基本信息
- 项目名称：
- 卫星天线演化设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 作品名称：卫星天线演化设计 研究意义： 本作品的研究成果将意味着我国航天领域第一件演化硬件，国际上第二件演化硬件，不仅可直接应用于国家卫星天线的设计，也可以用于其它微型天线的设计 创新之处： 1.设计针对超多目标超多约束问题的演化算法，动态松弛处理约束和目标。对天线问题的“多约束”和“多目标”作深入处理，使演化算法的优良性能得到充分发挥。 2.开发与 NEC 相关的编程接口，将 NEC 与演化算法相结合，进行天线实时在线评估，并演化天线结构。 3.设计新型天线建模方法，使天线技术指标不仅反应在约束上,同时也反应在优化目标上，以此解决实际天线问题。 4.设计并开发分布式天线自动演化设计软件平台。使用多目标多种群演化算法，充分利用计算机集群的计算能力以及多种群演化算法避免局部收敛,自动设计双频天线。 研究成果： 1.2008年，在西班牙召开的“国际混合人工智能系统会议”（Springer LNCS 收录，EI/ISTP检索）发表论文一篇； 2.2009年，在“世界遗传与演化计算峰会”（ISTP 检索）发表论文一篇； 3.2009年，在挪威召开的“国际演化计算大会”（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文一篇； 4.2009年，在 IJBIC 期刊发表论文一篇； 5.2009年，在 NASA/ESA 自适应硬件系统会议（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文一篇； 6.2009年，在 MVLSC 期刊（SCISearch 检索）发表论文一篇； 7.获湖北省第七届“挑战杯”特等奖
- 详细介绍：
- 作品名称：卫星天线演化设计 研究目的： 天线广泛应用于广播、电视、卫星通信、雷达、射电天文等民用和军事领域。天线的现代科学理论研究与实践应用中存在着大量与优化、自适应相关的问题。特别地，在深空探测领域等复杂环境下，卫星天线设计是一个极其复杂的题解，传统手工制作方法依靠设计者在天线设计中的经验，经过不断的设计与测试，来逐步提高天线的性能，这样不仅需要耗费大量的时间与精力，而且很难设计出满足要求的天线，而演化天线设计利用计算机进行自动天线设计，可以突破传统手工天线设计上的局限，缩短天线设计周期、减少天线射频干扰、提高接收灵敏度、提高器件参数一致性，从而设计出具有更广适用范围的新型卫星天线，以满足日益增长的航天技术的需要。 本作品的研究目标是利用演化算法来设计能够适应太空复杂环境的新型高效、轻型天线，提高我国星载天线的研究水平，加速航天演化计算步伐，大幅度缩短与国外差距。 研究内容： 本作品的主要研究内容为利用演化算法来实现天线的自动设计。首先建立天线优化问题的数学模型；其次针对天线问题的难点设计演化算法；第三开发天线数值计算软件（Numerical Electromagnet Code, NEC）与演化算法的接口，并利用NEC评估演化过程中得到的天线性能；最后开发分布式天线自动演化设计软件，并以NASA ST5（Space Technology 5）卫星双频天线设计问题作为测试实例，来验证本小组所设计的天线演化算法的性能。 主要创新点： 1.设计针对超多目标超多约束问题的演化算法，动态松弛处理约束和目标。对天线问题的“多约束”和“多目标”作深入处理，使演化算法的优良性能得到充分发挥。 2.开发与 NEC 相关的编程接口，将 NEC 与演化算法相结合，进行天线实时在线评估，并演化天线结构。 3.设计新型天线建模方法，使天线技术指标不仅反应在约束上,同时也反应在优化目标上，以此解决实际天线问题。 4.设计并开发分布式天线自动演化设计软件平台。使用多目标多种群演化算法，充分利用计算机集群的计算能力以及多种群演化算法避免局部收敛,自动设计双频天线。 主要研究意义： 中国高速发展的航天事业，迫切需要一种新的能够适应太空复杂环境的硬件（包括天线）作为坚强的后盾。而本作品进行的演化天线设计的研究正好满足了我国航天技术的发展需求，为振兴民族航天事业贡献力量。 本作品组开发的分布式天线自动演化设计软件平台可以直接用于我国天线设计。试验数据显示，该软件设计出的天线与 NASA 的演化天线性能相当，在某些性能指标上甚至超越了 NASA 的演化天线。由此可见，本作品的研究成果将成为我国航天领域第一件演化天线，国际上第二件演化天线，该成果将填补国内天线自动设计的空白，提高我国卫星天线的效率，并提高我国天线自动化设计的水平。 本作品提出的演化算法不仅可以很好的解决天线设计优化问题，也可以用来解决其它的约束优化问题，具有很好的通用性。 本作品的演化软件不仅可直接应用于国家卫星天线的设计，也可以用于其它微型天线的设计。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：利用计算机进行自动天线设计，突破传统手工天线设计的局限，减少天线射频干扰、提高接收灵敏度。 基本思路：1、天线电结构参数作为设计变量，建立新型演化天线数学物理模型；2、针对此模型“多目标”和“多约束”特性，利用动态多目标演化算法求解天线优化模型；3、针对电磁计算量大的特点，开发分布式卫星天线自动演化设计软件；4、在演化设计过程中利用天线仿真软件NEC实时评估天线性能。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品提出利用“动态多目标优化”的思想克服了天线设计中“超约束”难点，这在演化天线设计领域尚属首次。试验表明，动态多目标演化算法设计的一类天线仿真性能超过了经典设计方法。 与此同时，本作品组研发的分布式卫星自动演化设计软件平台充分利用计算机集群的并行计算能力，利用演化算法的并行特性，不仅大大提高了算法的运行速度，同时带来了算法性能上的改进，使得天线设计周期更加缩短。
应用价值和现实意义
- 本作品开发的分布式天线自动演化设计软件平台可以直接用于天线设计。试验数据显示，该软件设计出的天线与 NASA 的演化天线性能相当，在某些性能指标上甚至超越了 NASA 的演化天线。本作品研究成果可用于自动天线设计，尤其是用于对天线的频带、增益、驻波比、尺寸、重量等要求高的深空探测领域。本作品的研究成果将成为我国航天领域第一件演化天线，国际上第二件演化天线，该成果将填补国内天线自动设计的空白。
学术论文摘要
- 利用演化计算进行天线的自动设计是现代天线研究的一个重要趋势。NASA已经将演化技术作为解决航天领域相关计算技术难题的最有前途的解决途径之一，开展了大量的演化软件、演化硬件在航天领域中的应用研究。 本作品的主要研究内容为利用演化算法来实现天线的自动设计。首先建立天线优化问题的数学模型；其次针对天线问题的难点设计演化算法；第三开发天线数值计算软件（NEC）与演化算法的接口，并利用NEC评估演化过程中得到的天线结构的性能；最后开发分布式天线自动演化设计软件，并以NASA ST5卫星双频天线设计问题作为测试实例验证本作品组所设计的天线演化算法的性能，最终演化出符合ST5性能指标的卫星天线。 本作品提出的演化算法不仅可以解决天线设计优化问题，也可以用来解决其它的约束优化问题。本作品设计的演化软件不仅可直接应用于国家卫星天线的设计，也可以用于其它微型天线的设计。本作品天线设计核心技术在2009世界遗传与演化计算峰会(World Summit on Genetic and Evolutionary Computation)上发表。
获奖情况
- 依托本作品取得了以下成果： 1.2008年，在西班牙召开的“国际混合人工智能系统会议”（Springer LNCS 收录，EI/ISTP检索）发表论文一篇； 2.2009年，在“世界遗传与演化计算峰会”（ISTP 检索）发表论文一篇； 3.2009年，在挪威召开的“国际演化计算大会”（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文一篇； 4.2009年，在 IJBIC 期刊发表论文一篇； 5.2009年，在 NASA/ESA 自适应硬件系统会议（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文一篇； 6.2009年，在 MVLSC 期刊（SCISearch 检索）发表论文一篇； 7.获湖北省第七届“挑战杯”特等奖
鉴定结果
- 科技查新报告表明国内外有关在设计天线过程中使用动态多目标演化算法设计天线的研究未见相同文献报道。 本作品天线设计核心技术在2009世界遗传与演化计算峰会上发表。
参考文献
- 现有技术： 1.动态多目标演化算法 2.用天线计算软件(NEC)进行天线设计 3.演化算法与NEC接口的交互 技术文献： 1.曾三友，陈光，张良，石慧，雨果德加里斯，丁立新，康立山. 基于正交设计的动态多目标演化算法，In CEC’06. 2006, 加拿大 2.陈腾博，焦永昌，张福顺. 基于粒子群算法的低副瓣螺旋天线设计[J]. 电波科学学报 3.董银丽，张莉. 交叉粒子群算法及其在天线设计中的应用[J]. 宝鸡文理学院学报：自然科学版 4.丁霄，姜兴. 基于遗传算法的微带缝隙天线设计[J]. 桂林电子科技大学学报
同类课题研究水平概述
- 演化天线设计作为一个新兴的研究热点，该设计方法主要应用在各种天线的设计和优化方面。 目前几乎所有多目标演化算法的研究都集中在两个或三个目标上，“多目标”的优化问题成为了目前演化计算的一个挑战问题。2002在新奥尔良召开的北美模糊信息(NAFIPS-FLINT)国际会议上讨论了“很多目标”优化最优解问题，由此引发出“很多目标”演化优化专题讨论；在第二届多目标演化计算国际会议上专家们发现随着目标的增加，一些演化优化算法收敛和分布性能逐步退化，且程度各不相同。在2005年国际演化计算大会（CEC’2005）上专家比较了基于Pareto 的演化算法和基于非Pareto机制的演化算法，发现在“很多目标”情形下，基于Pareto 的演化算法比基于非Pareto机制的演化算法效率差；康立山等则根据投票原理(E-Optimality)从Pareto集合中快速地选择“好”的子集。由此看来，“很多”目标的演化优化虽然已经引起人们的重视，但是研究成果仍然很少而分散。 对于“过”约束优化挑战问题，仅有几篇文献花很小的篇幅讨论它。2006年在加拿大召开的国际演化计算大会（CEC’2006）上构造24个约束优化测试问题，并且特意构造了一个问题（第20个问题），它无解但具有“稍微”违反约束条件的非可行解。值得特别指出来的是，虽然作者给出了第22个问题的最优解，但是直到目前还没有算法能找出其可行解。 康立山教授多年来一直跟踪国际演化计算前沿，全面开展并行与分布“拟物”与“仿生”算法的研究，成立了演化硬件实验中心，并承担了 863-703 深空探测领域有关研究课题，取得了一些好的研究成果，并将研究成果应用于实践，包括应用于天线设计。 国内其他研究机构利用演化算法进行天线设计的研究与应用还比较少，目前只有北京大学将遗传算法应用于超低副瓣线阵天线方向图综合，解决了遗传算法收敛困难的问题。中国科技大学对遗传算法在阵列天线赋形波束综合中的应用做了相关研究，即在阵列天线单元数、单元间距一定的情况下,对阵列天线单元馈电幅度、相位进行优化选择,使赋形波束如何达到设计要求。南京邮电学院也对遗传算法在阵列天线图综合设计中的应用做了研究。但多频天线或者宽带天线设计特别是卫星天线设计的研究成果极少。 科技查新报告表明国内外有关在设计天线过程中使用动态多目标演化算法设计天线的研究未见相同文献报道。
