Wind-Optimal Path Planning: Application to Aircraft Trajectories

International audienceIn this paper, an algorithm to plan a continuous wind-optimal path is proposed, and simulations are made for aircraft trajectories. We consider a mobile which can move in a two dimensional space. The mobile is controlled only by the heading direction, the speed of the mobile is assumed to be constant. The objective is to plan the optimal path avoiding obstacles and taking into account wind currents. The algorithm is based on Ordered Upwind Method which gives an optimality proof for the solution. The algorithm is then extended to spherical coordinates in order to be able to handle long paths

Optimisation du trafic aérien en tenant compte des conditions météorologiques

National audienceDans le cadre des systèmes de gestion du trafic aérien du futur, nous nous intéressons ici au concept "Free Flight" dans lequel les avions ne sont plus astreints à suivre des trajectoires définies par des routes aériennes et pourraient ainsi rechercher des trajectoires optimisées relativement à un critère de coût. Dans les travaux présentés ici, le choix s'est porté sur la minimisation du temps de vol en exploitant les conditions météorologiques, tout en minimisant la congestion engendrée par l'ensemble des vols.La méthodologie mise en œuvre se déroule en deux étapes. La première consiste à calculer la trajectoire optimale en temps de vol de manière indépendante pour chaque avion. Cette planification est effectuée à l'aide d'un algorithme basé sur la méthode Ordered Upwind. A partir de ces trajectoires, nous calculons une métrique de congestion simple pour nous permettre d'évaluer la complexité du trafic. La métrique choisie ici correspond au nombre d'avions présents dans un voisinage défini à un temps donné.La deuxième étape a pour but de modifier les trajectoires initiales afin de minimiser la congestion globale du trafic. Pour cela, un algorithme de Recuit Simulé est appliqué de la façon suivante. A chaque itération, une trajectoire est tirée aléatoirement. Elle est recalculée, à l'aide de l'algorithme de la première étape, en pénalisant les zones congestionnées pour obtenir la trajectoire optimisée pour le critère pénalisé. Nous réévaluons ensuite la complexité du trafic avec cette nouvelle trajectoire.L'adaptation de l'algorithme Ordered Upwind sur la sphère, nous a permis de travailler avec des données réelles de vent et de trafic sur un espace aérien à l'échelle européenne

Generating optimal aircraft trajectories with respect to weather conditions

International audienceTwo major projects have been initiated to improve air traffic management by enabling 4D trajectory planning, whereby the aircraft plan their trajectory both in position and in time. In this paper, we are interested in a Free Flight variant of the concept, whereby airspace users are allowed maximum freedom when selecting routes: aircraft are no longer restricted to fly along airways; rather, they are allowed to fly along optimal routes, from origin to destination, following optimal altitudes, using favourable winds and avoiding hazards. Such optimal routes are good for the environment, for the airlines, and for passengers. The goal of our research is to generate trajectories which minimize congestion and travel time of each aircraft in a way that is fair and efficient. We first optimize the route of a single aircraft relying on an algorithm called Ordered Upwind. And then, with a multi-agent system, we modify trajectories in order to minimize the congestion and to stay as close as possible to the optimal trajectories

Trafic aérien : détermination optimale et globale des trajectoires d'avion en présence de vent

In the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence.Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflit

Generating optimal and global aircraft trajectories with respect to weather conditions

Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflitsIn the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence

Generating optimal aircraft trajectories with respect to weather conditions

International audienceCompute optimal routes in Cruise Flight

Génération d'une trajectoire optimale pour un avion en tenant compte du vent et de la congestion de l'espace aérien

National audienceDans le cadre de l'amélioration du trafic aérien, des projets ont été initiés afin de contraindre l'avion en position et en temps (trajectoire 4D). On s'intéresse ici à la planification des vols en tenant compte du vent, des zones de survol interdites et de la congestion du trafic aérien. Nous proposons une méthodologie qui génère, à l'aide d'un algorithme Fast Marching adapté, une trajectoire optimale, par rapport au temps de parcours, d'un vol en croisière. Pour ce faire, nous imposons le niveau de vol et la vitesse de l'avion. La trajectoire ainsi obtenue tient compte du vent, des zones interdites et de la congestion du trafic global

Optimisation d’une trajectoire aérienne suivant les conditions météorologiques

Journée R&D Aéronautique Météo France, Toulouse, Juin 2012