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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 衛(wèi)星天線演化設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡(jiǎn)介：
- 作品名稱：衛(wèi)星天線演化設(shè)計(jì) 研究意義： 本作品的研究成果將意味著我國(guó)航天領(lǐng)域第一件演化硬件，國(guó)際上第二件演化硬件，不僅可直接應(yīng)用于國(guó)家衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)，也可以用于其它微型天線的設(shè)計(jì) 創(chuàng)新之處： 1.設(shè)計(jì)針對(duì)超多目標(biāo)超多約束問(wèn)題的演化算法，動(dòng)態(tài)松弛處理約束和目標(biāo)。對(duì)天線問(wèn)題的“多約束”和“多目標(biāo)”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(jìn)行天線實(shí)時(shí)在線評(píng)估，并演化天線結(jié)構(gòu)。 3.設(shè)計(jì)新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標(biāo)不僅反應(yīng)在約束上,同時(shí)也反應(yīng)在優(yōu)化目標(biāo)上，以此解決實(shí)際天線問(wèn)題。 4.設(shè)計(jì)并開發(fā)分布式天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。使用多目標(biāo)多種群演化算法，充分利用計(jì)算機(jī)集群的計(jì)算能力以及多種群演化算法避免局部收斂,自動(dòng)設(shè)計(jì)雙頻天線。 研究成果： 1.2008年，在西班牙召開的“國(guó)際混合人工智能系統(tǒng)會(huì)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(jì)算峰會(huì)”（ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 3.2009年，在挪威召開的“國(guó)際演化計(jì)算大會(huì)”（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(huì)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(jiǎng)
- 詳細(xì)介紹：
- 作品名稱：衛(wèi)星天線演化設(shè)計(jì) 研究目的： 天線廣泛應(yīng)用于廣播、電視、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、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(shí)踐應(yīng)用中存在著大量與優(yōu)化、自適應(yīng)相關(guān)的問(wèn)題。特別地，在深空探測(cè)領(lǐng)域等復(fù)雜環(huán)境下，衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜的題解，傳統(tǒng)手工制作方法依靠設(shè)計(jì)者在天線設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)計(jì)與測(cè)試，來(lái)逐步提高天線的性能，這樣不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力，而且很難設(shè)計(jì)出滿足要求的天線，而演化天線設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)天線設(shè)計(jì)，可以突破傳統(tǒng)手工天線設(shè)計(jì)上的局限，縮短天線設(shè)計(jì)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(jì)出具有更廣適用范圍的新型衛(wèi)星天線，以滿足日益增長(zhǎng)的航天技術(shù)的需要。 本作品的研究目標(biāo)是利用演化算法來(lái)設(shè)計(jì)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(guó)星載天線的研究水平，加速航天演化計(jì)算步伐，大幅度縮短與國(guó)外差距。 研究?jī)?nèi)容： 本作品的主要研究?jī)?nèi)容為利用演化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的自動(dòng)設(shè)計(jì)。首先建立天線優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；其次針對(duì)天線問(wèn)題的難點(diǎn)設(shè)計(jì)演化算法；第三開發(fā)天線數(shù)值計(jì)算軟件（Numerical Electromagnet Code, NEC）與演化算法的接口，并利用NEC評(píng)估演化過(guò)程中得到的天線性能；最后開發(fā)分布式天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件，并以NASA ST5（Space Technology 5）衛(wèi)星雙頻天線設(shè)計(jì)問(wèn)題作為測(cè)試實(shí)例，來(lái)驗(yàn)證本小組所設(shè)計(jì)的天線演化算法的性能。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1.設(shè)計(jì)針對(duì)超多目標(biāo)超多約束問(wèn)題的演化算法，動(dòng)態(tài)松弛處理約束和目標(biāo)。對(duì)天線問(wèn)題的“多約束”和“多目標(biāo)”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(jìn)行天線實(shí)時(shí)在線評(píng)估，并演化天線結(jié)構(gòu)。 3.設(shè)計(jì)新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標(biāo)不僅反應(yīng)在約束上,同時(shí)也反應(yīng)在優(yōu)化目標(biāo)上，以此解決實(shí)際天線問(wèn)題。 4.設(shè)計(jì)并開發(fā)分布式天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。使用多目標(biāo)多種群演化算法，充分利用計(jì)算機(jī)集群的計(jì)算能力以及多種群演化算法避免局部收斂,自動(dòng)設(shè)計(jì)雙頻天線。 主要研究意義： 中國(guó)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(jiān)強(qiáng)的后盾。而本作品進(jìn)行的演化天線設(shè)計(jì)的研究正好滿足了我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展需求，為振興民族航天事業(yè)貢獻(xiàn)力量。 本作品組開發(fā)的分布式天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)可以直接用于我國(guó)天線設(shè)計(jì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該軟件設(shè)計(jì)出的天線與 NASA 的演化天線性能相當(dāng)，在某些性能指標(biāo)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(guó)航天領(lǐng)域第一件演化天線，國(guó)際上第二件演化天線，該成果將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)天線自動(dòng)設(shè)計(jì)的空白，提高我國(guó)衛(wèi)星天線的效率，并提高我國(guó)天線自動(dòng)化設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化問(wèn)題，也可以用來(lái)解決其它的約束優(yōu)化問(wèn)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(guó)家衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)，也可以用于其它微型天線的設(shè)計(jì)。
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(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)天線設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)手工天線設(shè)計(jì)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(jì)變量，建立新型演化天線數(shù)學(xué)物理模型；2、針對(duì)此模型“多目標(biāo)”和“多約束”特性，利用動(dòng)態(tài)多目標(biāo)演化算法求解天線優(yōu)化模型；3、針對(duì)電磁計(jì)算量大的特點(diǎn)，開發(fā)分布式衛(wèi)星天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件；4、在演化設(shè)計(jì)過(guò)程中利用天線仿真軟件NEC實(shí)時(shí)評(píng)估天線性能。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本作品提出利用“動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化”的思想克服了天線設(shè)計(jì)中“超約束”難點(diǎn)，這在演化天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚屬首次。試驗(yàn)表明，動(dòng)態(tài)多目標(biāo)演化算法設(shè)計(jì)的一類天線仿真性能超過(guò)了經(jīng)典設(shè)計(jì)方法。 與此同時(shí)，本作品組研發(fā)的分布式衛(wèi)星自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)充分利用計(jì)算機(jī)集群的并行計(jì)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(yùn)行速度，同時(shí)帶來(lái)了算法性能上的改進(jìn)，使得天線設(shè)計(jì)周期更加縮短。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本作品開發(fā)的分布式天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)可以直接用于天線設(shè)計(jì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該軟件設(shè)計(jì)出的天線與 NASA 的演化天線性能相當(dāng)，在某些性能指標(biāo)上甚至超越了 NASA 的演化天線。本作品研究成果可用于自動(dòng)天線設(shè)計(jì)，尤其是用于對(duì)天線的頻帶、增益、駐波比、尺寸、重量等要求高的深空探測(cè)領(lǐng)域。本作品的研究成果將成為我國(guó)航天領(lǐng)域第一件演化天線，國(guó)際上第二件演化天線，該成果將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)天線自動(dòng)設(shè)計(jì)的空白。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 利用演化計(jì)算進(jìn)行天線的自動(dòng)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代天線研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。NASA已經(jīng)將演化技術(shù)作為解決航天領(lǐng)域相關(guān)計(jì)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?jī)?nèi)容為利用演化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的自動(dòng)設(shè)計(jì)。首先建立天線優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；其次針對(duì)天線問(wèn)題的難點(diǎn)設(shè)計(jì)演化算法；第三開發(fā)天線數(shù)值計(jì)算軟件（NEC）與演化算法的接口，并利用NEC評(píng)估演化過(guò)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(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件，并以NASA ST5衛(wèi)星雙頻天線設(shè)計(jì)問(wèn)題作為測(cè)試實(shí)例驗(yàn)證本作品組所設(shè)計(jì)的天線演化算法的性能，最終演化出符合ST5性能指標(biāo)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(jì)優(yōu)化問(wèn)題，也可以用來(lái)解決其它的約束優(yōu)化問(wèn)題。本作品設(shè)計(jì)的演化軟件不僅可直接應(yīng)用于國(guó)家衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)，也可以用于其它微型天線的設(shè)計(jì)。本作品天線設(shè)計(jì)核心技術(shù)在2009世界遺傳與演化計(jì)算峰會(huì)(World Summit on Genetic and Evolutionary Computation)上發(fā)表。
獲獎(jiǎng)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(guó)際混合人工智能系統(tǒng)會(huì)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(jì)算峰會(huì)”（ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇； 3.2009年，在挪威召開的“國(guó)際演化計(jì)算大會(huì)”（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(huì)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(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 科技查新報(bào)告表明國(guó)內(nèi)外有關(guān)在設(shè)計(jì)天線過(guò)程中使用動(dòng)態(tài)多目標(biāo)演化算法設(shè)計(jì)天線的研究未見相同文獻(xiàn)報(bào)道。 本作品天線設(shè)計(jì)核心技術(shù)在2009世界遺傳與演化計(jì)算峰會(huì)上發(fā)表。
參考文獻(xiàn)
- 現(xiàn)有技術(shù)： 1.動(dòng)態(tài)多目標(biāo)演化算法 2.用天線計(jì)算軟件(NEC)進(jìn)行天線設(shè)計(jì) 3.演化算法與NEC接口的交互 技術(shù)文獻(xiàn)： 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(jì)的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)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(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào) 3.董銀麗，張莉. 交叉粒子群算法及其在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)：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(jì)[J]. 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)
同類課題研究水平概述
- 演化天線設(shè)計(jì)作為一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，該設(shè)計(jì)方法主要應(yīng)用在各種天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面。 目前幾乎所有多目標(biāo)演化算法的研究都集中在兩個(gè)或三個(gè)目標(biāo)上，“多目標(biāo)”的優(yōu)化問(wèn)題成為了目前演化計(jì)算的一個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題。2002在新奧爾良召開的北美模糊信息(NAFIPS-FLINT)國(guó)際會(huì)議上討論了“很多目標(biāo)”優(yōu)化最優(yōu)解問(wèn)題，由此引發(fā)出“很多目標(biāo)”演化優(yōu)化專題討論；在第二屆多目標(biāo)演化計(jì)算國(guó)際會(huì)議上專家們發(fā)現(xiàn)隨著目標(biāo)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(guó)際演化計(jì)算大會(huì)（CEC’2005）上專家比較了基于Pareto 的演化算法和基于非Pareto機(jī)制的演化算法，發(fā)現(xiàn)在“很多目標(biāo)”情形下，基于Pareto 的演化算法比基于非Pareto機(jī)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(lái)，“很多”目標(biāo)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(duì)于“過(guò)”約束優(yōu)化挑戰(zhàn)問(wèn)題，僅有幾篇文獻(xiàn)花很小的篇幅討論它。2006年在加拿大召開的國(guó)際演化計(jì)算大會(huì)（CEC’2006）上構(gòu)造24個(gè)約束優(yōu)化測(cè)試問(wèn)題，并且特意構(gòu)造了一個(gè)問(wèn)題（第20個(gè)問(wèn)題），它無(wú)解但具有“稍微”違反約束條件的非可行解。值得特別指出來(lái)的是，雖然作者給出了第22個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)解，但是直到目前還沒(méi)有算法能找出其可行解。 康立山教授多年來(lái)一直跟蹤國(guó)際演化計(jì)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(shí)驗(yàn)中心，并承擔(dān)了 863-703 深空探測(cè)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(shí)踐，包括應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)。 國(guó)內(nèi)其他研究機(jī)構(gòu)利用演化算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)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(wèn)題。中國(guó)科技大學(xué)對(duì)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(duì)陣列天線單元饋電幅度、相位進(jìn)行優(yōu)化選擇,使賦形波束如何達(dá)到設(shè)計(jì)要求。南京郵電學(xué)院也對(duì)遺傳算法在陣列天線圖綜合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用做了研究。但多頻天線或者寬帶天線設(shè)計(jì)特別是衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)的研究成果極少。 科技查新報(bào)告表明國(guó)內(nèi)外有關(guān)在設(shè)計(jì)天線過(guò)程中使用動(dòng)態(tài)多目標(biāo)演化算法設(shè)計(jì)天線的研究未見相同文獻(xiàn)報(bào)道。
