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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This dissertation describes the achievement of a set of equations in order to represent
a discrete model for air traffic dynamics in terminal areas. Such a mathematical model
could be used to investigate the occupation of a TMA‡ at a single instant and has the
potential to be used on the prediction of a future occupation.
There are safety and legal limits to how many aircraft should be inside a TMA at
once. It could also be useful for an Air Traffic Controller to predict a future overoccupation and thus being able to prevent it. That is why there is an interest to know
at each instant an estimate of how many aircraft are in a specific TMA.
The idea behind it was to make a Control Theory approach so that the same classical tools used in other topics such as flight dynamics could be applied to this subject.
In order for that to happen there were needed some Network notions along with navigation formulae.
If an aircraft leaves one place we know a priori that he will follow a path and later
enter a certain TMA, unless something goes wrong. That information is known even
before lift off. It limits our monitoring window and we can now focus on the physical
existence of an aircraft in or out a determined TMA.
Every aircraft within a radius of several nautical miles, depending on each TMA,
does belong to that TMA. A transition between areas is considered a control input.
Knowing the initial amount of aircraft on the zero instant at a particular site we
can calculate the following instant state by adding the arrivals and subtracting the
departures. This system has mass conservation in a sense that aircraft don’t just
disappear - instead they move around and the total number of aircraft on the system
remains the same.
Depending on the complexity of the system other separated states can be monitored and we could separate the grounded aircraft from the airborne aircraft; allow
mid-flight decision change to go to a different TMA, etc.
Data retrieved from the website www.localizatodo.com together with Octave Software allowed the validation of the model. On this website the captured transponder
signals are transformed into several bits of information from which were retrieved the
ones useful: Longitude, Latitude and time stamp. The equations performed as they
should, making them applicable to a real scenario, since the utilized data are in fact
coming themselves from a real scenario and they are not invented.
The first two models are slightly different from the third. One concerns the TMA as
if they were contiguous and another considers the paths among each other. They are
steps towards an objective, rather than a final solution.
The inclusion of a sigmoid function to the model was the latest work to be done.
It has to do with the prediction and how much would an incoming airship weight
on the eyes of the Air Traffic Controller. There is a need to remove abrupt changes
inherent to the model in a way that an aircraft would gradually become present on the
arriving TMA from the moment he lifted off the departing TMA, instead of just showing up on the arriving TMA and thus giving no anticipation opportunity to the air traffic
controllers.
In a future work an estimator, such as a Kalman Filter, should be added to this
model or even an improved similar model, since it has the flexibility to incorporate
new features in a simple way. There is an explanation on how to perform these additions.
This work could be used as a foundation for the implementation of a warning to
the Air Traffic Controllers of the occupation status. Not only that but it could be a
module on a fully automatic Airspace Controller or even other applications yet to be
considered. It could even be applied on the traffic of buses (coaches) and it can be
extrapolated to many other fields.
Esta dissertação descreve o processo pelo qual se encontraram um conjunto de equações representativas de um modelo discreto de dinâmica de tráfego aéreo em zonas terminais. Tal modelo matemático poderá ser utilizado para investigar a ocupação de uma TMA† num instante singular, tendo o potencial de ser utilizado para prever a ocupação futura. Existem limites de segurança e legais acerca de quantas aeronaves deverão estar dentro de uma TMA de uma só vez. Poderia também ser usável por um Controlador de Tráfego Aéreo em prever uma futura sobre-ocupação e portanto ser capaz de a prevenir. É por isso que existe um interesse em saber a cada instante uma estimativa de quantas aeronaves estão numa TMA específica. A idéia por detrás deste assunto foi a de fazer uma abordagem de Teoria de Controlo de forma a que as ferramentas clássicas utilizadas noutros tópicos, tais como dinâmica de voo, pudessem ser aplicadas a este problema. Para que isso fosse possível eram necessárias noções de Network a par de fórmulas de navegação. Se uma aeronave deixa um determinado sítio sabemos a priori que vai seguir um caminho e mais tarde vai entrar numa TMA específica, a menos que algo corra mal. Essa informação é sabida antes sequer de haver descolagem. Isto permite-nos limitar a nossa janela de monitorização e podemos agora focar-nos na existência física de uma aeronave dentro ou fora de uma determinada TMA. Qualquer aeronave num raio de várias milhas náuticas, dependendo de cada TMA, pertence a essa TMA. Uma transição entre áreas é considerado um input de controlo. Sabendo a quantidade inicial de aeronaves no instante inicial num determinado sítio, podemos calcular o instante seguinte adicionando as chegadas e eliminando as partidas. Este sistema tem conservação de massa no sentido em que as aeronaves não desaparecem. Ao invés elas movem-se de um lado para o outro e o número total de aeronaves num sistema continua o mesmo. Dependendo da complexidade do sistema, outros estados separados poderão ser monitorizados e podemos separar as aeronaves no chão das do ar; permitir alteração de decisão a meio de um voo para dirigir-se a uma TMA diferente, etc. Dados obtidos do sítio web www.localizatodo.com em conjunto com o Software Octave, permitiram a validação do modelo. Neste sítio web os sinais de transponder capturados são depois transformados em vários bits de informação dos quais se retiram os úteis: Longitude, Latitude e carimbo de tempo. As equações comportaram-se como deviam, fazendo este modelo aplicável a um cenário real, já que os dados utilizados de facto provêm eles mesmos de de um cenário real e não de um inventado. Os primeiros dois modelos são ligeiramente diferentes do terceiro. Um deles é relativo às TMA como se elas fossem contíguas umas das outras e segundo já considera os caminhos entre elas. São passos no caminho de um objectivo, em vez de serem uma solução final. A inclusão de uma função sigmóide ao modelo foi o último trabalho a ser efectuado. Tem que ver com a previsão e de quanto pesaria uma aeronave a chegar aos olhos do Controlador de Tráfego Aéreo. Existe uma necessidade de remover mudanças abruptas inerentes ao modelo, de forma que uma aeronave fosse ficando presente gradualmente na TMA de chegada a partir do momento que tenha descolado da TMA de partida, ao invés de somente aparecer na TMA de chegada e assim sendo não dar oportunidade de antecipação aos Controladores de Tráfego Aéreo. Num trabalho futuro um estimador, tal como um Filtro de Kalman, deveria ser adicionado a este modelo ou até a um modelo similar melhorado, já que este tem a flexibilidade de incorporar novas características de uma forma expedita. Existe uma explicação em como fazer essa adições. Este trabalho poderia ser utilizado como fundação para a implementação de um sistema de alerta aos Controladores de Tráfego Aéreo do estado de ocupação. Não só isso como também poderia ser um módulo num Controlador Automático de Espaço Aéreo e mesmo noutras aplicações ainda por considerar. Poderia até ser aplicado no tráfego de autocarros ou poderia ser extrapolado para muitos outros campos.
Esta dissertação descreve o processo pelo qual se encontraram um conjunto de equações representativas de um modelo discreto de dinâmica de tráfego aéreo em zonas terminais. Tal modelo matemático poderá ser utilizado para investigar a ocupação de uma TMA† num instante singular, tendo o potencial de ser utilizado para prever a ocupação futura. Existem limites de segurança e legais acerca de quantas aeronaves deverão estar dentro de uma TMA de uma só vez. Poderia também ser usável por um Controlador de Tráfego Aéreo em prever uma futura sobre-ocupação e portanto ser capaz de a prevenir. É por isso que existe um interesse em saber a cada instante uma estimativa de quantas aeronaves estão numa TMA específica. A idéia por detrás deste assunto foi a de fazer uma abordagem de Teoria de Controlo de forma a que as ferramentas clássicas utilizadas noutros tópicos, tais como dinâmica de voo, pudessem ser aplicadas a este problema. Para que isso fosse possível eram necessárias noções de Network a par de fórmulas de navegação. Se uma aeronave deixa um determinado sítio sabemos a priori que vai seguir um caminho e mais tarde vai entrar numa TMA específica, a menos que algo corra mal. Essa informação é sabida antes sequer de haver descolagem. Isto permite-nos limitar a nossa janela de monitorização e podemos agora focar-nos na existência física de uma aeronave dentro ou fora de uma determinada TMA. Qualquer aeronave num raio de várias milhas náuticas, dependendo de cada TMA, pertence a essa TMA. Uma transição entre áreas é considerado um input de controlo. Sabendo a quantidade inicial de aeronaves no instante inicial num determinado sítio, podemos calcular o instante seguinte adicionando as chegadas e eliminando as partidas. Este sistema tem conservação de massa no sentido em que as aeronaves não desaparecem. Ao invés elas movem-se de um lado para o outro e o número total de aeronaves num sistema continua o mesmo. Dependendo da complexidade do sistema, outros estados separados poderão ser monitorizados e podemos separar as aeronaves no chão das do ar; permitir alteração de decisão a meio de um voo para dirigir-se a uma TMA diferente, etc. Dados obtidos do sítio web www.localizatodo.com em conjunto com o Software Octave, permitiram a validação do modelo. Neste sítio web os sinais de transponder capturados são depois transformados em vários bits de informação dos quais se retiram os úteis: Longitude, Latitude e carimbo de tempo. As equações comportaram-se como deviam, fazendo este modelo aplicável a um cenário real, já que os dados utilizados de facto provêm eles mesmos de de um cenário real e não de um inventado. Os primeiros dois modelos são ligeiramente diferentes do terceiro. Um deles é relativo às TMA como se elas fossem contíguas umas das outras e segundo já considera os caminhos entre elas. São passos no caminho de um objectivo, em vez de serem uma solução final. A inclusão de uma função sigmóide ao modelo foi o último trabalho a ser efectuado. Tem que ver com a previsão e de quanto pesaria uma aeronave a chegar aos olhos do Controlador de Tráfego Aéreo. Existe uma necessidade de remover mudanças abruptas inerentes ao modelo, de forma que uma aeronave fosse ficando presente gradualmente na TMA de chegada a partir do momento que tenha descolado da TMA de partida, ao invés de somente aparecer na TMA de chegada e assim sendo não dar oportunidade de antecipação aos Controladores de Tráfego Aéreo. Num trabalho futuro um estimador, tal como um Filtro de Kalman, deveria ser adicionado a este modelo ou até a um modelo similar melhorado, já que este tem a flexibilidade de incorporar novas características de uma forma expedita. Existe uma explicação em como fazer essa adições. Este trabalho poderia ser utilizado como fundação para a implementação de um sistema de alerta aos Controladores de Tráfego Aéreo do estado de ocupação. Não só isso como também poderia ser um módulo num Controlador Automático de Espaço Aéreo e mesmo noutras aplicações ainda por considerar. Poderia até ser aplicado no tráfego de autocarros ou poderia ser extrapolado para muitos outros campos.
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Keywords
Tráfego aéreo Tráfego aéreo - Previsão Teoria de controlo Controlador de tráfego aéreo