Robust aircraft trajectory optimization under meteorological uncertainty with optimal control
- Autores: Daniel González Arribas
- Directores de la Tesis: Manuel Fernando Soler Arnedo (dir. tes.), Manuel Sanjurjo Rivo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Damián Rivas Rivas (presid.), Xavier Prats Menéndez (secret.), Banavar Sridhar (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Mecánica de Fluidos por la Universidad Carlos III de Madrid; la Universidad de Jaén; la Universidad de Zaragoza; la Universidad Nacional de Educación a Distancia; la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
El sistema de gestión del tráfico aéreo (ATM) en los espacios aéreos más congestionados del mundo está siendo reformado para lidiar con múltiples desafíos socioeconómicos, medioambientales y de capacidad. Un pilar de este proceso es el gradual reemplazo de las estructuras rígidas de navegación, basadas en aerovías y puntos de navegación, hacia las operaciones basadas en trayectorias. No obstante, la implementación exitosa de este concepto y la realización de las ganancias esperadas en rendimiento ATM requiere entender y gestionar apropiadamente la incertidumbre. Debido a su compleja estructura socio-técnica, el diseño y operaciones del sistema ATM se encuentran marcadamente influidos por la incertidumbre, que procede de múltiples fuentes y se propaga por las interacciones entre subsistemas y operadores humanos.
Uno de los principales focos de incertidumbre en ATM es la meteorología. Debido a su naturaleza no-lineal y caótica, muchos fenómenos de interés no pueden ser pronosticados con completa precisión en cualquier horizonte temporal, lo que crea disrupción en las operaciones en aire y tierra que se propaga a otros procesos de ATM. Por lo tanto, para lograr los objetivos de SESAR e iniciativas análogas, es imprescindible tener en cuenta la incertidumbre en múltiples escalas espaciotemporales, desde la predicción de trayectorias hasta la planificación de flujos y tráfico.
Esta tesis aborda el problema de la planificación de vuelo de aeronaves individuales considerando dos fuentes importantes de incertidumbre meteorológica: el error en la predicción del viento y la actividad convectiva. Conforme la realización del viento se desvía de su previsión, la trayectoria real se desviará temporalmente de la planificada, lo que implica incertidumbre en tiempos de llegada a sectores y aeropuertos y en consumo de combustible. La actividad convectiva también tiene un impacto en la predictibilidad de las trayectorias, puesto que obliga a los pilotos a desviarse de sus planes de vuelo para evitarla, cambiado así la situación de tráfico. En este trabajo, buscamos desarrollar métodos y algoritmos para la optimización de trayectorias que puedan integrar información sobre la incertidumbre en estos fenómenos meteorológicos en el proceso de diseño de planes de vuelo en horizontes de planificación (antes del despegue) y tácticos (durante el vuelo), con el objetivo de generar trayectorias más eficientes y predecibles.
Con este fin, formulamos la planificación de vuelo como un problema de control óptimo, modelando la dinámica del avión con un modelo de masa puntual y el modelo de rendimiento BADA (Base of Aircraft DAta). El control óptimo es un marco flexible y general con un largo historial de éxito en el campo de la ingeniería aeroespacial. Como método numérico, empleamos métodos directos, que son capaces de manejar sistemas dinámicos de alta dimensión con costes computacionales moderados. No obstante, si bien esta metodología es madura en contextos deterministas, la solución de problemas prácticas de control óptimo bajo incertidumbre en la literatura no está tan desarrollada, y los métodos propuestos en la literatura no son aplicables al problema de interés.
La primera contribución de esta tesis hace frente a este reto mediante la introducción de un marco numérico para la resolución de problemas generales de control óptimo no-lineal bajo incertidumbre paramétrica. El núcleo de este método es un esquema de conjunto de trayectorias, en el que las trayectorias del sistema dinámico bajo múltiples escenarios son consideradas de forma simultánea, y el problema de control óptimo bajo incertidumbre es así transformado en un problema convencional que puede ser tratado mediante métodos existentes en control óptimo. A continuación, empleamos este método para resolver el problema de la planificación de vuelo robusta. La incertidumbre en el viento y la probabilidad de ocurrencia de condiciones convectivas son modeladas mediante el uso de previsiones de conjunto o "ensemble", compuestas por múltiples predicciones en lugar de una única previsión determinista. Este método puede ser empleado para maximizar la eficiencia esperada de los planes de vuelo de acuerdo a la estructura de costes de la aerolínea; además, la predictibilidad de la trayectoria y la exposición a la convección pueden ser incorporadas como objetivos adicionales. El "trade-off" entre estos objetivos puede ser evaluado mediante la metodología propuesta.
La segunda parte de la tesis presenta una solución para reconducir aviones en escenarios tormentosos en un horizonte táctico. La evolución de las células convectivas es representada con un modelo estocástico basado en las proyecciones de Rapidly Developing Thunderstorms (RDT), un sistema determinista basado en imágenes de satélite. Este modelo es empleado por un método de control óptimo numérico, basado en un modelo de masa puntual en el que se modela la dinámica de viraje, con el objetivo de maximizar la eficiencia y predictibilidad de la trayectoria en presencia de incertidumbre sobre la evolución futura de las tormentas. Finalmente, el proceso de optimizatión es inicializado por un método heurístico aleatorizado que genera múltiples puntos de inicio para las iteraciones del optimizador. Esta combinación permite explorar y explotar el espacio de trayectorias solución para proporcionar al piloto o al controlador un conjunto de trayectorias propuestas, así como información útil sobre su coste y el riesgo asociado.
Los métodos propuestos son probados en escenarios de ejemplo basados en datos reales, ilustrando las diferentes opciones disponibles de acuerdo a las prioridades del planificador y demostrando que las soluciones descritas en esta tesis son adecuadas para los problemas que se han formulado. De este modo, es posible enriquecer el proceso de planificación de vuelo para incrementar la eficiencia y predictibilidad de las trayectorias individuales, lo que contribuiría a mejoras en el rendimiento del sistema ATM.
