大飞机轨迹优化与四维导航算法研究

论文摘要

本文系统地研究了飞行管理系统中的性能管理和4D导航原理,推导了了飞机飞行轨迹的性能优化模型并进行了软件仿真。完成了包括性能优化计算、自动油门控制和实时系统仿真平台在内的全系统初步仿真。本仿真系统既可用于轨迹优化和推力控制技术的理论分析研究,也可以作为飞行剖面管理模块,与导航、自动驾驶和CDU等功能构成飞行管理系统的全面仿真,为进一步研究飞行管理系统奠定基础。(1)对目前民用飞机飞行管理系统常用的性能优化技术进行了理论分析,讨论了飞机的运动方程、性能指标等关键问题。使用能量状态近似法对固定距离下最小直接操作成本进行了推导,得到了爬升、巡航、下降段的优化轨迹指标和相应的控制量。利用MATLAB软件设计了最优轨迹计算程序,并根据某型飞机性能数据进行了仿真运算,生成了优化的飞行轨迹剖面。(2)根据飞机飞行对时间准确性的需求,对飞行末端区域4D导航理论进行了研究,推导了利用巡航段参数生成末端区域水平轨迹、高度剖面和速度剖面的算法,并由推导的算法综合生成4D导航指令,并根据相关算法设计程序并仿真实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究发展概况
• 1.2.1 飞行管理系统的发展概况
• 1.2.2 飞行剖面优化和4D导航的研究和发展
• 1.3 研究背景及重要性
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 飞机4D导航相关原理
• 2.1 飞机的运动方程及能量状态
• 2.1.1 飞机运动学方程
• 2.1.2 飞机的能量状态
• 2.2 大气环境模型
• 2.2.1 大气环境对象
• 2.2.2 大气环境模型的设计方法
• 2.3 大型客机的发动机特性
• 2.3.1 涡轮喷气发动机特性
• 2.3.2 涡轮风扇发动机特性
• 2.3.3 发动机简单模型
• 2.4 自动油门系统
• 2.4.1 自动油门系统的组成
• 2.4.2 自动油门系统的工作原理
• 2.4.3 自动油门系统的工作模式
• 2.5 最优控制相关理论
• 2.5.1 轨迹优化的变分法
• 2.5.2 庞特里亚金最小值原理
• 2.6 轨迹优化的性能指标和能量状态近似法
• 2.6.1 性能指标
• 2.6.2 能量状态近似法
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于能量状态的4D导航算法
• 3.1 巡航段剖面优化算法
• 3.2 爬升与下降剖面优化算法
• 3.2.1 爬升剖面优化算法
• 3.2.2 下降剖面优化算法
• 3.3 速度剖面算法
• 3.3.1 飞机飞行允许的速度范围
• 3.3.2 到达时间的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 飞行管理系统4D导航实时仿真
• 4.1 飞行管理系统实时仿真系统
• 4.1.1 实时仿真系统的分类
• 4.1.2 半实物实时仿真系统介绍
• 4.2 4D导航与指引模块搭建
• 4.2.1 4D导航与指引模块功能
• 4.2.2 分布式实时仿真平台的搭建
• 4.3 本章小结
• 第5章 算例仿真
• 5.1 算例数据
• 5.1.1 生成最优飞行剖面参数数据
• 5.1.2 末端区域4D算例数据
• 5.1.3 无优化全轨迹生成结果与分析
• 5.2 性能优化计算步骤
• 5.2.1 巡航段优化
• 5.2.2 爬升段优化
• 5.2.3 下降段优化
• 5.3 固定到达时间的4D优化剖面计算及分析
• 5.3.1 固定巡航高度4D优化剖面结果分析
• 5.3.2 自由巡航高度4D优化剖面结果分析
• 5.3.3 不同固定巡航高度的仿真分析
• 5.3.4 不同风场的仿真分析
• 5.4 末端区域4D
• 5.5 末端区域4D
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 航路点定义
• 附录2 常用变量列表
• 致谢