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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The purpose of this thesis is to develop a trajectory optimization algorithm that finds a fuel optimal
trajectory from 4D waypoint networks, where the arrival time is specified for each waypoint in the
network. Generating optimal aircraft trajectory that minimizes fuel burn and associated
environmental emissions helps the aviation industry cope with increasing fuel costs and reduce
aviation induced climate change, as CO2 is directly related to the amount of fuel burned, therefore
reduction in fuel burn implies a reduction in CO2 emissions as well.
A single source shortest path algorithm is presented to generate the optimal aircraft
trajectory that minimizes the total fuel burn between the initial and final waypoint in pre-defined
4D waypoint networks. In this work the 4D waypoint networks only consist of waypoints for climb,
cruise and descent phases of the flight without the takeoff and landing approach. The fuel optimal
trajectory is generated for three different lengths of flights (short, medium and long haul flight) for
two different commercial aircraft considering no wind.
The Results about the presented applications show that by flying a fuel optimal trajectory,
which was found by implying a single source shortest path algorithm (Dijkstra’s algorithm) can lead
to reduction of average fuel burn of international flights by 2.8% of the total trip fuel. By using the
same algorithm in 4D waypoints networks it is also possible to generate an optimal trajectory that
minimizes the flight time. By flying this trajectory average of 2.6% of total travel time can be saved,
depends on the trip length and aircraft types.
Esta tese tem como objetivo desenvolver um algoritmo de otimização de trajetória que permita encontrar uma trajetória de combustível ótima em uma redes de waypoint em 4D, onde o tempo de chegada é específico para cada waypoint da rede. Ao criar uma trajetória ótima que minimize o consumo de combustível da aeronare e as suas respetivas emissões poluentes, ajuda a indústria da aviação não só a lidar com o aumento nos custos dos combustíveis, bem como a reduzir a sua contribuição nas alterações climáticas, pois o CO2 está diretamente relacionado com a quantidade de combustível queimado, logo uma redução no seu consumo implica que haja também uma redução nas emissões de CO2. O algoritmo “single source shortest path” é utilizado de forma a gerar uma trajetória ótima, que minimize o consumo de combustível entre o waypoint inicial e final de redes pré-definida de waypoint em 4D. Neste trabalho, esta redes consiste num conjunto de waypoints inseridos apenas nas fases de voo de subida, cruzeiro e descida, ignorando assim as fases de descolagem e aterragem. A trajetória de combustível ótima é criada para dois aviões comerciais diferentes em três distâncias de voo também diferentes (voo curto, médio e longo), sem considerar o vento. Os resultados deste trabalho mostram que ao voar numa trajetória de combustível ótima, obtida através do algoritmo “single source shortest path” (Dijkstra’s algorithm), é possível reduzir o consumo total de combustível numa média de 2.8%, em voos internacionais. Utilizando o mesmo algoritmo numa rede de waypoints em 4D é também possível encontrar uma trajetória ótima que minimize o tempo de voo numa media de 2.6% do tempo total, consoante a distância da viagem e do tipo de aeronave.
Esta tese tem como objetivo desenvolver um algoritmo de otimização de trajetória que permita encontrar uma trajetória de combustível ótima em uma redes de waypoint em 4D, onde o tempo de chegada é específico para cada waypoint da rede. Ao criar uma trajetória ótima que minimize o consumo de combustível da aeronare e as suas respetivas emissões poluentes, ajuda a indústria da aviação não só a lidar com o aumento nos custos dos combustíveis, bem como a reduzir a sua contribuição nas alterações climáticas, pois o CO2 está diretamente relacionado com a quantidade de combustível queimado, logo uma redução no seu consumo implica que haja também uma redução nas emissões de CO2. O algoritmo “single source shortest path” é utilizado de forma a gerar uma trajetória ótima, que minimize o consumo de combustível entre o waypoint inicial e final de redes pré-definida de waypoint em 4D. Neste trabalho, esta redes consiste num conjunto de waypoints inseridos apenas nas fases de voo de subida, cruzeiro e descida, ignorando assim as fases de descolagem e aterragem. A trajetória de combustível ótima é criada para dois aviões comerciais diferentes em três distâncias de voo também diferentes (voo curto, médio e longo), sem considerar o vento. Os resultados deste trabalho mostram que ao voar numa trajetória de combustível ótima, obtida através do algoritmo “single source shortest path” (Dijkstra’s algorithm), é possível reduzir o consumo total de combustível numa média de 2.8%, em voos internacionais. Utilizando o mesmo algoritmo numa rede de waypoints em 4D é também possível encontrar uma trajetória ótima que minimize o tempo de voo numa media de 2.6% do tempo total, consoante a distância da viagem e do tipo de aeronave.
Description
Keywords
4D Waypoint Navigation Base of Aircraft Data (Bada) Cost Index Dijkstra´S Algorithm Fuel Conservation