Simulation of 4D Trajectory Navigation

An algorithm to accurately predict 4D trajectory navigation was developed alongside a graphical user interface (GUI) to allow the easy simulation of several trajectories with different parameters. Several simulations were conducted using this tool which were then analyzed and compared with actual flight values in order to validate its accuracy. The need for such a tool emerges from the ever increasing demand regarding the air transportation system, that is expected to maintain positive growth rates up until 2030. The programs of SESAR in Europe and NextGen in the USA were initiated to respond to this need and at their heart lies the implementation of 4D trajectories. A point-mass kinetic model was chosen to simulate the aircraft’s movement, as it provides sufficiently accurate results without requiring too much aircraft specific information. A database containing the information of several large turbofan commercial aircraft was compiled. In order to model the effect of the weather on the simulation, a large world wide historical weather database was incorporated into the tool. The intent information required for simulation is the flight’s course (in waypoints) and certain flight phase specific parameters. The tool was created using the Python programming language and the open source library for GUI development Kivy. Three real flights were simulated and their performance was analyzed. A comparison between the simulated and the actual flight’s values was made in order to validate the tool’s accuracy. The results were satisfactory with the three flights averaging a 2.27% error regarding average flight duration as well as a 9.19% median error regarding the aircraft’s position throughout the flight. Overall the tool proved to be satisfactorily accurate given the amount of possible error sources for flight trajectory prediction however, further improvements are important for implementation in real active air traffic management systems.Um algoritmo foi desenvolvido para prever com exatidão a navegação de trajetórias aéreas 4D juntamente com uma interface gráfica do utilizador para permitir a simulação eficaz de várias trajetórias com diferentes parâmetros. Várias simulações foram efetuadas recorrendo a esta ferramenta, que foram depois analisadas e comparadas com valores das trajetórias reais, de forma a validar a sua precisão. A necessidade para tal ferramenta emergiu do aumento constante da procura relativamente ao espaço aéreo, a qual se espera que se mantenha até 2030. As iniciativas SESAR na Europa e NextGen nos EUA visam responder a esta necessidade recorrendo para isso à implementação de trajetórias 4D na navegação aérea geral. O modelo dinâmico escolhido foi o modelo cinético de ponto-massa que gera resultados suficientemente exatos sem requerer demasiada informação especifica de cada aeronave. Uma base de dados contendo a informação necessária para a simulação de várias aeronaves de transporte comercial com motores turbofan foi compilada. De forma a abranger o efeito da atmosfera na simulação foi incorporada na ferramenta uma base de dados com informação atmosférica histórica mundial. A informação de intenção necessária para a simulação é o percurso da aeronave na forma de waypoints e alguns parâmetros de voo específicos de cada fase de voo. A ferramenta foi criada com a linguagem de programação Python e a biblioteca open source para a criação de interfaces gráficas do utilizador Kivy. Três voos foram simulados com o intuito de serem analisados e validados ao serem comparados com valores reais, de forma a estudar a exatidão da ferramenta. Os resultados gerais obtidos foram positivos com 2.27% de erro médio relativamente à duração média dos voos e 9.19% de erro médio relativamente à posição da aeronave ao longo do voo. A exatidão da ferramenta foi satisfatória dado a quantidade de fontes de erro na previsão de trajetórias de voo, no entanto, são importantes mais melhoramentos para que a ferramenta seja implementada com sucesso em sistemas reais de gestão de tráfego aéreo

Controlo óptimo suave de sistemas com referências variáveis

Os sistemas aeroespaciais têm um comportamento não linear, bem como alguns sistemas industriais. Neste trabalho propõe-se um método de controlo suave para impor uma dinâmica desejada às respostas dos sistemas não lineares. O interesse disso é diminuir as cargas aplicadas nos actuadores dos respectivos sistemas, de modo a reduzir os seus gastos energéticos. Os sistemas em estudo neste trabalho são referentes ao UAV SkyGuardian e ao sistema eólico Vestas V29 225kW. No fim comparam-se os resultados dos dois métodos em que o método de controlo suave se revela mais apropriado.Most aerospace systems have a nonlinear behavior as so as some industrial systems. At this Thesis is proposed a smooth control method to impose a required dynamic to the nonlinear system’s responses. The objective of that is to reduce actuator stresses en such a way to reduce their energy consumption. The analyzed systems refer to UAV SkyGuardian and to the Vestas v29 225kW wind turbine. In the end the result of both methods is compared to notify on which of them the smooth control method is more appropriated