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New methods aiming to improve the performances of aircraft flight trajectory optimization algorithms

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Dancila, Bogdan Dumitru (2017). New methods aiming to improve the performances of aircraft flight trajectory optimization algorithms. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this thesis, three investigations aimed to explore new ways for improving the performances and capabilities of the flight trajectory optimization algorithms used by the Flight Management System.

The first investigation explored a new method of selecting the geographical area considered in the flight trajectory optimization, and the construction of a corresponding routing grid. The geographical area selection method ensured the separate control over the maximal trajectory distance between the departure and destination airports, and the size of the operational area around the airports. The performances of the proposed method were analyzed using flight data from three commercial flights corresponding to short and long-haul flights. The analysis showed that the grids constructed using the proposed method had a lower number of grid nodes than the rectangular grids covering the same maximal and minimal latitudes, and longitudes. Thus, an optimization algorithm would have to evaluate a smaller number of waypoints. The analysis also showed that the proposed method was more adapted for medium and long-haul flight trajectories than for short flight trajectories.

The second investigation explored a new method for reducing the volume of recurring segment performance computations, and the execution times demanded by a flight trajectory optimization algorithm. The proposed method constructed a look-up structure, defining the still-air performance parameters of the ensemble of vertical flight path segments available for the construction of the optimal trajectory. It also constructed a corresponding graph which could be used for aiding in the selection of the vertical flight path segments. The look-up structure and graph construction used the same aircraft performance model and data as the FMS trajectory computation algorithms. The following limitations were imposed in the development of this method: 1) the set of segments defined one climb and multiple horizontal constant-speed cruise, climb-in-cruise, and descent flight paths connecting the Take-Off and the End Of Descent; 2) for each flight phase, the segments correspond to a consigned speed schedule, defined as a couple of Indicated Air Speed and Mach values, and a consigned air temperature; the cruise altitudes were limited by the imposed minimal value, and by the maximal value allowed by aircraft performances, at intervals of 1,000 ft; the number of descent paths was selected through the number of aircraft Gross Weights at the End Of Descent. A number of nine test scenarios were used to analyze the performances of the proposed method, such as: 1) the number of segments composing the look-up structure; 2) the number of graph nodes; 3) the number of possible vertical flight paths connecting the Take-Off to an End Of Descent; 4) the minimal and maximal flight time and distance values,and their corresponding vertical flight paths; 5) the distribution of the vertical flight paths’ flight time versus flight distance values; and 6) the execution times required to construct the look-up structures and graphs.

The third investigation explored a new method used for the geometrical construction of an optimal vertical flight plan as a function of the lateral flight plan waypoints’ along-the-track distance from the initial waypoint, their altitude and gradient restrictions, and a set of preferred gradient values defined as a function of flight phase and altitude. The main advantage of the proposed method resides in its reduced complexity, and in its increased processing speed relative to the speed of the methods employing the aircraft performance model. A second advantage is the generation of a ground-fixed optimized vertical flight plan, not affected by changing wind conditions. Two implementations of the proposed method adopting different segments construction strategies for consecutive segments leading to conflicting gradient and horizontal segment length requirements were analyzed using 48 test scenarios.

Titre traduit

Nouvelles méthodes ciblant l'amélioration des performances des algorithmes d'optimisation des trajectoires de vol des avions

Résumé traduit

Dans cette thèse, trois investigations ont ciblé l’exploration de nouvelles façons pour améliorer les performances des algorithmes d’optimisation des trajectoires de vol des avions utilisés par les systèmes de gestion du vol.

La première investigation a exploré une nouvelle méthode de sélection de la zone géographique considérée dans l’optimisation de la trajectoire de vol, et la construction d’une grille de routage associée. La méthode de sélection de la zone géographique a rendu possible le contrôle indépendant de la distance maximale entre les aéroports de départ et de destination, et la taille des zones opérationnelles autour des deux aéroports. Les performances de la méthode proposée ont été analysées en utilisant des données de vol en provenance de trois vols commerciaux correspondant aux courtes et longues portées. L’analyse a montré que les grilles construites en utilisant la méthode proposée ont obtenu un nombre de noeuds inférieur au nombre de noeuds correspondant aux grilles rectangulaires couvrant les memes intervalles minimales et maximales de latitudes et longitudes. Ainsi, un algorithme d’optimisation devra évaluer un nombre moins important de points de cheminement. L’analyse a montré, aussi, que la méthode proposée a été mieux adaptée pour des trajectoires de vol aux moyennes et longues portées.

La deuxième investigation a exploré une autre nouvelle méthode pour réduire le volume de calculs récurrents des performances des segments, et les temps d’exécution requis par les algorithmes d’optimisation des trajectoires de vol. La méthode proposée a créé une structure de recherche qui définit des paramètres de performance pour des conditions en air permanent, pour l’ensemble de segments des profils verticaux de vol disponibles pour la construction de la trajectoire optimale. La méthode proposée a créé aussi un graphe associé peuvant être utilisé pour la sélection des segments du profil vertical de vol. La structure de recherche et le graphe sont construits en utilisant les mêmes données et modèles de performance des avions que celles des algorithmes d’optimisation de trajectoires dans les systèmes de gestion du vol existants. Les limitations imposées dans le développement de la présente méthode ont été les suivantes : 1) l’ensemble de segments définissant des profils verticaux connectant le point de décollage et le point représentant la fin de la descente; ces segments correspondent à un chemin de montée et plusieurs chemins de vol de croisière à altitude et vitesse constantes, chemins de montée en croisière et chemins de descente; 2) pour chaque phase de vol, les segments correspondent à des consignes de vitesse définies comme des paires composées par une vitesse indiquée et un indice mach, et des températures de l’air constantes; 3) les altitudes de croisière sont limitées en bas par une valeur minimale imposée, et en haut par une valeur maximale permise par les performances de l’avion à des intervalles de 1,000 pieds; 4) le nombre de chemins de descente est défini par le nombre de valeurs du poids brut de l’avion associés au point de fin de descente. Au total, neuf scénarios de test ont été utilizes pour analyser les performances de la méthode proposée, tel que : 1) le nombre de segments composant la structure de recherche; 2) le nombre de noeuds du graphe; 3) le nombre total de profils verticaux connectant le point de décollage et chaque point de fin de descente; 4) les valeurs minimales et maximales pour les temps et distances de vol et les profils verticaux correspondants; 5) la distribution des valeurs de distance versus les valeurs de temps de vol pour l’ensemble de profils verticaux; 6) les temps d’exécution pour la construction de la structure de recherche et pour le graphe.

La troisième investigation a exploré une nouvelle méthode utilisée pour la construction géométrique du profile vertical optimal en fonction du plan de vol horizontal (notamment les distances des points de cheminement composant le plan latéral de vol par rapport au premier point de cheminement, et les contraintes d’altitude et gradient associées à chaque point de cheminement) et d’un ensemble de valeurs de gradients préférés définis en fonction de la phase de vol et l’altitude. L’avantage principal de la méthode proposée réside dans sa simplicité et dans sa vitesse de traitement augmentée par rapport à la complexité et la vitesse des méthodes utilisant le modèle de performance des avions. Un deuxième avantage est la génération des profils verticaux optimisés qui sont fixés par rapport au sol, dont qui ne changent pas avec la variation des conditions atmosphériques. Deux implementations adoptant des stratégies différentes pour les cas dans lesquels la construction de segments consécutifs conduisent aux conflits par rapport aux requis relatifs à l’emploi des valeurs de gradients préférables, et à la longueur des segments horizontaux. Les deux implementations ont été analysées en utilisant une série de 48 cas de tests.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 186-197).
Mots-clés libres: optimisation des trajectoires de vol, sélection d’une zone géographique, grille de routage, plan de vol latéral, plan de vol vertical, optimisation géométrique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 nov. 2018 21:39
Dernière modification: 16 nov. 2018 21:39
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2150

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