Four-dimensional multi-objective trajectory optimization using high-fidelity aircraft models and a projected parameterization

Müller, Reiko; Otter, Martin; Moormann, Dieter

doi:41021

Four-dimensional multi-objective trajectory optimization using high-fidelity aircraft models and a projected parameterization = Vierdimensionale multikriterielle Bahnoptimierung unter Verwendung hochgenauer Flugzeugmodelle und einer projizierten Parametrierungsmethode

Müller, Reiko

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Reiko Müller

ImpressumAachen 2021

Umfangxvii, 220 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Otter, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-14

Online
URL: http://digitale-objekte.hbz-nrw.de/storage2/2022/03/20/file_4/9135732.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
B-Splines (frei) ; Flugdynamik (frei) ; Flugregelung (frei) ; Flugzeugmodellierung (frei) ; Optimalsteuerung (frei) ; aircraft modeling (frei) ; flight control (frei) ; flight dynamics (frei) ; gnomonic projection (frei) ; gnomonische Projektion (frei) ; mehrzielige Flugbahnoptimierung (frei) ; multi-objective aircraft trajectory optimization (frei) ; optimal control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine der drängendsten Ziele der derzeitigen Luftfahrtforschung ist die Reduktion der Auswirkungen des globalen Luftverkehrs auf den Klimawandel. Ein Baustein dieser Untersuchungen ist die Vorhersage und Simulation von Flugzeugbewegungen, sowie deren Optimierung bezüglich relevanter Kriterien. In diesem Zusammenhang wurden bisher am häufigsten Ansätze mit reduzierter Modellierungstiefe verwendet (z.B. unter Vernachlässigung transienter/beschleunigter Flugphasen). Mit der Prämisse der Verbesserung von Modellgenauigkeit und Güte von Optimierungsergebnissen, stellt diese Arbeit einen neuen Ansatz vor, welcher eine detailliertere und realistischere Behandlung von Bahnoptimierungsproblemen mit Anwendung auf Passagierflugzeuge erlaubt. Eine dieser Verbesserungen ist die vierdimensionale Trajektorienbeschreibung (in Position und Zeit) in projizierten Koordinaten, welche per Definition von Orthodromen Referenzbahnen kürzester Distanz generiert. Daraus erzeugt eine auf B-Splines basierende Parametrierungsmethode Steuerungen und Ableitungen mit höherer Stetigkeit. In Kombination mit einem Flugregelungssystem zur 4-D Bahnfolge, wird zum einen die optimierte Flugbahn genauer eingehalten, und zum anderen aufgrund der erhöhten Stetigkeit ein verbesserter Simulationsablauf erreicht. Ein sogenannter Pseudo-control-hedging Regler stellt zusätzlich die Fliegbarkeit der Trajektorien sicher, die vom Optimierer vorgegeben werden. Flugzeugmodellierungen mit unterschiedlichem Detailgrad wurden in der Sprache Modelica erstellt, was eine hohe Modularität mit sich bringt und auch die physikalische Modellierung der wichtigsten Einflussgrößen des Luftverkehrs auf die Umwelt (Schadstoff- und Lärmemissionen, Kondensstreifenbildung und Treibstoffverbrennung) erleichtert. Diese werden in einer multikriteriellen Formulierung des Optimierungsproblems berücksichtigt. Zusammengenommen erlaubt der entwickelte Ansatz die Betrachtung komplexerer und realistischerer Optimierungsszenarien, die die umweltrelevanten und operationellen Gütefunktionen bei der Trajektorienoptimierung besser abbilden und letztlich genauere Ergebnisse ausgeben.

Improving the sustainability of modern air traffic has been one of the urgent topics in the effort of reducing aviation's contribution to global climate change until today. One building block of this task is the prediction and simulation of aircraft operation and its optimization with respect to the effect on the environment. So far, modeling and simulation approaches with reduced coverage of aircraft dynamics (e.g. neglect of dynamic transient flight phases) are most frequently employed for this purpose. With the goal of increasing modeling fidelity and, in consequence, optimization result quality, this work presents a new approach towards a more detailed and realistic treatment of passenger aircraft trajectory optimization problems. Improvements are achieved by establishing a novel four-dimensional trajectory description (in position and time) in projected coordinates yielding shortest-path routes by definition. Further, a dedicated B-spline based trajectory parameterization method with degree elevation allows to define higher continuity control inputs. In combination with a 4-D trajectory following flight control system, this allows a higher precision in tracking the optimized trajectory as well as improved computational execution due to less discontinuities in controls and derivatives. A pseudo-control-hedging controller ensures the flyability/validity of trajectories specified by the optimization algorithm. Aircraft models of varying level of detail are developed in the language Modelica, which incurs a high modularity and also promotes physics-based modeling of environment models depicting the dynamics of the most relevant influences (pollutant and noise emissions, contrail formation and fuel combustion) of air traffic on the environment. These are treated in a multi-objective problem formulation. In summary, the proposed contributions allow to devise more realistic optimization scenarios and to obtain more accurate and representative results when investigating the potential gains in environmental and operational effects of optimized trajectories.

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