一种运输机飞行轨迹优化方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种运输机飞行轨迹优化方法，涉及运输机技术领域，能够基于直接运营成本与排放量对运输机全航程飞行轨迹优化，也可以对当前的阶梯分段飞行轨迹全航程或部分航段进行优化。本发明专利技术包括：读取运输机样本，从所述运输机样本中提取当前的飞行环境下的所述运输机的初始飞行轨迹和设计变量参数，并建立计算模型；根据所建立的计算模型，计算得到所述运输机的直接运营成本(DOC)和排放量；检测所述初始飞行轨迹是否满足收敛直接运营和条件；若判定不符合所述收敛直接运营条件，则通过优化算法对飞行轨迹进行优化。本发明专利技术适用于运输机飞行轨迹优化。

Method for optimizing flight path of transport plane

The embodiment of the invention discloses a transport flight trajectory optimization method, which relates to the technical field of transport, can direct operating cost and emissions based on conveyor flight trajectory optimization, can also be on the voyage or flight trajectory of all steps in the optimization part of the leg. The present invention includes: reading transport sample, extract the initial flight path and design variable parameters of the transport current flight environment from the sample transport, and set up a calculation model; according to the calculation model, calculated the transport direct operating cost (DOC) and emissions; whether detection the initial flight direct operation and meet the convergence conditions; determine if does not conform to the convergence of direct operating conditions, the flight trajectory optimization by optimization algorithm. The invention is suitable for the flight trajectory optimization of transport planes.

【技术实现步骤摘要】
一种运输机飞行轨迹优化方法
本专利技术涉及运输机
，尤其涉及一种运输机飞行轨迹优化方法。
技术介绍
随着航空运输业的飞速发展，空中交通变得日益繁忙和拥挤，班机晚点、机场上空排队等待等问题，严重影响着航空公司的运营成本，也危及飞行安全。近年来，业内提出了《下一代航空运输系统》(NextGenerationAirTransportationSystem,简称NGATS，后来更名为NextGen)，其核心在于通过优化当前运输机的飞行轨迹来改善飞行的安全性、经济性、环保性。现在运输机的航线任务剖面被严格的划分为类似阶梯状的许多小航段，而基于NextGen的高效管理，未来运输机的航线任务剖面将是连续的，如图1所示。相比较于现行的飞行管理系统，可以通过规划飞行轨迹降低油耗和排放、减小直接运行成本及缩短飞行时间，对于NextGen航空运输系统，飞行器轨迹优化的用途将显得更加重要。目前，业内主要研究的民航运输机轨迹优化方法，着重点在于考虑温室气体排放量等问题。但是，在实际应用中，进行轨迹优化所需同时考虑的因素还有很多，因此目前的大多数的优化方法主要还是偏向于理论研究方面，能够根据实际情况综合诸多因素的优化方案不多，因此也限制了基于NextGen的民航运输机轨迹优化方案的可应用范围。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种运输机飞行轨迹优化方法，基于多目标的优化理念，根据给定的运输机和发动机特性，及运输机的飞行范围，优化出兼顾经济性和排放量的民航运输机飞行轨迹。为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案：第一方面，本专利技术实施例提供了一种运输机飞行轨迹优化方法，包括：读取运输机样本，从所述运输机样本中提取当前的飞行环境下的所述运输机的初始飞行轨迹和设计变量参数，并建立计算模型，所述计算模型包括：运输机动力学模型、运输机气动特性模型、发动机动力和燃油模型和大气数据模型，所述运输机样本包括：所述运输机在至少一种飞行环境下的初始飞行轨迹和设计变量参数；根据所建立的计算模型，计算得到所述运输机的直接运营成本(DOC)和排放量；检测所述初始飞行轨迹是否满足收敛直接运营和条件，所述收敛条件包括：所述运输机的直接运营成本向成本最低值收敛至指定的成本程度，和所述运输机的排放量向排放量最低值收敛至指定的排放量程度；若判定不符合所述收敛直接运营条件，则通过优化算法对飞行轨迹进行优化。结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述运输机动力学模型，包括：其中，h表示高度，v表示速度，r表示航程，γ表示航迹倾角，m表示质量；为h，v，γ，m对时间的导数，g是重力加速度；所述运输机气动特性模型包括：L＝CLqSD＝CDqS其中，L是升力，CL是升力系数、q是动压，S是参考面积；D是阻力，CD是阻力系数CD，q是动压，S是参考面积；动压q和飞行马赫数M的定义如下：M＝v/a其中，ρ是当地密度，a是当地音速。结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述发动机动力模型包括:T＝Tle×T0[1+exp(-(k1+k2h)T0)]×k3×exp[-(k4h+k5Vexp(-k6h))]式中，T为总推力，Tle为油门系数，T0为海平面最大静推力，V修正后的飞行速度，h为当前的飞行高度，单位为FL，即100ft；各系数项取值分别为k1＝0.259，k2＝2.20×10-4，k3＝0.9936，k4＝2.87×10-3，k5＝1.44×10-3，k6＝1.80×10-3；其中，V通过喷流速度修正，修正方法是：V＝V0(1+aρ/(V0+Vj))，其中，V0为当前的飞行速度，Vj为喷口处的喷流速度，a为当地声速，ρ为当地空气密度。结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述发动机燃油模型的建立方式，包括：将实际飞行状态的燃油流量Wff修正为标准大气条件下的修正燃油流量RWff；对ICAO提供的四个标准状态的数据进行数据拟合，对修正排放指数REI和修正后的燃油流量RWff进行拟合，其中，所进行的数据拟合过程，采用多项式拟合模型、克立格(Kriging)模型、指数拟合模型；对于不同的气体，拟合时选用不同拟合模型；得到对应的修正排放指数REI之后，将其反修正回实际飞行条件下的排放指数EI。结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述大气数据模型，其中，所述大气数据模型中的大气参数，采用美国《1976标准大气》中的大气参数与海拔高度的关系进行计算。结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述直接运营成本(DOC)包括：所有权成本和现金成本；所述所有权成本包括利息或租金，折旧费，保险费；所述现金成本包括运行费用、燃油费用、维修费用、空勤组费用和旅客餐食费用五项；所述机组费用包括飞行员费用和客舱乘务员费用；所述运行费用包括由运输机起降服务费、地面服务费、航路费组。具体地，本专利技术实施例所述直接运营成本(DOC)包括：其中，DOC_PR是每座每公里直接使用成本，单位为元/千米；PAX是座位数，R为航程,单位是千米。结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述排放量是：一段时间内，单位质量的温室气体直接和间接造成的全球变暖或辐射强迫，与单位质量的CO2造成的全球变暖或辐射强迫的比值；计算全航段中各微段的温室气体总量；对所有微段求和积分获得总运输机温室气体排放量TGWP。具体地，本专利技术实施例所述排放量包括：其中，总运输机温室气体排放量TGWP的单位为千克，TGWP_PR为座公里排放量，单位为克/千米，PAX是座位数，R为航程,单位是千米。结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述通过优化算法对飞行轨迹进行优化，包括：读取优化目标、常规约束和非常规约束，所述优化目标包括：降低直接运营成本(DOC)和总温室气体排放量小于各自的最大值；所述常规约束至少包括：高度约束、安全区域约束、飞行速度/角速度约束、过载约束和飞行包线约束；所述非常规约束包括:空情和雷雨气候条件；对初始飞行轨迹进行离散，转化为非线性优化问题，所述对初始飞行轨迹进行离散的算法包括：梯形法、Guass伪谱法或Legendre伪谱法；选取优化算法对飞行轨迹进行优化，在所述常规约束和所述非常规约束的约束范围内，调整飞行轨迹直至满足所述优化目标，所述优化算法至少包括序列二次规划法、遗传算法、粒子群优化算法。其中，所述非常规约束包括：设定影响范围，在归一化后的轨迹全区间[0,1]范围内抽取一个随机数，在随机数对应位置设置约束条件。结合第一方面第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中,所述优化目标包括：其中，f表示优化目标；Sj(j＝1,2)为比例因子；Wk(k＝1,2)为加权系数。若直接运营成本(DOC)的权重系数设为1，排放量重系数设为0，则飞行轨迹优化则转化为以直接运营成本(DOC)为优化目标的飞行轨迹优化。若将排放量重系数设为1，直接运营成本(DOC)的权重系数设为0，则飞行轨迹优化则转化为以排放量重为优化目标的飞行轨迹优化。结合第一方面第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，还包括：对各优化目标进行加权计算，包括：其中：fi(i＝1,2,…,n)表示优化目标；sj(j＝1,2,…,n)为比例因子；wk(k＝1,2,…,n)是权重系数。本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运输机飞行轨迹优化方法，其特征在于，包括：读取运输机样本，从所述运输机样本中提取当前的飞行环境下的所述运输机的初始飞行轨迹和设计变量参数，并建立计算模型，所述计算模型包括：运输机动力学模型、运输机气动特性模型、发动机动力和燃油模型和大气数据模型，所述运输机样本包括：所述运输机在至少一种飞行环境下的初始飞行轨迹和设计变量参数；根据所建立的计算模型，计算得到所述运输机的直接运营成本(DOC)和排放量；检测所述初始飞行轨迹是否满足收敛条件，所述收敛条件包括：所述运输机的直接运营成本向成本最低值收敛至指定的成本程度，和所述运输机的排放量向排放量最低值收敛至指定的排放量程度；若判定不符合所述收敛直接运营条件，则通过优化算法对飞行轨迹进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种运输机飞行轨迹优化方法，其特征在于，包括：读取运输机样本，从所述运输机样本中提取当前的飞行环境下的所述运输机的初始飞行轨迹和设计变量参数，并建立计算模型，所述计算模型包括：运输机动力学模型、运输机气动特性模型、发动机动力和燃油模型和大气数据模型，所述运输机样本包括：所述运输机在至少一种飞行环境下的初始飞行轨迹和设计变量参数；根据所建立的计算模型，计算得到所述运输机的直接运营成本(DOC)和排放量；检测所述初始飞行轨迹是否满足收敛条件，所述收敛条件包括：所述运输机的直接运营成本向成本最低值收敛至指定的成本程度，和所述运输机的排放量向排放量最低值收敛至指定的排放量程度；若判定不符合所述收敛直接运营条件，则通过优化算法对飞行轨迹进行优化。2.根据权利要求1所述的一种运输机飞行轨迹优化方法，其特征在于，所述运输机动力学模型，包括：其中，h表示高度，v表示速度，r表示航程，γ表示航迹倾角，m表示质量；为h，v，γ，m对时间的导数，g是重力加速度；所述运输机气动特性模型包括：L＝CLqSD＝CDqS其中，L是升力，CL是升力系数、q是动压，S是参考面积；D是阻力，CD是阻力系数CD，q是动压，S是参考面积；动压q和飞行马赫数M的定义如下：M＝v/a其中，ρ是当地密度，a是当地音速。3.根据权利要求1所述的一种运输机飞行轨迹优化方法，其特征在于，所述发动机动力模型包括:T＝Tle×T0[1+exp(-(k1+k2h)T0)]×k3×exp[-(k4h+k5Vexp(-k6h))]式中，T为总推力，Tle为油门系数，T0为海平面最大静推力，V修正后的飞行速度，h为当前的飞行高度，单位为FL，即100ft；各系数项取值分别为k1＝0.259，k2＝2.20×10-4，k3＝0.9936，k4＝2.87×10-3，k5＝1.44×10-3，k6＝1.80×10-3；其中，V通过喷流速度修正，修正方法是：V＝V0(1+aρ/(V0+Vj))，其中，V0为当前的飞行速度，Vj为喷口处的喷流速度，a为当地声速，ρ为当地空气密度。4.根据权利要求1所述的一种运输机飞行轨迹优化方法，其特征在于，所述发动机燃油模型的建立方式，包括：将实际飞行状态的燃油流量Wff修正为标准大气条件下的修正燃油流量RWff；对ICAO提供的四个...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，邢宇，杨振博，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32