基于遗传算法的卫星波束成形及凝视算法研究

摘要

以卫星通信为基础的空间信息网络由于其具有覆盖区域广、通信容量大等特点，成为理论研究及商业应用的热点。然而空间信息网络存在动态时变、网络节点稀疏及功率计算能力首先等问题，提高系统容量改善覆盖，卫星多波束天线技术一直受到国内外各界学者的重视。随着对多波束天线技术的不断研究，相应的研究成果已经应用于各种类的卫星系统。而在国内，对于多波束天线技术的研究目前处于起步阶段，相应的研究还在进行，很多的问题还没有得到解决。特别是在网络节点稀疏，通过有源多波束形成动态凝视波束保障热点区域研究在国内外还属于空白。
　　本文分析了从天线阵列基本理论以及遗传算法相关理论，将遗传算法与波束成形进行结合，并推导了卫星凝视过程中对地覆盖角度变化的相关公式，之后在此基础上利用Matlab并基于遗传算法对直线阵和平面阵的波束成形问题进行了研究和仿真，主要体现在指向性波束方向控制。此外,本文根据已建立的低轨道卫星模型，通过得到的阵元相位来作为初始种群的值，利用改进的遗传算法来研究该方法快速收敛的范围。在研究的过程中对比改进的遗传算法和传统的遗传算法进行对比，主要考察两种方法适应度值随代数的函数曲线变化趋势与规律，观测两种方法达到收敛时的代数并且进行对比，得出结论。然后，在卫星仰角角度从45度变化到60度的过程中，改进遗传算法使用预先利用遗传算法生成的覆盖45度方向的最终种群为初始种群，使用1度为一个步进间隔，通过主次迭代遗传算法来完成满足60度的方向图。对比该遗传算法和传统遗传算法适应度值随代数的变化曲线，得出两种遗传算法的收敛速度基本一致，但是改进遗传算法运行次数多，相比较而言，算法的复杂度得到了大幅降低。与此同时，改进遗传算法在迭代过程中产生了一组凝视波束的相位信息，以热点区域为目标，实现卫星动态凝视波束成形。最后，公共控制信道及随机接入信道需要保障在各方向覆盖强度一致性，卫星需要进行公共信道赋形。本文对卫星阵列天线产生的方向图进行了方向上的控制，实现各方向的天线增益几乎一致。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 遗传算法与卫星天线基础理论

2.1 遗传算法的介绍

2.1.1 遗传算法的特点

2.1.2 遗传算法的基本流程

2.2 卫星天线基础理论

2.2.1 卫星基础理论

2.2.2 天线基础理论

2.3 本章小结

第3章 基于遗传算法的阵列天线阵研究

3.1 基于遗传算法的均匀直线阵研究

3.1.1 遗传算法的实现

3.1.2 遗传算法的参数设置

3.1.3 仿真结果

3.2 基于遗传算法的分布式直线阵研究

3.2.1 遗传算法的实现

3.2.2 仿真结果

3.3 基于遗传算法的平面阵研究

3.3.1 遗传算法的实现

3.3.2 遗传算法的参数设置

3.3.3 仿真结果

3.4 本章小结

第4章 基于改进遗传算法的卫星凝视算法研究

4.1 卫星凝视模型

4.2 卫星凝视研究

4.2.1 快速收敛范围的研究

4.2.2 算法复杂度的分析

4.2.3 方向图形状的控制

4.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢