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; Moormann, Dieter (Thesis advisor); Otter, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

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.