基本信息
- 項目名稱：
- 衛(wèi)星天線演化設(shè)計
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 作品名稱：衛(wèi)星天線演化設(shè)計 研究意義： 本作品的研究成果將意味著我國航天領(lǐng)域第一件演化硬件，國際上第二件演化硬件，不僅可直接應(yīng)用于國家衛(wèi)星天線的設(shè)計，也可以用于其它微型天線的設(shè)計 創(chuàng)新之處： 1.設(shè)計針對超多目標超多約束問題的演化算法，動態(tài)松弛處理約束和目標。對天線問題的“多約束”和“多目標”作深入處理，使演化算法的優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮。 2.開發(fā)與 NEC 相關(guān)的編程接口，將 NEC 與演化算法相結(jié)合，進行天線實時在線評估，并演化天線結(jié)構(gòu)。 3.設(shè)計新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標不僅反應(yīng)在約束上,同時也反應(yīng)在優(yōu)化目標上，以此解決實際天線問題。 4.設(shè)計并開發(fā)分布式天線自動演化設(shè)計軟件平臺。使用多目標多種群演化算法，充分利用計算機集群的計算能力以及多種群演化算法避免局部收斂,自動設(shè)計雙頻天線。 研究成果： 1.2008年，在西班牙召開的“國際混合人工智能系統(tǒng)會議”（Springer LNCS 收錄，EI/ISTP檢索）發(fā)表論文一篇； 2.2009年，在“世界遺傳與演化計算峰會”（ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 3.2009年，在挪威召開的“國際演化計算大會”（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 4.2009年，在 IJBIC 期刊發(fā)表論文一篇； 5.2009年，在 NASA/ESA 自適應(yīng)硬件系統(tǒng)會議（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 6.2009年，在 MVLSC 期刊（SCISearch 檢索）發(fā)表論文一篇； 7.獲湖北省第七屆“挑戰(zhàn)杯”特等獎
- 詳細介紹：
- 作品名稱：衛(wèi)星天線演化設(shè)計 研究目的： 天線廣泛應(yīng)用于廣播、電視、衛(wèi)星通信、雷達、射電天文等民用和軍事領(lǐng)域。天線的現(xiàn)代科學(xué)理論研究與實踐應(yīng)用中存在著大量與優(yōu)化、自適應(yīng)相關(guān)的問題。特別地，在深空探測領(lǐng)域等復(fù)雜環(huán)境下，衛(wèi)星天線設(shè)計是一個極其復(fù)雜的題解，傳統(tǒng)手工制作方法依靠設(shè)計者在天線設(shè)計中的經(jīng)驗，經(jīng)過不斷的設(shè)計與測試，來逐步提高天線的性能，這樣不僅需要耗費大量的時間與精力，而且很難設(shè)計出滿足要求的天線，而演化天線設(shè)計利用計算機進行自動天線設(shè)計，可以突破傳統(tǒng)手工天線設(shè)計上的局限，縮短天線設(shè)計周期、減少天線射頻干擾、提高接收靈敏度、提高器件參數(shù)一致性，從而設(shè)計出具有更廣適用范圍的新型衛(wèi)星天線，以滿足日益增長的航天技術(shù)的需要。 本作品的研究目標是利用演化算法來設(shè)計能夠適應(yīng)太空復(fù)雜環(huán)境的新型高效、輕型天線，提高我國星載天線的研究水平，加速航天演化計算步伐，大幅度縮短與國外差距。 研究內(nèi)容： 本作品的主要研究內(nèi)容為利用演化算法來實現(xiàn)天線的自動設(shè)計。首先建立天線優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型；其次針對天線問題的難點設(shè)計演化算法；第三開發(fā)天線數(shù)值計算軟件（Numerical Electromagnet Code, NEC）與演化算法的接口，并利用NEC評估演化過程中得到的天線性能；最后開發(fā)分布式天線自動演化設(shè)計軟件，并以NASA ST5（Space Technology 5）衛(wèi)星雙頻天線設(shè)計問題作為測試實例，來驗證本小組所設(shè)計的天線演化算法的性能。 主要創(chuàng)新點： 1.設(shè)計針對超多目標超多約束問題的演化算法，動態(tài)松弛處理約束和目標。對天線問題的“多約束”和“多目標”作深入處理，使演化算法的優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮。 2.開發(fā)與 NEC 相關(guān)的編程接口，將 NEC 與演化算法相結(jié)合，進行天線實時在線評估，并演化天線結(jié)構(gòu)。 3.設(shè)計新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標不僅反應(yīng)在約束上,同時也反應(yīng)在優(yōu)化目標上，以此解決實際天線問題。 4.設(shè)計并開發(fā)分布式天線自動演化設(shè)計軟件平臺。使用多目標多種群演化算法，充分利用計算機集群的計算能力以及多種群演化算法避免局部收斂,自動設(shè)計雙頻天線。 主要研究意義： 中國高速發(fā)展的航天事業(yè)，迫切需要一種新的能夠適應(yīng)太空復(fù)雜環(huán)境的硬件（包括天線）作為堅強的后盾。而本作品進行的演化天線設(shè)計的研究正好滿足了我國航天技術(shù)的發(fā)展需求，為振興民族航天事業(yè)貢獻力量。 本作品組開發(fā)的分布式天線自動演化設(shè)計軟件平臺可以直接用于我國天線設(shè)計。試驗數(shù)據(jù)顯示，該軟件設(shè)計出的天線與 NASA 的演化天線性能相當，在某些性能指標上甚至超越了 NASA 的演化天線。由此可見，本作品的研究成果將成為我國航天領(lǐng)域第一件演化天線，國際上第二件演化天線，該成果將填補國內(nèi)天線自動設(shè)計的空白，提高我國衛(wèi)星天線的效率，并提高我國天線自動化設(shè)計的水平。 本作品提出的演化算法不僅可以很好的解決天線設(shè)計優(yōu)化問題，也可以用來解決其它的約束優(yōu)化問題，具有很好的通用性。 本作品的演化軟件不僅可直接應(yīng)用于國家衛(wèi)星天線的設(shè)計，也可以用于其它微型天線的設(shè)計。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的：利用計算機進行自動天線設(shè)計，突破傳統(tǒng)手工天線設(shè)計的局限，減少天線射頻干擾、提高接收靈敏度。 基本思路：1、天線電結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計變量，建立新型演化天線數(shù)學(xué)物理模型；2、針對此模型“多目標”和“多約束”特性，利用動態(tài)多目標演化算法求解天線優(yōu)化模型；3、針對電磁計算量大的特點，開發(fā)分布式衛(wèi)星天線自動演化設(shè)計軟件；4、在演化設(shè)計過程中利用天線仿真軟件NEC實時評估天線性能。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 本作品提出利用“動態(tài)多目標優(yōu)化”的思想克服了天線設(shè)計中“超約束”難點，這在演化天線設(shè)計領(lǐng)域尚屬首次。試驗表明，動態(tài)多目標演化算法設(shè)計的一類天線仿真性能超過了經(jīng)典設(shè)計方法。 與此同時，本作品組研發(fā)的分布式衛(wèi)星自動演化設(shè)計軟件平臺充分利用計算機集群的并行計算能力，利用演化算法的并行特性，不僅大大提高了算法的運行速度，同時帶來了算法性能上的改進，使得天線設(shè)計周期更加縮短。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品開發(fā)的分布式天線自動演化設(shè)計軟件平臺可以直接用于天線設(shè)計。試驗數(shù)據(jù)顯示，該軟件設(shè)計出的天線與 NASA 的演化天線性能相當，在某些性能指標上甚至超越了 NASA 的演化天線。本作品研究成果可用于自動天線設(shè)計，尤其是用于對天線的頻帶、增益、駐波比、尺寸、重量等要求高的深空探測領(lǐng)域。本作品的研究成果將成為我國航天領(lǐng)域第一件演化天線，國際上第二件演化天線，該成果將填補國內(nèi)天線自動設(shè)計的空白。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 利用演化計算進行天線的自動設(shè)計是現(xiàn)代天線研究的一個重要趨勢。NASA已經(jīng)將演化技術(shù)作為解決航天領(lǐng)域相關(guān)計算技術(shù)難題的最有前途的解決途徑之一，開展了大量的演化軟件、演化硬件在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。 本作品的主要研究內(nèi)容為利用演化算法來實現(xiàn)天線的自動設(shè)計。首先建立天線優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型；其次針對天線問題的難點設(shè)計演化算法；第三開發(fā)天線數(shù)值計算軟件（NEC）與演化算法的接口，并利用NEC評估演化過程中得到的天線結(jié)構(gòu)的性能；最后開發(fā)分布式天線自動演化設(shè)計軟件，并以NASA ST5衛(wèi)星雙頻天線設(shè)計問題作為測試實例驗證本作品組所設(shè)計的天線演化算法的性能，最終演化出符合ST5性能指標的衛(wèi)星天線。 本作品提出的演化算法不僅可以解決天線設(shè)計優(yōu)化問題，也可以用來解決其它的約束優(yōu)化問題。本作品設(shè)計的演化軟件不僅可直接應(yīng)用于國家衛(wèi)星天線的設(shè)計，也可以用于其它微型天線的設(shè)計。本作品天線設(shè)計核心技術(shù)在2009世界遺傳與演化計算峰會(World Summit on Genetic and Evolutionary Computation)上發(fā)表。
獲獎情況
- 依托本作品取得了以下成果： 1.2008年，在西班牙召開的“國際混合人工智能系統(tǒng)會議”（Springer LNCS 收錄，EI/ISTP檢索）發(fā)表論文一篇； 2.2009年，在“世界遺傳與演化計算峰會”（ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 3.2009年，在挪威召開的“國際演化計算大會”（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 4.2009年，在 IJBIC 期刊發(fā)表論文一篇； 5.2009年，在 NASA/ESA 自適應(yīng)硬件系統(tǒng)會議（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 6.2009年，在 MVLSC 期刊（SCISearch 檢索）發(fā)表論文一篇； 7.獲湖北省第七屆“挑戰(zhàn)杯”特等獎
鑒定結(jié)果
- 科技查新報告表明國內(nèi)外有關(guān)在設(shè)計天線過程中使用動態(tài)多目標演化算法設(shè)計天線的研究未見相同文獻報道。 本作品天線設(shè)計核心技術(shù)在2009世界遺傳與演化計算峰會上發(fā)表。
參考文獻
- 現(xiàn)有技術(shù)： 1.動態(tài)多目標演化算法 2.用天線計算軟件(NEC)進行天線設(shè)計 3.演化算法與NEC接口的交互 技術(shù)文獻： 1.曾三友，陳光，張良，石慧，雨果德加里斯，丁立新，康立山. 基于正交設(shè)計的動態(tài)多目標演化算法，In CEC’06. 2006, 加拿大 2.陳騰博，焦永昌，張福順. 基于粒子群算法的低副瓣螺旋天線設(shè)計[J]. 電波科學(xué)學(xué)報 3.董銀麗，張莉. 交叉粒子群算法及其在天線設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 寶雞文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版 4.丁霄，姜興. 基于遺傳算法的微帶縫隙天線設(shè)計[J]. 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報
同類課題研究水平概述
- 演化天線設(shè)計作為一個新興的研究熱點，該設(shè)計方法主要應(yīng)用在各種天線的設(shè)計和優(yōu)化方面。 目前幾乎所有多目標演化算法的研究都集中在兩個或三個目標上，“多目標”的優(yōu)化問題成為了目前演化計算的一個挑戰(zhàn)問題。2002在新奧爾良召開的北美模糊信息(NAFIPS-FLINT)國際會議上討論了“很多目標”優(yōu)化最優(yōu)解問題，由此引發(fā)出“很多目標”演化優(yōu)化專題討論；在第二屆多目標演化計算國際會議上專家們發(fā)現(xiàn)隨著目標的增加，一些演化優(yōu)化算法收斂和分布性能逐步退化，且程度各不相同。在2005年國際演化計算大會（CEC’2005）上專家比較了基于Pareto 的演化算法和基于非Pareto機制的演化算法，發(fā)現(xiàn)在“很多目標”情形下，基于Pareto 的演化算法比基于非Pareto機制的演化算法效率差；康立山等則根據(jù)投票原理(E-Optimality)從Pareto集合中快速地選擇“好”的子集。由此看來，“很多”目標的演化優(yōu)化雖然已經(jīng)引起人們的重視，但是研究成果仍然很少而分散。 對于“過”約束優(yōu)化挑戰(zhàn)問題，僅有幾篇文獻花很小的篇幅討論它。2006年在加拿大召開的國際演化計算大會（CEC’2006）上構(gòu)造24個約束優(yōu)化測試問題，并且特意構(gòu)造了一個問題（第20個問題），它無解但具有“稍微”違反約束條件的非可行解。值得特別指出來的是，雖然作者給出了第22個問題的最優(yōu)解，但是直到目前還沒有算法能找出其可行解。 康立山教授多年來一直跟蹤國際演化計算前沿，全面開展并行與分布“擬物”與“仿生”算法的研究，成立了演化硬件實驗中心，并承擔了 863-703 深空探測領(lǐng)域有關(guān)研究課題，取得了一些好的研究成果，并將研究成果應(yīng)用于實踐，包括應(yīng)用于天線設(shè)計。 國內(nèi)其他研究機構(gòu)利用演化算法進行天線設(shè)計的研究與應(yīng)用還比較少，目前只有北京大學(xué)將遺傳算法應(yīng)用于超低副瓣線陣天線方向圖綜合，解決了遺傳算法收斂困難的問題。中國科技大學(xué)對遺傳算法在陣列天線賦形波束綜合中的應(yīng)用做了相關(guān)研究，即在陣列天線單元數(shù)、單元間距一定的情況下,對陣列天線單元饋電幅度、相位進行優(yōu)化選擇,使賦形波束如何達到設(shè)計要求。南京郵電學(xué)院也對遺傳算法在陣列天線圖綜合設(shè)計中的應(yīng)用做了研究。但多頻天線或者寬帶天線設(shè)計特別是衛(wèi)星天線設(shè)計的研究成果極少。 科技查新報告表明國內(nèi)外有關(guān)在設(shè)計天線過程中使用動態(tài)多目標演化算法設(shè)計天線的研究未見相同文獻報道。
