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
- Tez No: 769781
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Optimal Kontrol ile Rüzgar Etkisi Altında Uçak Rota Optimizasyonu ve Havacılığın Uçak Emisyonları Bakımından Çevreye Etkisinin İncelenmesi yüksek lisans mezuniyet tezinin amacı, yakıt tüketimi, zaman ve hava kirleticilerini minimize ederek, rüzgar ve hava durumuna göre optimize edilmiş seyir fazındaki en iyilenmiş uçak rotalarını bulmaktır. Rüzgar faktörü dikkate alınarak hesaplanan uçuş rotaları, yakıt tüketimini azaltmak açısından ciddi bir önlem olarak kabul edilir. Ayrıca, hava durumu bilgisi dahil ederek incelenen modellerin, dahil edilmeyenlere göre daha gerçekçi sonuçlar verdiği bilinmektedir. Rota planlama hesaplamaları, rüzgar tahminleri, operasyonel kısıtlar, yakıt miktarı, uçak performansı, atmosferik koşullar gibi çeşitli unsurlardan oluşur. Sıcaklık, basınç ve hava yoğunluğu parametreleri standart atmosfer değerleri olarak kabul edilir. Kullanılan performans modeli BADA'ya dayanmaktadır. Tezin amaçlarına ulaşmak adına öncelikle işlem kolaylığı açısından problem 2 boyutta denenmiştir. Bu aşamada basit bir hesaplamayla oluşturulan rüzgar denklemi yatay düzlemdeki hareket denklemlerine eklenmiştir. Rüzgarın yatay bileşenlerinin etkisi nümerik simülasyonda açıkça görülmüştür. İkinci olarak, problem BADA 3'e göre oluşturulup, 3 boyutta uçuş süresini ve yakıtı minimize edecek şekilde çözülmüştür. Eş zamanlı olarak Küresel Tahmin Sistemi (GFS)'nden elde edilen rüzgar tablo verileri ile rüzgar modeli oluşturulmaya başlanmıştır. Küresel Tahmin Sistemi (GFS), Ulusal Çevresel Tahmin Merkezleri (NCEP) tarafından geliştirilen bir hava tahmini modelidir. Bu çalışmada rüzgar durağan kabul edilmiştir, rüzgar belirsizliği bu çalışma kapsamında dahil edilmemiştir. Küresel Tahmin Sistemi (GFS)'nden elde edilen rüzgar tablo verileri içerisinde hatalı ölçümler bulunduğundan öncelikle interpolasyon yöntemi uygulanarak veriler iyileştirilmiş ve gerçek veri ile interpole edilmiş veri arasındaki hata farkı en az olacak şekilde düzenlenmiştir. Daha sonra, düzenlenmiş veri ile rüzgar denklemleri yedi barometrik irtifa değeri için ayrı ayrı elde edilmiştir. Üçüncü olarak, uçuş süresi ve yakıt tüketimine ek olarak, çok amaçlı optimizasyon problemini çözmek için ICAO Motor Egzoz Veri Bankası [29] ve Boeing Metot 2 [30] esas alınarak emisyon modeli oluşturulmuştur. Geliştirilen yeni model, BADA 4 temel alınarak oluşturulan simülasyon ortamına uygulanmıştır. Son olarak, elde edilen yatay düzlemde rüzgar denklemleri de BADA 4 temel alınarak geliştirilen simülasyon ortamına dahil edilerek hedeflenen model oluşturulmuştur. Rüzgar verisi ile aynı gün için seçilen gerçek uçuş planından, vaka analizinde incelenmek üzere önceden belirlenen rotalar filtrelenmiştir. Uçuş yapılan alan çıkartılıp, o bölge için rüzgar modeli elde edilmiştir. Seçilen rota için bir günlük bütün uçuşlar incelenmiştir. Rüzgar denklemleri uçuş saatleri dikkate alınarak hesaplanmıştır. Gerçek uçuş planından elde edilen istenilen rotaya ait uçuş bilgilerine göre simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Uçağın seyir fazına başladığı ve bitirdiği noktalara referans alınarak simülasyon ortamında en iyilenmiş rotalar hesaplanmıştır. Böylelikle daha önce incelenmemiş Türkiye hava sahası, İstanbul-Ankara uçuşları özelinde vaka analizi olarak sunulmuştur. İkinci bir vaka analizi olarak, Avrupa hava sahası, Paris-Frankfurt uçuşları özelinde sunulmuştur. Bu çalışmalar sırasında, seyir hızının ve seyir irtifasının, rüzgar etkisi altında yakıt tüketimi açısından kritik önem taşıdığı açıkça görülmüştür. Ayrıca bu çalışmaların sonucunda, önerilen modelin uçuş mesafesi arttıkça daha etkili sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Bu çalışma, tezin aşamalarını anlatan beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm tez konusuna genel bir giriş niteliğindedir. Tez konusu açıklanıp amaçlarından bahsedilmiştir, konunun önemi ve neden ihtiyaç duyulduğu sunulmuştur. Bu bölüm, üç alt başlıktan oluşmaktadır. İlk olarak tezin kapsamı ve katkılarından bahsedilmiştir. Daha sonra geniş bir literatür taraması yapılarak bu alanda yapılan çalışmalar sunulmuştur. Son olarak ise tezin yapısından bahsedilmiştir. İkinci bölümde bu çalışma için gerekli olan matematiksel model anlatılmıştır. Seyir fazındaki uçaklar için rüzgara göre optimize edilmiş rotalar, doğrusal olmayan bir optimal kontrol problemi çözülerek üretilir. Bunun sebeple, öncelikli olarak optimal kontrol probleminin genel gösterimi ve çözüm tekniklerinden bahsedilmiştir. Bu çözüm tekniklerinin probleme uygunlukları tartışılıp, problemin nasıl bir yöntemle çözüleceği anlatılmıştır. Çok amaçlı optimizasyon problemlerinin, tek amaçlı optimizasyon problemlerine göre daha gerçekçi ve ideal sonuçlar verdiği bilinmektedir. Bu kısımdan sonra çok amaçlı optimizasyon problemi ve kısıtlar tanımlanmıştır. Son kısımda ise optimal kontrol problemi çözüm yönteminden bahsedilmiştir. Uçak rota optimizasyonu probleminin çözümünde nümerik simülasyon için GEKKO Python optimizasyon modülü kullanılmıştır. Bu algoritma, gerçek hava trafik verileri kullanılarak, nitrojen oksit ve karbondioksit gibi salınan uçak emisyonlarının çevre üzerindeki etkisini analiz etmek için geliştirilmiştir. Üçüncü bölümde rüzgara ve hava durumuna göre optimize edilmiş rota hesaplamada kullanılan modeller tanıtılmıştır. İlk olarak yapılan kabullerden bahsedilmiştir. Sonrasında atmosfer modeli, uçak performans modeli, rüzgar modeli ve emisyon modeli detaylı olarak anlatılmıştır. Ayrıca bu bölümde 2 boyutta ve 3 boyutta uçağın hareket denklemleri gösterilmiştir. Dördüncü bölümde, konu ile ilgili iki tane vaka analizi ve sonuçları sunulmuştur. Öncelikle, vaka incelemesi olarak daha önce odaklanılmamış olan Türkiye üzerindeki uçuşlardan hareketle analizlerin yapılması literatüre yapılan katkılardandır. İlk olarak vaka analizinde problem tanımlanmıştır. Daha sonra Türkiye hava sahası üzerindeki rüzgar alanı incelenmiş ve rüzgar modeli oluşturulmuştur. İstanbul ve Ankara'yı içine alacak şekilde çıkartılan bölgenin rüzgar denklemleri, üçüncü bölümde rüzgar modeli kısmında anlatıldığı üzere, elde edilerek uçağın hareket denklemlerine eklenmiştir. Bu doğrultuda oluşturulan simülasyon ortamında, İstanbul-Ankara uçuşları dikkate alınarak en iyilenmiş rotalar hesaplanmıştır. İkinci vaka analizi olarak ise Avrupa hava sahası üzerinde Paris-Frankfurt uçuşları analiz edilmiştir. İlk uygulamada olduğu şekilde, sırasıyla problem tanımlanıp, uçuş noktalarını kapsayan rüzgar alanı incelendikten sonra çok amaçlı optimizasyon problemi bu rota için çözülmüştür. Vaka analizleri sonucunda, her uçuş için gerçekte olan ve hesaplanan uçuş süresi, yakıt tüketimi, NOx ve CO2 emisyonu bulguları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Beşinci ve son bölümde, sonuçlar ve bu alanda yapılabilecek diğer çalışmalardan bahsedilmiştir. Vaka analizleri sonucu elde edilen değerler tekrar vurgulanmıştır. Çalışma kapsamında rüzgar ve çevresel etkileri değerlendirerek çözümlenen rota optimizasyonuyla havacılığın iklim üzerindeki olumsuz etkilerinin düşürüldüğü gösterilmiştir. İleride bu çalışmadan yola çıkılarak çalışılabilecek konulardan bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
The aim of this thesis, Aircraft Trajectory Optimization Under Wind by Using Optimal Control and Environmental Impact of Aviation in terms of Aircraft Emissions, is to find the wind and weather optimized aircraft trajectories in the cruise phase by minimizing fuel consumption, time and air pollutants. Flight trajectories calculated by taking into account the wind factor are considered as a critical measure in terms of reducing fuel consumption. In addition, it is known that the models examined by including weather information give more realistic results than those that are not included. Trajectory planning calculations consist of various elements such as wind forecasts, operational constraints, amount of fuel, aircraft performance, atmospheric conditions. Temperature, pressure and air density parameters are considered standard atmospheric values. The performance model used is based on BADA. In order to achieve the aims of the thesis, first of all, the problem has been tried in 2 dimensions in terms of reducing complexity of operations. At this stage, the wind equation, which was created with a simple calculation, was added to the EoM in horizontal plane. The effect of the horizontal components of wind is clearly seen in the numerical simulation. Secondly, the problem was created according to BADA 3 and solved in a way that minimizes flight time and fuel in 3 dimensional space. Simultaneously, a wind model has been created with the wind tabular data obtained from the Global Forecast System (GFS). The GFS is a weather forecast model developed by the National Centers for Environmental Prediction (NCEP). In this study, wind factor was assumed to be stationary, wind uncertainty was not included in this study. Since there are erroneous measurements in the wind tabular data obtained from the Global Forecasting System (GFS), the data was improved by applying the interpolation method first and the error difference between the real data and the interpolated data was arranged to be the least. Then, with the smooth data, wind equations were obtained separately for seven barometric altitude levels. Thirdly, in addition to flight time and fuel consumption, an emission model was created based on the ICAO Engine Exhaust Data Bank [29] and Boeing Method 2 [30] to solve the multi-objective optimization problem. The developed new model was applied to the simulation environment created based on BADA 4. Finally, the wind equations in the horizontal plane obtained were included in the simulation environment developed on the basis of BADA 4, and the targeted model was created. Predetermined routes were filtered from the actual flight plan selected for the same day with the wind data to be examined in the case studies. The flight area was determined and a wind model was obtained for that region. All one-day flights for the selected route were examined. Wind equations are calculated by taking flight hours into account. The simulation results were obtained according to the flight information of the desired route obtained from the real flight plan. The optimized trajectories were calculated in the simulation environment by referring to the points where the aircraft started and ended the cruise phase. Thus, Turkish airspace, which has not been examined before, is presented as a case study specific to Istanbul-Ankara flights. As a second case study, European airspace is presented specific to Paris-Frankfurt flights. During these studies, it was clearly seen that cruising speed and cruising altitude are critical for fuel consumption under the wind effect. In addition, as a result of these studies, it has been shown that the proposed model gives more effective results as the flight distance increases. This study consists of five chapters describing the stages of the thesis. The first chapter is a general introduction to the thesis topic. The thesis topic is explained and its aims are mentioned, the importance of the subject and why it is needed are presented. This section consists of three sub-titles. First of all, the scope and contributions of the thesis are mentioned. Afterwards, a wide literature review was made and studies in this field were presented. Finally, the structure of the thesis is mentioned. In the second chapter, the mathematical model required for this study is explained. Wind-optimized trajectories for an aircraft in the cruise phase are generated by solving a non-linear optimal control problem. For this reason, first of all, the general representation of the optimal control problem and its solution techniques are mentioned. The suitability of these solution techniques to the problem is discussed and the method to solve the problem is explained. It is known that multi-objective optimization problems give more realistic and ideal results than single-objective optimization problems. After this part, multi-objective optimization problem and constraints are defined. In the last part, the optimal control problem solution method is mentioned. GEKKO Python optimization module was used for numerical simulation in solving the aircraft trajectory optimization problem. This algorithm was developed to analyze the environmental impact of emitted aircraft emissions such as nitrogen oxides and carbon dioxide, using real air traffic data. In the third chapter, models used in trajectory generation optimized for wind and weather conditions are introduced. First, the assumptions are mentioned. Afterwards, the atmosphere model, aircraft performance model, wind model and emission model are explained in detail. In addition, the equations of motion of the aircraft in 2D and 3D are shown in this section. In the fourth chapter, two case studies on the subject and their results are presented. First of all, it is the main contribution to the literature to analyze the flights over Turkey, which has not been focused on before as a case study. First, the problem is defined in the case analysis. Then, the wind field over the Turkish airspace was examined and a wind model was created. The wind equations of the region, which was extracted to include Istanbul and Ankara, were obtained and added to the equations of motion of an aircraft, as explained in wind model section in third chapter. In the simulation environment created in this direction, the most optimized trajectories were calculated considering the Istanbul-Ankara flights. As the second case study, Paris-Frankfurt flights over European airspace were analyzed. As in the first application, after defining the problem respectively and examining the wind field covering the flight points, the multi-objective optimization problem was solved for this route. As a result of the case studies, the actual and calculated flight time, fuel consumption, NOx and CO2 emission findings for each flight are presented comparatively. In the fifth and also the last chapter, the results and other studies that can be done in this field are mentioned. The values obtained as a result of the case analyzes are emphasized again. Within the scope of the study, it has been shown that the adverse impacts of aviation on the climate are reduced by trajectory optimization, which is resolved by evaluating wind and environmental effects. The topics that can be studied on the basis of this study in the future are mentioned.
Benzer Tezler
- Optimal aircraft trajectory planning based on high-resolution actual weather data
Yüksek çözünürlüklü gerçek hava durumu verileri ile optimum uçak rota planlaması
ALI ALIZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE KOYUNCU
- Computational aerodynamic analysis of flow around Apollo reentry capsule with anisotropic mesh adaptation
Anisotropik mesh adaptasyonu ile Apollo yeniden giriş kapsül çevresindeki akışın hesaplamalı aerodinamik analizi
BADAMASI BABAJI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞAHİN
- Olumsuz hava koşulları altında trafik akışının eniyilenmesi
Optimization of traffic flow under adverse weather conditions
ZEKERİYA KAPLAN
Doktora
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiHava Trafik Kontrol Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM ÇETEK
PROF. DR. TUĞBA SARAÇ
- Dört rotorlu bir hava aracının parametrelerinin optimizasyonu ve otonom kontrolü
Optimization of parameters and autonomous control of aquadrotor aircraft
MUHARREM SELİM CAN
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiSivil Havacılık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAMDİ ERCAN
- Evasive maneuver trajectory optimization for ucav against air to air missile
İnsansız savaş uçağının hava-hava füzesinden kaçış manevrası için yörünge optimizasyonu
OZAN YAĞCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY