Vertical and lateral flight optimization algorithm and missed approach cost calculation

Murrieta Mendoza, Alejandro (2013). Vertical and lateral flight optimization algorithm and missed approach cost calculation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Flight trajectory optimization is being looked as a way of reducing flight costs, fuel burned and emissions generated by the fuel consumption. The objective of this work is to find the optimal trajectory between two points.

To find the optimal trajectory, the parameters of weight, cost index, initial coordinates, and meteorological conditions along the route are provided to the algorithm. This algorithm finds the trajectory where the global cost is the most economical. The global cost is a compromise between fuel burned and flight time, this is determined using a cost index that assigns a cost in terms of fuel to the flight time. The optimization is achieved by calculating a candidate optimal cruise trajectory profile from all the combinations available in the aircraft performance database. With this cruise candidate profile, more cruises profiles are calculated taken into account the climb and descend costs. During cruise, step climbs are evaluated to optimize the trajectory. The different trajectories are compared and the most economical one is defined as the optimal vertical navigation profile.

From the optimal vertical navigation profile, different lateral routes are tested. Taking advantage of the meteorological influence, the algorithm looks for the lateral navigation trajectory where the global cost is the most economical. That route is then selected as the optimal lateral navigation profile.

The meteorological data was obtained from environment Canada. The new way of obtaining data from the grid from environment Canada proposed in this work resulted in an important computation time reduction compared against other methods such as bilinear interpolation.

The algorithm developed here was evaluated in two different aircraft: the Lockheed L-1011 and the Sukhoi Russian regional jet. The algorithm was developed in MATLAB, and the validation was performed using Flight-Sim by Presagis and the FMS CMA-9000 by CMC Electronics – Esterline.

At the end of this work a new method of calculating the missed approach fuel burned and its emissions is developed and explained. This calculation was performed using an emissions database and a Visual Basic for applications code in Excel.

Résumé traduit

L’optimisation de trajectoires de vol des aéronefs est vue comme une possibilité pour réduire le coût de vol, le carburant consommé, et les émissions des particules qui en découler. L’objective du travail présenté ici est de trouver la trajectoire optimale entre deux points.

Pour trouver la trajectoire optimale, les paramètres qui doivent être fournis à l’algorithme sont le poids de décollage de l’avion, les coordonnées initiales et finales de la trajectoire, et l’information météo en la route. L’algorithme donne la trajectoire dans laquelle le coût global de vol est le minimum. Le coût global est un compromis entre le carburant consommé dans une trajectoire et le temps de vol. Il est déterminé avec l’indice de coût, lequel donne un coût en kilogrammes de carburant au temps de vol. L’optimisation dans l’algorithme est réalisée en calculant un profil candidat optimal de trajectoire en croisière. Ce profil est trouvé en réalisant des calculs à l’aide de la « Performance Database » de l’avion. Avec le profil candidat comme référence, différentes croisières sont calculées, et le coût global est déterminé avec l’influence du coût de montée et de descente. Pendant la croisière, des « step climbs » sont évalués pour optimiser le coût de cette phase de vol. Les différentes trajectoires calculées sont comparées et la plus économique est déterminée comme la trajectoire optimale pour le profil vertical.

Avec le profil vertical optimal, différentes trajectoires latérales sont évaluées. En considérant les effets météo, les coûts des routes latérales sont évalués et la route latérale avec le coût global le plus économique est choisie comme la route latérale optimale.

L’information météo a été obtenue du site internet de météo Canada. La nouvelle façon d’obtenir les données du grillage de météo Canada proposée ici aide à économiser les temps de calcul contre des méthodes comme l’interpolation bilinéaire.

L’algorithme développé a été évalué avec deux avions différents : le Lockheed L-1011 et le Sukhoi Russian regional jet. L’algorithme a été développé avec le logiciel MATLAB, et la validation a été effectuée avec l’aide de Flight-Sim de Presagis, et le FMS CMA-9000 de CMC Electronics – Esterline.

À la fin de ce mémoire, la nouvelle méthode pour calculer le carburant consommé pendant les « missed approaches » et ses émissions est développée et expliquée. Les calculs sont faits avec l’aide d’une basse de données et d’un code de Visual Basic développé en Excel.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for a master's degree in aerospace engineering" Bibliogr. : p. [111]-114.
Mots-clés libres:	Vol. Optimisation des trajectoires. Algorithmes optimaux. Coût. Avions Carburants. Météorologie. Lockheed (Avions) latéral, sukhoi, vertical
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	30 juill. 2013 16:19
Dernière modification:	08 févr. 2018 21:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1188

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