基本信息
- 項目名稱：
- 衛(wèi)星天線演化設計
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 作品名稱：衛(wèi)星天線演化設計 研究意義： 本作品的研究成果將意味著我國航天領域第一件演化硬件，國際上第二件演化硬件，不僅可直接應用于國家衛(wèi)星天線的設計，也可以用于其它微型天線的設計 創(chuàng)新之處： 1.設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.設計新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標不僅反應在約束上,同時也反應在優(yōu)化目標上，以此解決實際天線問題。 4.設計并開發(fā)分布式天線自動演化設計軟件平臺。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)星天線演化設計 研究目的： 天線廣泛應用于廣播、電視、衛(wèi)星通信、雷達、射電天文等民用和軍事領域。天線的現(xiàn)代科學理論研究與實踐應用中存在著大量與優(yōu)化、自適應相關的問題。特別地，在深空探測領域等復雜環(huán)境下，衛(wèi)星天線設計是一個極其復雜的題解，傳統(tǒng)手工制作方法依靠設計者在天線設計中的經(jīng)驗，經(jīng)過不斷的設計與測試，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，而且很難設計出滿足要求的天線，而演化天線設計利用計算機進行自動天線設計，可以突破傳統(tǒng)手工天線設計上的局限，縮短天線設計周期、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計能夠適應太空復雜環(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)天線的自動設計。首先建立天線優(yōu)化問題的數(shù)學模型；其次針對天線問題的難點設計演化算法；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計軟件，并以NASA ST5（Space Technology 5）衛(wèi)星雙頻天線設計問題作為測試實例，來驗證本小組所設計的天線演化算法的性能。 主要創(chuàng)新點： 1.設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.設計新型天線建模方法，使天線技術(shù)指標不僅反應在約束上,同時也反應在優(yōu)化目標上，以此解決實際天線問題。 4.設計并開發(fā)分布式天線自動演化設計軟件平臺。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太空復雜環(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計軟件平臺可以直接用于我國天線設計。試驗數(shù)據(jù)顯示，該軟件設計出的天線與 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用于國家衛(wèi)星天線的設計，也可以用于其它微型天線的設計。
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計，突破傳統(tǒng)手工天線設計的局限，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)作為設計變量，建立新型演化天線數(shù)學物理模型；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)星天線自動演化設計軟件；4、在演化設計過程中利用天線仿真軟件NEC實時評估天線性能。
科學性、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計中“超約束”難點，這在演化天線設計領域尚屬首次。試驗表明，動態(tài)多目標演化算法設計的一類天線仿真性能超過了經(jīng)典設計方法。 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，使得天線設計周期更加縮短。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品開發(fā)的分布式天線自動演化設計軟件平臺可以直接用于天線設計。試驗數(shù)據(jù)顯示，該軟件設計出的天線與 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域。本作品的研究成果將成為我國航天領域第一件演化天線，國際上第二件演化天線，該成果將填補國內(nèi)天線自動設計的空白。
學術(shù)論文摘要
- 利用演化計算進行天線的自動設計是現(xiàn)代天線研究的一個重要趨勢。NASA已經(jīng)將演化技術(shù)作為解決航天領域相關計算技術(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、演化硬件在航天領域中的應用研究。 本作品的主要研究內(nèi)容為利用演化算法來實現(xiàn)天線的自動設計。首先建立天線優(yōu)化問題的數(shù)學模型；其次針對天線問題的難點設計演化算法；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計軟件，并以NASA ST5衛(wèi)星雙頻天線設計問題作為測試實例驗證本作品組所設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。本作品設計的演化軟件不僅可直接應用于國家衛(wèi)星天線的設計，也可以用于其它微型天線的設計。本作品天線設計核心技術(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)外有關在設計天線過程中使用動態(tài)多目標演化算法設計天線的研究未見相同文獻報道。 本作品天線設計核心技術(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計[J]. 電波科學學報 3.董銀麗，張莉. 交叉粒子群算法及其在天線設計中的應用[J]. 寶雞文理學院學報：自然科學版 4.丁霄，姜興. 基于遺傳算法的微帶縫隙天線設計[J]. 桂林電子科技大學學報
同類課題研究水平概述
- 演化天線設計作為一個新興的研究熱點，該設計方法主要應用在各種天線的設計和優(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 深空探測領域有關研究課題，取得了一些好的研究成果，并將研究成果應用于實踐，包括應用于天線設計。 國內(nèi)其他研究機構(gòu)利用演化算法進行天線設計的研究與應用還比較少，目前只有北京大學將遺傳算法應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。中國科技大學對遺傳算法在陣列天線賦形波束綜合中的應用做了相關研究，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計要求。南京郵電學院也對遺傳算法在陣列天線圖綜合設計中的應用做了研究。但多頻天線或者寬帶天線設計特別是衛(wèi)星天線設計的研究成果極少。 科技查新報告表明國內(nèi)外有關在設計天線過程中使用動態(tài)多目標演化算法設計天線的研究未見相同文獻報道。
