Geri Dön

Optimal aircraft trajectory planning based on high-resolution actual weather data

Yüksek çözünürlüklü gerçek hava durumu verileri ile optimum uçak rota planlaması

PDF İndir

  1. Tez No: 512135
  2. Yazar: ALI ALIZADEH
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE KOYUNCU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Sivil Havacılık, Aeronautical Engineering, Civil Aviation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 112

Özet

Yüksek Çözünürlüklü gerçek Hava Verilerine Dayalı Optimal Hava Taşıtları Rota Planlaması mezuniyet tezi, uzaysal ve zamansal yüksek çözünürlüklü rüzgâr ve sıcaklık verilerinden yararlanarak uçakların rüzgâra göre en iyi hız ve irtifa uçuş planlarını geliştirmektir. Hava durumu bilgisi ve optimizasyon yöntemlerinden yararlanılarak yersel uçak rota tahmini yapılmıştır. İlk olarak bu tezin amaçlarına ulaşmak için, uçak uçuş planlarının bir kısmı BADA4 tabanlı yüksek doğruluklu rota belirleyicisi kullanılarak benzetim yapıldı ve planlanan rotaların ne kadar iyi takip edildiğini gözlemlemek için ilgili QAR kaynağından alınan gerçek uçuş verileri ile karşılaştırıldı. gerçek uçuşlarda. İkinci olarak, uçuş planında rüzgar tahmininin kullanılması ile, uçak yörüngeleri sırasıyla optimize edilerek ve potansiyel yakıt ve / veya zaman tasarrufu gözlemlendi. Üçüncü olarak, rüzgar belirsizliğinin etkisinin araştırılmasıyla, uçak yörüngeleri QAR'dan gelen gerçek HRES rüzgar verisini kullanarak optimize edilmiştir ve yakıt tüketimindeki değişiklik ve geçen süre gözlemlenmiştir. Daha sonra, rüzgar-optimal yörüngeleri için ince ayar işlemi olarak maliyet indeksi ayarlama algoritması kullanılarak, rüzgar verilerine göre optimize edilmiş rüzgar-optimum CI'yı tanımlamak için yeniden eniyileme süreci olarak yeni bir yöntem kullanılmıştır. Önerilen dinamik rüzgar-optimal CI'leri, hava yolları tarafından tanımlanan CI'ya kümülatif olarak eşittir. Son olarak, rüzgar belirsizliğinin yolculuk süresi ve yolculuk sürecince tüketilen yakıt üzerindeki etkisini göstermek için 400 uzun mesafeli uçuş seti üzerinde ayrıntılı bir analiz yapılmıştır. Ayrıca toplam potansiyel yakıt ve / veya zaman tasarrufu diğer sonuçlarla birlikte detaylı olarak gösterilmiştir. Ayrıca irtifa ile rüzgar hızı gradyeninin de dikkate alınması gerektiği düşünülmüş ve sonuç olarak, seyir Mach sayısının ve seyir irtifasının birlikte rüzgar etkisi altında yakıt tüketimi için anahtar parametreler olduğu görülmüştür. Bu nedenle, rüzgardaki belirsizlik optimal olmayan koşullarda uçuşa neden olabilir. Bu belirsizliğin giderilmesi ve stratejik düzeyde en iyi rotanın planlanması, havayolu operasyonları için avantajlı sağlayacaktır. Rüzgar-optimal CI fikrini yüksek doğruluklu rota belirleyicisi kullanarak planlanmış gerçek uçuşlara uygulayarak, DCI yöntemine çok benzer bir yakıt tasarrufu sağlanmıştır. Çalışmanın bu aşamasında, düşük uçuş süresi olan kısa süreli bir uçuş ele alınmıştır , bu da varış zamanını koruyarak yakıt tasarrufu ile sonuçlanmaktadır. Analiz operasyonel uçuş planına ve gerçek uçuş verilerine göre yapılır. Bu yöntem farklı koşullara sahip farklı uçuşlara uygulanarak, önerilen metodu genelleştirmek ve doğrulamak amaçlanmıştır. Bu çalışmada açıklanan metodoloji ile elde edilen yakıt tasarrufu, SESAR (ortalama 300 - 500 kg) ile uyuşmakatadır. Rüzgar belirsizliği, uçuşların stratejik planlamasını etkilemektedir. Bu çalışma tahmini ile gerçek rüzgar bilgisi arasındaki farkın farklı yakıt tüketimlerine sahip olduğunu göstermiştir. Gerçek rüzgârın planlananlardan nasıl saptığını düşünürsek, bu çalışmada açıklanan metodoloji ile yakıt tasarrufu sağlanabilir. Bu nedenle, doğru rüzgar bilgisine ulaşarak, bu çalışmadaki yaklaşım, stratejik uçuş planını revize etmek için kullanılabilir. Sonuçlar, bu çalışmanın uzun mesafeli uçuşlara daha uygun olduğunu göstermektedir. Bu mezuniyet tezi, her biri tezin amaçlarını yerine getirmenin farklı yönleriyle ilgilenen altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm, giriş niteliğindedir ve tezin amacını, daha önce yapılmış olan çalışmaları ve bu çalışmanın katkısını açıkça tanımlamaktadır. Literatür taraması üç alt bölüme ayrılmıştır; rüzgar tahmini ve veri asimilasyonu, bu tezin her bir bölümü hakkında ayrıntılı bilgi vermek için yörünge optimizasyonu ve dinamik maliyet endeksi. İkinci bölüm, bu çalışma için gerekli olan temel bilgilere adanmıştır ve üç bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm, rüzgar belirsizliğinin uçak rotasına olan etkisini inceler ve bu analiz için ölçüm aralığı farkı metrik olarak tanımlanır.Bölüm iki uçuşun seyir safhasıyla ilgili temel arka plan bilgilerine odaklanır ve bu çalışmanın ilgi alanına giren seyir uçuşu formülasyonunu ayrıntılı olarak açıklamaktadır. Üçüncü kısım, hız ve irtifa optimizasyonu olarak iki bölümde yakıt tasarruflu yörünge optimizasyonuna ayrılmıştır. Bu tezin ana bölümü olan hız optimizasyonu, Maksimum Menzil (MRC), Uzun Menzilli Seyir (LRC) ve Ekonomi / Maliyet Endeksi (CI) olmak üzere üç farklı yöntemle ayrıntılı olarak açıklanmıştır. En sonda ise, en iyi irtifa üretimi süreci ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Üçüncü bölümde bu çalışma için veri kaynakları ve veri ayrıştırma süreci ele alınmaktadır. Türk Hava Yolları'ndan alınan uçuş planları detaylı olarak açıklanmış, daha sonra uçakların Hızlı Erişim Kaydedicisi (QAR)'dan alınan gerçek uçuş verileri açıklanmıştır. Sonunda hava durumu, NOAA GFS verileri görselleştirilip ve açıklanmıştır. Dördüncü bölüm, uçak yörüngesinin tahmin aracına odaklanmakta ve süreci adım adım tanımlamaktadır. İlk olarak, bu çalışmanın temel uçak modeli olarak , Eurocontrol BADA 4'ün neden seçildiği, aerodinamik, Motor itiş gücü ve yakıt tüketimi modeli gibi Eurocontrol BADA 3 ve BADA 4 fonksiyonları karşılaştırılarak açıklanmıştır. Daha sonra, uçak hareket modeli denklemlerinin detaylıca açıklanması ve ardından uçak dinamiğinin BADA 4'teki gibi nokta-kütle modeli olarak modellenmesi açıklanmıştır. Beşinci bölüm, bu çalışmada kullanılan metodolojiyle ilgilidir. Öncelikle, bu tezin iş akışını, girdileri, süreçleri ve istenen çıktıyı gösteren, önerilen çalışma ve yöntemin ayrıntılı bir tanımı yapılmıştır. Daha sonra, maliyet endeksi ayarlaması olan ilk çekirdek blok, ayrıntılı olarak formüle edilmiş ve açıklanmıştır. Uçak performans limitleri tanımlanarak hız optimizasyonu ayrıntılı olarak açıklanmış ve aynı zamanda optimizasyon formülü çözümünün hız planlaması için nasıl en uygun çözüm olduğu da tarif edilerek açıklanmaktadır. Daha sonra, geliştirilen rota belirleyicisinin performansını göstermek için dokuz gerçek uçuş planının benzetimi yapılmıştır ve sonuçların kabul edilebilir ve istenilir olduğu gösterilmiştir. Sonuçlar, simülasyon sonuçları ile birlikte altıncı bölümde verilmiştir. Öncelikle, rüzgar belirsizliğinin tam etkisini, gerçek rüzgar ve tahmini rüzgar arasındaki farkı, yolculuk süresi ve tüketilen yakıt, 400 uzun mesafeli uçuşun üzerinde gösterilmiştir. Daha sonra düşük çözünürlüklü rüzgar verisine karşı yüksek çözünürlüklü rüzgar verilerinin kullanılmasının simülasyon sonuçları gösterilmiş ve tartışılmış, ardından yapay uçuş planlarının oluşturulması tanımlanmış ve hız planlamasının analizi yapılmıştır. Ayrıca CI (maliyet endeksi) ayarlamanın benzetim sonuçları gösterilmiş ve tartışılmıştır. Gelecekte bu yöntemin hız ve irtifa optimizasyonuna aynı anda yaygınla¸ stırılması ve aynı zamanda rüzgar hızını ve yönünü elde etmek için gerçek zamanlı olarak uçulan uçak verilerini kullanan tüm irtifalar için yüksek çözünürlüklü bir rüzgar haritası olu¸ sturması amaçlanmaktadır. Maliyet endeksi kavramı sadece saf bir rüzgarla çalı¸ san uçu¸ slar için çalı¸ stıgı için, ön maliyetleme a¸ saması olarak maliyet endeksi ayarlama kavramının genelle¸ stirilmesi, maliyet endeksi ayarlama fikrinin gelecegine yönelik bir görünümdür. Sonuç olarak, veri analizi yakla¸ sımına dayalı olacak olan rüzgar bilgisi filtrelemeye odaklanılacaktır.

Özet (Çeviri)

The aim of the graduation thesis Optimal Aircraft Trajectory Planning based on High-resolution Actual Weather Data is to enhance the aircraft flight plans in terms of wind-optimal speed and altitude scheduling with the utilization of the spatial and temporal high-resolution wind and temperature data. It is tried to utilize the weather information and the optimization process from the viewpoint of ground-based aircraft trajectory prediction. To achieve the objectives of this thesis firstly, a bunch of the aircraft flight plans is precisely simulated using the BADA4-based high fidelity trajectory predictor and compared with the actual flown data retrieved from the respective QAR source to observe how closely the planned trajectories were followed in actual flights. Secondly, with use of the wind forecast in the flight plan, aircraft trajectories are optimized respectively and the potential fuel and/or time-saving are observed. Thirdly, With the investigation of the impact of the wind uncertainty, the aircraft trajectories are optimized utilizing the actual HRES wind data from QAR and the change in fuel consumption and elapsed time are observed. Next, utilizing the cost index adjustment algorithm as a Fine tuning process for the wind-optimal trajectories, a novel process is performed as a re-optimization process to define the wind-optimal CI optimized according to the wind data. The proposed dynamic wind-optimal CIs are cumulatively equal to the CI defined by the airlines. Finally, a detailed analysis over a set of 400 long-haul flights is done to show the impact of the wind uncertainty over the trip time and trip fuel. Also, the cumulative potential fuel and/or time savings for multiple case studies are illustrated in details along with the aggregate results. It is also emphasized that wind speed gradient with altitude should be considered as well. In result, it is seen that cruise Mach number and cruise altitude together are key parameters for fuel consumption under the wind effect. Hence, the uncertainty in the wind may cause flying at non-optimal conditions. Recovering this uncertainty and planning the best trajectory in strategical level could be advantageous for airline operations. Applying the novel idea of wind-optimal CI to the flown planned flights using high fidelity trajectory predictor, a fuel-saving purely related to the DCI method is being achieved. At this stage of the work, a short duration flight with a low number of waypoints is considered, which resulted in a fuel saving with maintaining the time of arrival. The analysis is done according to the operational flight plan and actual flight data. It is aimed to apply this method to different flights with various conditions to generalize and verify the proposed tool. The fuel savings achieved by the methodology described in this paper complies with the expected outlook by SESAR (300 - 500 kg on average). The wind uncertainty affects the strategic planning of flights. This study showed the differences between forecast and actual wind information leads to having different fuel consumptions. Considering how the actual wind deviates from the planned ones, fuel savings can be achieved by the methodology described in this paper. Therefore, having access to the accurate wind information, the approach in this work can be utilized to revise the strategic fight planning. The results show that this work is more suitable for applying to the long-haul flights. This graduation thesis is composed of six chapters, each of them dealing with different aspect of satisfying the objective of the thesis. Chapter one is introductory and describes the purpose of the thesis, the relevant works that have been done before and clearly defines the contribution of this work. The literature review is divided into three subsections; wind forecast and data assimilation, trajectory optimization and dynamic cost index to give detailed information about each part of this thesis. Chapter two is dedicated to the background information needed for this work and consists of three parts. part one analyzes the impact of the wind uncertainty over the aircraft trajectory and the along-track difference is defined as the metric for this analysis. part two focuses on the fundamental background information about the cruise phase of the flight and describes in details the cruise flight formulation, which is of the interest of this work. Part three is dedicated to the fuel-efficient trajectory optimization, divided into speed and altitude optimization. The speed optimization, which is the main part of this thesis is described in details with three different methods as Maximum Range Cruise (MRC), Long Range Cruise (LRC) and Economy/Cost Index (CI). In the end, the process of the optimal altitude generation is described in details. Chapter three deals with the data resources and data parsing process for this work. The acquired flight plans from Turkish Airlines are explained in details, then the actual flight data from the aircraft Quick Access Recorder (QAR) is described. In the end, the weather forecast, NOAA GFS data, are visualized and described. Chapter four focuses on the aircraft trajectory prediction tool and defines the process step by step. Firstly, it is described why the Eurocontrol BADA 4 is chosen as the core aircraft model of this work by comparing the Eurocontrol BADA 3 and BADA 4 functions such as aerodynamics, Engine thrust and fuel consumption model. Then, the aircraft motion modeling is defined as explaining the governing equations in details followed by modeling the aircraft dynamics as a point-mass model as in BADA 4. Chapter five is concerned with the methodology used in this work. Firstly, a detailed description of the proposed work and method is defined showing the workflow of this thesis, the inputs, processes, and the desired output. Then, the first core block, which is cost index adjustment is formulated and described in details. Speed optimization is also described in details defining the aircraft performance limits and how the solution of the optimization formula for the speed scheduling the optimal solution. Afterward, nine actual flight plans are simulated with proposed methods to show the performance of the developed trajectory predictor, which is desired and acceptable. Conclusions are drawn in chapter six along with the simulation results. Firstly, it is tried to show the exact impact of the wind uncertainty, the difference between the actual wind and the forecast wind, over the trip time and trip fuel over 400 long-haul flights. Then the simulation results of utilizing HRES wind data against low-resolution one is shown and discussed followed by the description of the generation of the artificial flight plans and analysis of speed schedule. Also, the simulation results of the CI adjustment is illustrated and discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    902019

    Air traffic control by optimal path planning

    Optimum yol planlaması ile hava trafik kontrolü

    GEORGE MUSHAYIJA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTürk Hava Kurumu Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HABİB KANBEROĞLU

  2. Tez No

    349810

    Küçük ölçekli bir helikopterin modellenmesi ve kontrolü

    A small scale helicopter modeling and control

    BAŞARAN BAHADIR KOÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. PINAR BOYRAZ

  3. Tez No

    670701

    High-speed trajectory replanning and trajectory tracking for collision avoidance

    Çarpışma önlemek için yüksek hızlı rota planlama ve rota takibi

    MEHMET HASANZADE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE KOYUNCU

  4. Tez No

    769781

    Aircraft trajectory optimization under wind effect by using optimal control: Environmental impact assessment

    Optimal kontrol ile rüzgar etkisi altında uçak rota optimizasyonu: Havacılığın çevresel etkisinin değerlendirilmesi

    FULİN SEZENOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM OZKOL

  5. Tez No

    694451

    Artificial intelligence based dynamic mission planning with probabilistic roadmaps and voronoi diagrams using predictive launch acceptability region approach

    Kestirimci fırlatmaya uygunluk bölgesi kullanarak olasılıksal yol haritaları ve voronoi diyagramları ile yapay zeka tabanlı hava-yer görev planlama

    MUSTAFA RAŞİT ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEYDA ERTEKİN BOLELLİ

Geri Dön