度，具体计算由步骤3给出。

步骤3：计算索网节点x、y、z坐标，以及索段长度l(k)；

索网节点x、y、z坐标如下进行计算：

x坐标：x(k)＝-(ct*q(k)*c)^-1*ct*q(k)*cf*xf；

y坐标：y(k)＝-(ct*q(k)*c)^-1*ct*q(k)*cf*yf；

z坐标：z(k)＝-(ct*q(k)*c)^-1*ct*q(k)*cf*zf；

其中，c表示两个节点之间的连接关系矩阵，矩阵元素取值为1或者0，1表示两个节点之间有索段相连，0表示节点没有相连。ct表示矩阵c的转秩。cf表示边界节点之间的连接关系矩阵，矩阵元素取值方式与c一致。xf、yf、zf表示边界节点的坐标。(索网各部分示意图，如图4所示)

每个索段长度如下进行计算：

l(k)＝[l(k,1,2),l(k,1,3),…,l(k,2,3),l(k,2,4),…,l(k,n-1,n)]；

其中，l(k,i,j)表示第k组索段长度中，第i、j两个节点之间索段的长度。n表示索网的节点总数。

步骤4：判断索段长度是否小于或大于最大允许索长；

找出l(k)中的最大索长max(l(k))，并与最大允许索长相比较，判断准则为：max(l(k))≤lm；

若满足，跳转步骤5；否则k＝k+1，跳转步骤2。

这里步骤2至4对应本申请中步骤s202和步骤s204，以及步骤s204中的步骤s2041和步骤s2042。

步骤5：计算张力不确定性和区间力密度；

计算当前张力f(k)：f(k)＝q(k)*l(k)；

计算当前张力不确定性：

弹性变形不确定性：δfe(k)＝((f(k)*(l(k)+δl)-e*a*δl)/(e*a*(l(k)+δl)+f(k)*δl)*(e+δe)*(a+δa)；

热变形不确定性：δft(k)＝(e+δe)*(a+δa)*(α+δα)*δt；

总张力不确定性：δfz(k)＝f(k)+δfe(k)+δft(k)；

计算区间力密度：qi(k)＝δfz(k)/l(k)。

这里步骤5和步骤6对应本申请上述步骤s206以及步骤s206中的步骤s2061至步骤s2064.

步骤6：计算索网节点位置区间；

索网节点位置区间如下进行计算：

x坐标区间：xi(k)＝-(ct*qi(k)*c)^-1*ct*qi(k)*cf*xf；

y坐标区间：yi(k)＝-(ct*qi(k)*c)^-1*ct*qi(k)*cf*yf；

z坐标区间：zi(k)＝-(ct*qi(k)*c)^-1*ct*qi(k)*cf*zf。

步骤7：计算索网形面精度；

索网形面精度如下进行计算：

步骤8：判断是否满足收敛条件；

收敛条件判断准则如下：

当k＝0时，rmsi(k)＜ε；

当k＞0时，|(rmsi(k)-rmsi(k-1))|＜ε。

若满足，跳转步骤9；否则k＝k+1，跳转步骤2。

步骤9：得到节点坐标和索网张力。

步骤3得到的索网节点坐标x(k)、f(k)、z(k)和步骤5得到的索网张力f(k)即为索网设计最终的结果。

这里步骤6至步骤9对应本申请上述步骤s208依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度。

下面结合附图仿真实例对本申请做进一步说明。

1、仿真条件：

索网的初始形态分别如图5a、图6a和图7a所示，索网的各项不确定性参数如表1所示。给定最大允许索长：lm＝1米，收敛误差：ε＝0.0000001。

表1为索网结构的不确定参数

2、仿真结果：

通过本申请不确定性索网的区间力密度设计方法，针对图5a、图6a和图7a所示的三种索网初始形态，分别得到图5b、图6b和图7b所示的三种优化索网。设计前后的形面精度结果如表2所示：

表2为区间力密度优化结果

3、结果说明：

三个示例索网的主要变化是在索网内部，靠近边界的地方略微向内凹陷，而靠近中间的地方略微向外凸出。这样的设计并非随意，而是由本申请的方法优化而得，并且由内部每个节点坐标协调优化而得到的效果。

通过本申请，结果均有一定的提升。其中示例1中，由于索网较为简单，索网精度在不确定性情况下的提升量为12.36％。相对而言，示例2中的索网更为复杂，索网的内部节点也更多，因此通过本申请的设计，索网精度在不确定性情况下的提升量达到21.33％；示例3中的索网的提升量则达到了28.82％。

由此可见，本申请充分考虑了不确定性因素对索网的影响，并且较好地提升了索网的形面精度。

本申请的有益效果是有效降低在轨运行过程中各种不确定性因素对天线性能的影响，换句话说，就是提高了网状反射面天线的稳定性和可靠性。

在上述技术步骤的5至8中，引入了各种不确定性的影响，并且将不确定性的影响结果反作用于步骤2力密度的生成，进一步通过步骤3和步骤5得到改善的索网设计结果，通过不断的迭代最终得到最优索网设计。

由上可知，本申请提供的天线的设计方法可以适用于设计的索网结构可用于通信卫星的可展开网状反射面天线；或，适用于属于可展开网状反射面天线中机械结构部分的反射面模块；或，用于空间通信卫星；或，主要用于航天通信系统。本申请中以实现天线的设计方法为准，具体不做限定。

实施例2

图8是根据本发明实施例的天线的设计装置的结构示意图，如图8所示，该装置包括：

第一计算模块81，用于依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断模块82，用于判断索段长度是否满足预设条件；第二计算模块83，用于在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；第三计算模块84，用于依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；天线设计模块85，用于依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线。

在本发明实施例中，通过依据预先获取的天线设计初始值集合进行计算，得到力密度值以及天线索网节点的各个坐标和每个天线索网节点之间的索段长度；判断索段长度是否满足预设条件；在判断结果为是的情况下，依据力密度值和索段长度进行计算，得到张力的不确定性值和区间力密度；依据张力的不确定性值和区间力密度进行计算，得到目标天线的索网节点位置区间和索网形面精度；依据索网节点位置区间和索网形面精度进行设计，得到目标天线，即，本申请中通过在设计之初同时考虑不确定性因素的影响，从而保证天线索网形面精度在用户可接受的范围，有效降低不确定性因素的影响，进而达到了填补天线设计缺陷的目的，从而实现了提升天线性能的技术效果，进而解决了由于相关技术中在索网天线设计过程中存在的设计缺陷，导致天线性能降低的技术问题。

实施例3

根据本发明实施例的又一个方面，提供了一种天线，包括：通过上述实施例1中的天线的设计方法进行生产，得到的天线。

实施例4

根据本发明实施例的再一个方面，提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述实施例1中的天线的设计方法。

实施例5

根据本发明实施例的再一个方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述实施例1中的天线的设计方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。