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大飞机轨迹优化与四维导航算法研究

作　者: 陈正举
导　师: 梁斌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 飞行管理系统性能优化 4D导航实时仿真
分类号: V249.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 154次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景  9
  1.2 研究发展概况  9-11
    1.2.1 飞行管理系统的发展概况  9-10
    1.2.2 飞行剖面优化和4D导航的研究和发展  10-11
  1.3 研究背景及重要性  11-12
  1.4 本文主要工作  12-14
第2章飞机4D导航相关原理  14-31
  2.1 飞机的运动方程及能量状态  14-15
    2.1.1 飞机运动学方程  14-15
    2.1.2 飞机的能量状态  15
  2.2 大气环境模型  15-17
    2.2.1 大气环境对象  16
    2.2.2 大气环境模型的设计方法  16-17
  2.3 大型客机的发动机特性  17-20
    2.3.1 涡轮喷气发动机特性  17-18
    2.3.2 涡轮风扇发动机特性  18-19
    2.3.3 发动机简单模型  19-20
  2.4 自动油门系统  20-21
    2.4.1 自动油门系统的组成  20
    2.4.2 自动油门系统的工作原理  20-21
    2.4.3 自动油门系统的工作模式  21
  2.5 最优控制相关理论  21-25
    2.5.1 轨迹优化的变分法  22-24
    2.5.2 庞特里亚金最小值原理  24-25
  2.6 轨迹优化的性能指标和能量状态近似法  25-30
    2.6.1 性能指标  25-27
    2.6.2 能量状态近似法  27-30
  2.7 本章小结  30-31
第3章基于能量状态的4D导航算法  31-39
  3.1 巡航段剖面优化算法  31-33
  3.2 爬升与下降剖面优化算法  33-34
    3.2.1 爬升剖面优化算法  33
    3.2.2 下降剖面优化算法  33-34
  3.3 速度剖面算法  34-38
    3.3.1 飞机飞行允许的速度范围  35-36
    3.3.2 到达时间的计算  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章飞行管理系统4D导航实时仿真  39-44
  4.1 飞行管理系统实时仿真系统  39-41
    4.1.1 实时仿真系统的分类  39
    4.1.2 半实物实时仿真系统介绍  39-41
  4.2 4D导航与指引模块搭建  41-43
    4.2.1 4D导航与指引模块功能  41-42
    4.2.2 分布式实时仿真平台的搭建  42-43
  4.3 本章小结  43-44
第5章算例仿真  44-60
  5.1 算例数据  44-45
    5.1.1 生成最优飞行剖面参数数据  44
    5.1.2 末端区域4D算例数据  44-45
    5.1.3 无优化全轨迹生成结果与分析  45
  5.2 性能优化计算步骤  45-49
    5.2.1 巡航段优化  45-47
    5.2.2 爬升段优化  47
    5.2.3 下降段优化  47-49
  5.3 固定到达时间的4D优化剖面计算及分析  49-53
    5.3.1 固定巡航高度4D优化剖面结果分析  49-51
    5.3.2 自由巡航高度4D优化剖面结果分析  51-52
    5.3.3 不同固定巡航高度的仿真分析  52
    5.3.4 不同风场的仿真分析  52-53
  5.4 末端区域4D  53-56
  5.5 末端区域4D  56-57
  5.6 本章小结  57-60
结论  60-61
参考文献  61-64
附录1 航路点定义  64-65
附录2 常用变量列表  65-67
致谢  67

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