Evrim, İnsan Mühendislerin Yapabileceğinden Daha Başarılı Anten Tasarımları Yaratabilir mi?

Antenlerin elle tasarlanması ve optimize edilmesi şeklindeki mevcut uygulama, önemli bir alan uzmanlığı gerektirdiği ve hem zaman hem de emek bakımından yoğun olduğu için yeni ve daha iyi anten tasarımları geliştirme becerisi açısından sınırlıdır. Buna alternatif olarak, araştırmacılar, 1990'ların başından beri evrimsel anten tasarımı ve optimizasyonunu araştırıyor ve bilgisayar hızının artması ve elektromanyetik simülatörlerin gelişmesiyle bu alan son yıllarda büyüdü. Bu teknikler, doğadaki biyolojik evrimden esinlenen ve bir çözüme daha iyi ve daha iyi yaklaşımlar üretmek için en uygun olanın hayatta kalması ilkesini kullanarak potansiyel çözümler popülasyonu üzerinde çalışan bir stokastik arama yöntemi ailesi olan evrimsel algoritmalara (EA) dayanmaktadır.

Anten dizileri ve kuadrifilar sarmal antenler de dahil olmak üzere birçok anten türü incelenmiştir. Ayrıca, evrimsel algoritmalar antenleri yerinde (in-situ) yani, elektromanyetik etkileşimlerin karmaşıklığı nedeniyle anten tasarımcılarının elle yapması çok zor olan, çevredeki yapıların etkilerini dikkate alarak geliştirmek için kullanılmıştır. Yakın zamanda, NASA'nın Uzay Teknolojisi 5 (ST5) görevindeki üç uzay aracı için bir anten evrimleştirmek üzere evrimsel algoritmaları kullandık ve İzleme ve Veri Aktarım Uydularından (TDRS) biri gibi, yaklaşan diğer NASA görevleri için antenler üzerinde çalışıyoruz. Bu makalenin geri kalanında hem ST5 hem de TDRS görevleri için anten evrimi çalışmalarımızı tartışacağız.

NASA'nın ST5 Görevi İçin Evrimleştirilmiş X-Bant Anteni

NASA'nın Uzay Teknolojisi 5 (ST5) görevi, Yeni Milenyum Programı'nın bir parçasıdır ve amacı, gelecekteki uzay görevlerine uygulanmak üzere uzayın zorlu ortamında yenilikçi kavramları ve teknolojileri test etmek, göstermek ve uçuşa uygun hale getirmek için birden fazla minyatür uzay aracı fırlatmaktır. ST5 görevi, üç aylık bir süre boyunca güneş aktivitesinin Dünya'nın manyetosferi üzerindeki etkilerini ölçen ve mikro-sat olarak adlandırılan üç minyatür uydudan oluşmaktadır. Mikro uydular, yaklaşık 53 cm genişliğinde, 48 cm yüksekliğinde ve tamamen doldurulduklarında yaklaşık 25 kilogram ağırlığındadır. Her uydunun, her bir uzay aracının üstünde ve altında ortalanmış iki anteni vardır. ST5 uzay aracının görüntüleri Şekil 1'de gösterilmektedir.

Üç ST5 uzay aracının başlangıçta, Dünya'dan yaklaşık 35.000 km yüksekliğe ayarlanmış oldukça eliptik, jeosenkron transfer yörüngesinde bir "inci dizisi" takımyıldızı konfigürasyonunda yörüngeye oturması amaçlanmıştı ve iletişim antenleri için ilk gereksinimler şöyleydi:

• Kazanç örüntüsü, sağ dairesel polarizasyon için $40°\le \theta \le 80°$ ve $0°\le \phi \le 360°$ değerlerinde 0 dBic (dairesel polarizasyonlu izotropik bir ışıyıcıya referansla desibel) veya daha büyük olmalıdır.
• Antenin gerilim durağan dalga oranı (VSWR) gönderim frekansında (8470 MHz) 1,2'nin altında ve alım frekansında (7209,125 MHz) 1,5'in altında olmalıdır.
• Hem gönderme hem de alma frekanslarında giriş empedansı 50 Ω olmalıdır.
• Antenin şekli 165 g'ın altında bir kütleye ve 15.24 cm çapında ve yüksekliğinde bir silindire sığacak şekilde sınırlandırılmıştır.

Ancak, ilk evrimleşmiş antenimiz uçuş yeterlilik testlerinden hâlihazırda geçerken, görevin yörünge misyonu NASA tarafından değiştirildi: Çok daha alçak bir dünya yörüngesine yerleştirildi ve bu, görevin özelliklerini tamamen değiştirildi. Ek spesifikasyonlar nedeniyle kazanç modelinin $0°\le \theta \le 40°$'de -5 dBic'den büyük veya eşit olması gerekiyordu.

ST5 görevi için ilk anteni üretmek amacıyla, evrimleştirmek için uygun bir anten sınıfı seçtik, evrimsel tasarım sistemlerimizi bu sınıf için yapılandırdık ve ardından gereksinimleri karşılayan bir dizi anten tasarımını evrimleştirdik. Evrimsel sistemimizde, çoğunlukla uyum fonksiyonunda yaptığımız minimal değişikliklerle, revize edilen görev gereksinimleri için yeni antenler evrimleştirebildik ve bu değişiklikten sonraki bir ay içinde yeni bir anten tasarlandı ve prototiplendi.

İlk Evrimsel Anten Tasarım Sistemleri

İlk tasarım gereksinimlerini karşılamak için evrimsel tasarımımızı, her bir kolun komşularından 90° döndürüldüğü dört özdeş kola sahip tek kutuplu bir tel antenle sınırlandırmaya karar verildi. Bu tür bir anten üretmek için EA, tek bir kolun tanımını evrimleştirir ve bu bireyleri, evrimleşen kolun dört kopyasını kullanarak tam bir anten inşa ederek değerlendirir.

Antenin tek bir kolunu kodlamak için kullandığımız temsil, bir kolu "inşa etmek" için açık uçlu, üretken bir temsilden oluşmaktadır. Antenleri kodlamak için kullanılan bu üretken temsil, çubuk tabanlı robotları kodlamak için doğrusal bir temsil kullanan önceki çalışmamızın bir uzantısıdır. Ağaç yapılı temsildeki her düğüm, bir anten inşa operatörüdür ve kök düğümden başlayarak ağaçtaki her düğümdeki operatörler çalıştırılarak bir anten oluşturulur. Bir anten inşa edilirken mevcut durum (konum ve yönelim) korunur ve operatörler tel ekler veya mevcut durumu değiştirir. Operatörler, aşağıdaki gibidir:

• forward (uzunluk, yarıçap): mevcut konumdan uzanan verilen uzunluk ve yarıçapa sahip bir tel ekler ve ardından mevcut durum konumunu yeni telin sonuna değiştirir
• rotate-x (açı): x ekseni etrafında belirtilen miktarda (radyan cinsinden) döndürerek yönelimi değiştirir
• rotate-y (açı): y ekseni etrafında belirtilen miktarda (radyan cinsinden) döndürerek yönelimi değiştirir
• rotate-z (açı): z ekseni etrafında belirtilen miktarda (radyan cinsinden) döndürerek yönelimi değiştirir.

Bir anten tasarımı, bir başlangıç besleme teli ile başlanarak ve teller eklenerek oluşturulur. Başlangıç besleme teli, Z ekseni boyunca 0,4 cm uzunluğunda olacak şekilde orijinden başlayacak şekilde ayarlanmıştır. Buna ek olarak, tel parçalarının yarıçapı bir çalışmanın başlangıcında sabitlendi ve tüm anten tasarımlarındaki tüm tel parçaları aynı yarıçapa sahip oldu. Z ekseni etrafında dört yönlü simetrik antenler üretmek için, yapım süreci tamamen pozitif XY çeyreğinde bulunan anten telleri üretmekle sınırlandırılmış ve yapım tamamlandıktan sonra bu kol üç kez kopyalanmış ve bu kopyalar 90°/180°/270° döndürülerek diğer çeyreklerin her birine yerleştirilmiştir.

Antenleri değerlendirmek için kullanılan uyum fonksiyonu, gönderme ve alma frekanslarındaki VSWR ve kazanç değerlerinin bir fonksiyonudur. Uyum fonksiyonunun kazanç bileşeni, ilgilenilen açılarda ($40°\le \theta \le 90°$ ve $0°\le \phi \le 360°$) 5°'lik artışlarla kazancı (dBic cinsinden) kullanır ve bir kazanç_error bileşeni ile bir kazanç dışlayıcı bileşeninden oluşur. Uygunluk fonksiyonunun kazanç_hata bileşeni, En Küçük Kareler Hata fonksiyonunun değiştirilmiş bir versiyonudur ve daha sonra antenin revize edilmiş görev özellikleri için evrimleştirilmesi amacıyla değiştirilmiştir. Gain_outlier bileşeni, kazanç değerinin kabul edilebilir minimum değerin altında olduğu örnek noktalarının sayısının ölçeklendirilmiş bir sayısıdır. Uygunluk fonksiyonunun VSWR bileşeni, 1,2 ve 1,5 değerlerinin altında alıcı ve verici VSWR değerlerine sahip antenlerin evrimleştirilmesine yönelik güçlü bir baskı oluşturacak, bu gereksinimlerin altındaki bir değerde (1,15 ve 1,25) baskıyı azaltacak ve daha sonra 1,1'in altına inme baskısı olmayacak şekilde oluşturulmuştur.

Bu üç bileşen birlikte çarpılarak anten tasarımının genel uygunluk puanı elde edilir:

$F=\text{vswr}\times gai{n}_{error}\times gai{n}_{outlier}$

EA'nın amacı, $F$ 'yi minimize eden anten tasarımları üretmektir.

Revize Edilmiş Evrimsel Anten Tasarım Sistemleri

Yeni görev gereksinimleri, hem evrimleştirdiğimiz anten tipini hem de kullandığımız uygunluk fonksiyonlarını değiştirmemizi gerektirdi. ST5 görevi için evrimleştirdiğimiz orijinal antenler, dört özdeş kola sahip tek kutuplu tel antenlerle sınırlıydı, ancak simetri nedeniyle bu dört kollu tasarım zenitte bir sıfıra sahip ve revize edilmiş görev için kabul edilemezdi.

Yeni görev gereksinimlerini karşılayan bir anten elde etmek için araştırmaya karar verdiğimiz revize anten tasarım uzayı, tek bir koldan oluşuyor. Buna ek olarak, dallanan antenleri gerekli hassasiyette üretmekte yaşadığımız zorluklar nedeniyle, anten tasarımlarımızı dallanmayan antenlerle sınırladık. Son olarak, uydu yaklaşık 40 RPM hızla döndüğü için, antenlerin azimutta tekdüze bir kazanç örüntüsüne sahip olması önemlidir ve bu nedenle uygunluk fonksiyonunun gainoutlier bileşenini çıkardık ve yerine bir gain_smoothness bileşeni koyduk. Bu üç bileşen birlikte çarpılarak anten tasarımının minimize edilmesi gereken genel uygunluk skoru elde edilir:

$F=\text{vswr}\times kazan{ç}_{error}\times gai{n}_{smoothness}$

Revize edilmiş uygunluk fonksiyonu için VSWR bileşeni aynı tutulmuş ancak kazançerror bileşeninde değişiklikler yapılmıştır. Uygunluk fonksiyonunun orijinal kazançerror bileşeni her yükseklik açısı için aynı ağırlıklandırma ve hedef kazanç değerine sahipken, revize edilen kazanç bileşeni her yükseklik için farklı bir hedef kazanca ve ağırlığa izin vermektedir:

gain_penalty(i, j): 
    gain=calculated gain at θ=5°i ,φ=5°j; 
    if(gain≥target[i]){ 
          penalty:=0.0; 
        } else if((target[i]>gain)and(gain≥outlier[i])){ 
          penalty:=(target[i]-gain); 
        } else{/*outlier[i]>gain*/ 
          penalty:=(target[i]-outlier[i])+3.0*(outlier[i]-gain)); 
        } 
  return penalty*weight[i];
  

Belirli bir yükseklikteki hedef kazanç değerleri $\text{target[ ]}$ dizisinde saklanır ve

• $i$ değeri 0'dan 16'ya eşitse 2,0 dBic;
• $i$ değeri 17 ve 18'e eşitse -3,0 dBic'tir.

Her bir yükseklik için aykırı kazanç değerleri $\text{outlier[ ] }$dizisinde saklanır ve

• $i$ değeri 0 ila 16 arasında ise 0,0 dBic,
• $i$ değeri 17 ve 18 arasında ise -5,0 dBic'tir.

Her kazanç cezası $\text{weight[ ] }$dizisinde puanlanan değerlerle ölçeklendirilir. Düşük bant için $\text{weight[ ]}$ dizisinin değerleri

• 0 ila 7 arasındaki $i$ değerleri için 0,1;
• 8 ila 16 arasındaki $i$ değerleri için 1,0;
• 17 ve 18 arasındaki $i$ değerleri için 0,05'tir.

Yüksek bant için $\text{weight[ ]}$ değerleri

• 0 ila 7 arasındaki $i$ değerleri için 0,4;
• 8 ila 12 arasındaki $i$ değerleri için 3,0'dır;
• 13'e eşit $i$ için 3.5;
• 14'e eşit $i$ için 4.0;
• 15'e eşit $i$ için 3.5;
• 16'ya eşit $i$ için 3.0;
• 17 ve 18'e eşit $i$ için 0.2'dir.

Uygunluk puanının nihai kazanç bileşeni, tüm açılar için kazanç cezalarının toplamıdır.

Her yükseklikte düzgün kazanç örüntülerine sahip antenler üretme konusunda evrimsel bir baskı oluşturmak için, bir antenin puanlanmasında üçüncü bileşen kazanç değerlerinin standart sapmasına dayanır. Bu puan, her bir yükseklik $\theta$ için kazanç değerlerinin standart sapmasının ağırlıklı bir toplamıdır. Belirli bir yükseklik için kullanılan ağırlık değeri, kazanç cezasının hesaplanmasında kullanılanla aynıdır.

ST5 Sonuçları

Başlangıçtaki görev şartlarını karşılamak için çok sayıda evrim çalışması gerçekleştirdik ve bunlar arasından en iyi anten tasarımı olan ST5-3-10'u üretim ve test için seçtik (Şekil 2.(a)). Bu anten, başlangıçtaki görev gereksinimlerini karşılıyordu ve görevin yörüngesi değiştirilene kadar görevde kullanılma yolunda ilerliyordu. Sistemimizi revize edilen gereksinimleri karşılayacak şekilde değiştirdikten sonra ST5-33-142-7 antenini evrimleştirdik (Şekil 2.(b)).

Agora Bilim Pazarı

Edebiyat Fabrikası ve Seçme Yazılar

“İnsanın içine yerleşen ve orada ölen hisler vardır. İnsanın zayıflığının bir emaresidir bu. Sebebi itibarıyla küçük ama insanda yanıp, tükenip, dağılıp, kendine bir yer edinemeyip de hayatın ateşiyle savrulup giden, görünmez olduklarından insanın içinde nasıl barındıkları kestirilemeyen hisler vardır. Şöyle olur: İnsan çalışır, başka da bir şey yapmaz. Yüzlerce insan geçip gitti, onlarla birlikte çalışan insan görüntüsünün yarattığı izlenim de içlerinde parlayıp söndü. Sonra bir kişi daha gelip geçerken bu olağan durumda başka bir şey gördü. Gördükleri içinde sönmeyen, o küçücük şey koskocaman oldu, ona ıstırap verip dışarıya çıkmak için kıvrandırıp durdu. İşte o kişi hislerini kâğıda döktü, böylelikle rahatladı.”

Andrey Platonov’un yetkin kalemi yalnızca kurmaca eserlerde değil, denemeleri ve eleştiri yazılarında da hayat buluyor. Edebiyat Fabrikası’nda Platonov'un bu kurmacadışı metinleri, edebiyatın ve sanatın toplumsal dönüşümlerle nasıl etkilendiğini, yazarların bu değişimlere nasıl yanıt verdiğini ve edebiyatın insanların ve dönemin ruhunu nasıl şekillendirdiğini tartışıyor. Bu kitap, yazarın felsefi, siyasi ve edebi görüşlerini, toplumsal meselelere bakış açısını ve sanat anlayışını keşfetmek isteyen okurlara tatminkâr bir okuma sunuyor.

Devamını Göster

₺120.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Yazılımımızı değiştirmek ve bu ikinci anten tasarımını evrimleştirmek toplamda bir aydan kısa sürdü; bu tasarımın görev gereksinimlerine uygunluğu NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi'ndeki yankısız test odasında yapılan testlerle doğrulandı. ST5 görevi 22 Mart 2006'da ST5-33-142-7 antenlerinden biri olarak evrimleştirilmiş anteni kullanarak başarıyla uzaya fırlatıldı. Bu anten, herhangi bir uygulama için kullanılan ilk bilgisayarla evrimleştirilmiş antendir ve uzaydaki ilk bilgisayarla evrimleştirilmiş donanımdır.

Evrim, İnsan Mühendislerden Daha Başarılı!

Geleneksel tasarım teknikleriyle karşılaştırıldığında, evrimleştirilen anten güç tüketimi, üretim süresi, karmaşıklık ve performans açısından bir dizi avantaja sahiptir.

Başlangıçta ST5 görev yöneticileri bu görev için bir anten tasarlaması ve üretmesi için bir yüklenici ile anlaşmışlardı. Yüklenici geleneksel tasarım yöntemlerini kullanarak bir quadrifilar helix anten (QHA) üretti. Şekil 3'te ST5 maketi üzerinde bizim geliştirdiğimiz anten ile geleneksel QHA anteninin performans karşılaştırmaları gösterilmektedir. Her uzay aracında biri üstte diğeri altta olmak üzere iki anten kullanıldığından, uzay aracına monte edilmiş iki antenle genel kazanç örüntüsünü ölçmek önemlidir. İki QHA ile %38 verimlilik elde edilmiş, bir QHA'nın evrimleşmiş bir antenle kullanılması %80 verimlilik sağlamış ve iki evrimleşmiş antenin kullanılması %93 verimlilikle sonuçlanmıştır. Daha düşük güç gereksinimleri, daha geniş bir eğim açısı aralığında yüksek kazanç elde edilmesinden kaynaklanır, böylece maksimum veri çıkışının elde edilebileceği daha geniş bir açı aralığına izin verir.

Evrilmiş anten faz devresi gerektirmediğinden, daha az tasarım ve üretim çalışması gerekir ve daha az parçaya sahip olmak daha yüksek güvenilirlikle sonuçlanabilir. Genel çalışma açısından, evrimleşmiş antenin tasarımı ve üretimi için yaklaşık üç ay gerekirken, geleneksel antenin tasarımı ve üretimi için yaklaşık beş ay gerekmiştir. Son olarak, evrimleşmiş anten, en çok ilgi çeken yüksekliklerde (40° - 80°) sadece küçük dalgalanmalarla tekdüze bir örüntüye sahip olduğu için daha düzgün bir kapsama alanına sahiptir. Bu, yere göre yükseklik açısı değiştikçe güvenilir bir performans sağlar.

TDRS-C için S-bandı Anten

En son projemizde, NASA'nın TDRS-C iletişim uydusunun gereksinimlerini karşılayan bir S-bandı faz dizili anten elemanı tasarımı geliştirdik. Bu görevin önümüzdeki on yılın başlarında fırlatılması planlanıyor ve orijinal şartnamede, biri sadece alma ve diğeri gönderme/alma için olmak üzere iki tip eleman isteniyordu. Evrimsel bir algoritma ve stokastik bir tepe tırmanıcı kombinasyonu kullanarak her iki spesifikasyonu da karşılayan tek bir eleman tasarımı evrimleştirmeyi başardık, böylece anteni basitleştirdik ve test ve entegrasyon maliyetlerini azalttık.

TDRS-C, 46 elemanlı bir faz dizisi de dahil olmak üzere bir dizi anten taşıyacak şekilde tasarlanmıştır. Eleman aralığı yaklaşık $2\lambda$'da üçgen şeklindedir. Her bir eleman kazancı, her iki polarizasyonda da boresight üzerinde > 15dBic ve boresight dışında θ = 20° 'ye kadar > 10dBic olmalıdır. θ > 30° için kazanç < 5dBic olmalıdır. Eksenel oran, görüş alanı üzerinde ≤ 5dB (0 - 20°). Yalnızca alma elemanı bant genişliği 2200-2300 MHz'i ve gönderme ve alma elemanı bant genişliği 2030-2113,5 MHz'i kapsar. Giriş empedansı 50Ω'dur. Eleman aralığı maksimum ayak izini belirler ve spesifikasyonda maksimum yükseklik yoktur, ancak yüksekliği ve kütleyi en aza indirmek bir tasarım hedefidir. Oldukça geniş bir bant genişliği, gerekli verimlilik ve yüksek kazançta dairesel polarizasyonun birleşimi, başka bir zorlu tasarım problemi oluşturur.

TDRS-C için Evrimsel Algoritma Yapılandırması

Evrimsel tasarımımızı çapraz elemanlı bir yagi antenle sınırladık. Uzay aracına en yakın eleman hafifçe ayrılmıştır ve bu iki tel her iki anlamda da dairesel polarizasyon yaratacak şekilde beslenebilir. Birincisi de dahil olmak üzere tüm çapraz elemanlar evrimsel olarak aralıklandırılmış ve boyutlandırılmıştır.

Bu anten probleminde, bir anteni kodlamak için kullandığımız gösterim, kayan nokta sayılarının sabit uzunluktaki bir listesinden ($X_i$) oluşur. Varyasyon operatörlerini basitleştirmek için tüm $X_i$ 0 - 1 aralığındadır.

Anten parametreleri, makul parametreler üretmek için seçilen bir aralıkta doğrusal enterpolasyonla $X_i$ adresinden belirlenir. $X_1$ antenin yüksekliğini en düşük frekansta (2030 MHz) $3\lambda -4\lambda$ aralığında belirler. Kalan çiftler ($(X_{2n+1},X_{2n+2}),n\ge 0$) her bir çapraz elemanın boyutunu ve aralığını belirler (ilk, ayrılmış olan dahil). $X_{2n+1}$ elemanlar arasındaki boşluğu, $X_{2n+2}$ ise çaprazlamanın boyutunu belirler. İlk eleman için bu, $0,001\lambda -1,5\lambda$ aralığında çaprazın mutlak boyutudur. Kalan elemanlar için bu $0.8s-1.2s$ aralığındadır ve burada s bir önceki elemanın boyutudur.

Antenlerin uygunluğu, 2030, 2075, 2120, 2210, 2255 ve 2300 MHz'deki duran dalga oranı (VSWR) ve kazanç değerlerinin bir fonksiyonudur. En aza indirilecek bu uygunluk fonksiyonu şöyledir:

${\Sigma }_{f}rms(3,v_f{)}^5+rms(1.5,v_f)+rms(1.0,v_f)+min(0,15.25-g_{f_0})+min(0,10.25-g_{f_{20}})$

Burada $rms(t,v)$ bir hedef değerin $t$ üzerindeki bir değerin kök ortalama karesi, $v_f$ frekansındaki VSWR, $g_{f_0}$ boresight'taki kazanç ve $g_{f_{2}0}$ boresight dışındaki kazançtır. Üçün üzerindeki bir VSWR değerinin ciddi şekilde cezalandırıldığını ve iyileştirmelerin her zaman ödüllendirildiğini unutmayın. Simülasyon hiçbir zaman tam olarak doğru olmadığından, boresight'ta ve 20° boresight dışında kazanç, bir güvenlik faktörü ile temizlenene kadar teşvik edilir. Yan lobun en aza indirilmesi açıkça teşvik edilmemektedir, ancak bu, boresight yakınındaki yüksek kazancın bir yan etkisi olarak elde edilir.

TDRS-C Sonuçları

ST5 görevi için bir anten geliştirme çalışmamızdan farklı olarak, TDRS-C için bir anten geliştirmek amacıyla anten tasarımları üretmek için üç aşamalı bir prosedür kullanmaya karar verdik. İlk aşamada, yaklaşık 150 kararlı durum evrimsel algoritma süreci, her biri 50.000'e kadar değerlendirme için çalıştırıldı ve birçok parametre rastgele ayarlandı (örneğin, popülasyon boyutu, çapraz eleman sayısı, varyasyon operatörleri).

İkinci aşamada, bu çalışmaların her birinden elde edilen en iyi anten, rastgele mutasyon varyasyon operatörleri ile stokastik bir tepe tırmanma süreci için bir başlangıç noktası olarak kullanılmıştır. Bu süreçlerin her biri 100.000 değerlendirmeye kadar çalışmıştır. Üçüncü ve son aşamada, ikinci aşamadaki en iyi 23 anten, 100.000 değerlendirmeye kadar başka bir tepe tırmanma prosedürüne tabi tutulmuştur. Bu üç aşama da Java ile yazılmış ve NASA Ames'te geliştirilen JavaGenes10 genel amaçlı, açık kaynaklı stokastik arama kodu kullanılarak yürütülmüştür. Ayrıca, tüm anten tasarımlarını değerlendirmek için Sayısal Elektromanyetik Kodu, Sürüm 4 (NEC4) kullanılmıştır.

Bilgisayar destekli optimizasyonun üçüncü aşamasının sonunda, bu sürece tabi tutulan 23 tasarımın çoğu spesifikasyonları karşılamaya çok yakındı ve bir anten tasarımı spesifikasyonları aştı. Bu tasarımlar arasından görev özelliklerini aşan bir tasarım, daha hassas bir elektromanyetik yazılım olan WIPL-D sürüm 5.2 ile daha ileri bir analize tabi tutuldu. Burada, tasarım başka bir evrimsel algoritma süreciyle bazı küçük ayarlamalardan geçirildi ve bu son anten tasarımı daha sonra üretildi ve test edildi. Sonuçlar simülasyon ile büyük ölçüde tutarlıdır. Kazanç ve S1,1 grafikleri Şekil 5'de gösterilmiştir. Bundan sonrası görev yöneticilerinin bu anteni mi yoksa insan tasarımı bir anteni mi seçeceklerine bağlı.

Sonuç

Bu makalede iki NASA görevi için anten geliştirme çalışmalarımızı anlattık. Hem ST5 görevi hem de TDRS-C görevleri için evrimsel algoritmalarımızı kurmak ve ilk evrimsel anten tasarımlarını üretmek yaklaşık üç ay sürdü. Görev gereksinimlerindeki değişiklikle birlikte ST5 görevinde ST5-33.142.7 antenini geliştirmek yaklaşık 4 hafta sürmüştü ve TDRS-C görevi için gereksinimlerde böyle bir değişiklik olması durumunda, revize edilen özellikleri karşılayan yeni bir anten tasarımını bir aydan kısa bir sürede üretebileceğimizi umuyoruz. Yaklaşımımız, ST5 uzay aracının 22 Mart 2006 tarihinde başarıyla fırlatılması ve görev ömrü boyunca başarılı bir şekilde çalışmasıyla doğrulanmıştır.

Uzaydaki ilk evrimleşmiş donanım olmasının yanı sıra, evrimleşmiş antenlerimiz geleneksel olarak tasarlanmış antenlere ve genel olarak manuel tasarıma göre çeşitli avantajlar göstermektedir. Kullandığımız evrimsel algoritmalar daha önce geliştirilmiş anten şekillerinin varyasyonlarıyla sınırlı kalmamış, birçoğu uzman anten tasarımcılarının üretemeyeceği sıra dışı yapılara sahip binlerce tamamen yeni tasarım türü üretmiş ve test etmiştir. EA'lar bu kadar geniş bir yelpazedeki tasarımları keşfederek daha önce ulaşılamayan performansa sahip tasarımlar üretilebilirler. Örneğin, evrimleştirdiğimiz en iyi antenler, daha geniş bir yükselme açısı aralığında yüksek kazanç elde eder, bu da maksimum veri çıktısının elde edilebileceği daha geniş bir açı aralığına izin verir ve güneş dizisinden ve pillerden daha az güç gerektirebilir. Evrimsel tasarım yaklaşımıyla, geleneksel olarak tasarlanan anten için 5 insan-ayına karşılık ilk evrimleşmiş antenleri oluşturmak yaklaşık 3 insan-aylık bir çalışma gerektirdi ve görev yörüngesi değiştiğinde, evrimsel yaklaşımla algoritmalarımızı değiştirebildik ve yeni yörünge ve prototip donanım için özel olarak tasarlanmış yeni antenleri 4 hafta içinde yeniden evrimleştirebildik. Evrimsel yaklaşımın daha hızlı tasarım döngüleri, daha az geliştirme maliyeti ile sonuçlanır ve farklı senaryolar için yinelemeli bir "ya böyle olsaydı?" (İng: "what-if") tasarım ve test yaklaşımına izin verir.

NASA'nın görev gereksinimleri sık sık değiştiğinden, değişen gereksinimlere hızla yanıt verme yeteneği NASA için büyük önem taşımaktadır. Bilgisayar donanımı giderek daha güçlü hale geldikçe ve bilgisayar modelleme paketleri farklı tasarım alanlarını simüle etmede daha iyi hale geldikçe, evrimsel tasarım sistemlerinin daha geniş bir yelpazedeki tasarım problemlerinde daha kullanışlı hale gelmesini ve daha geniş bir kabul ve endüstriyel kullanım kazanmasını bekliyoruz.