一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法與流程
本發(fā)明涉及運輸機技術領域，尤其涉及一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法。
背景技術：
隨著航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通變得日益繁忙和擁擠，班機晚點、機場上空排隊等待等問題，嚴重影響著航空公司的運營成本，也危及飛行安全。近年來，業(yè)內提出了《下一代航空運輸系統》(Next Generation Air Transportation System,簡稱NGATS，后來更名為NextGen)，其核心在于通過優(yōu)化當前運輸機的飛行軌跡來改善飛行的安全性、經濟性、環(huán)保性?，F在運輸機的航線任務剖面被嚴格的劃分為類似階梯狀的許多小航段，而基于NextGen的高效管理，未來運輸機的航線任務剖面將是連續(xù)的，如圖1所示。相比較于現行的飛行管理系統，可以通過規(guī)劃飛行軌跡降低油耗和排放、減小直接運行成本及縮短飛行時間，對于NextGen航空運輸系統，飛行器軌跡優(yōu)化的用途將顯得更加重要。目前，業(yè)內主要研究的民航運輸機軌跡優(yōu)化方法，著重點在于考慮溫室氣體排放量等問題。但是，在實際應用中，進行軌跡優(yōu)化所需同時考慮的因素還有很多，因此目前的大多數的優(yōu)化方法主要還是偏向于理論研究方面，能夠根據實際情況綜合諸多因素的優(yōu)化方案不多，因此也限制了基于NextGen的民航運輸機軌跡優(yōu)化方案的可應用范圍。
技術實現要素：
本發(fā)明實施例提供一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，基于多目標的優(yōu)化理念，根據給定的運輸機和發(fā)動機特性，及運輸機的飛行范圍，優(yōu)化出兼顧經濟性和排放量的民航運輸機飛行軌跡。
為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案：
第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，包括：
讀取運輸機樣本，從所述運輸機樣本中提取當前的飛行環(huán)境下的所述運輸機的初始飛行軌跡和設計變量參數，并建立計算模型，所述計算模型包括：運輸機動力學模型、運輸機氣動特性模型、發(fā)動機動力和燃油模型和大氣數據模型，所述運輸機樣本包括：所述運輸機在至少一種飛行環(huán)境下的初始飛行軌跡和設計變量參數；
根據所建立的計算模型，計算得到所述運輸機的直接運營成本(DOC)和排放量；
檢測所述初始飛行軌跡是否滿足收斂直接運營和條件，所述收斂條件包括：所述運輸機的直接運營成本向成本最低值收斂至指定的成本程度，和所述運輸機的排放量向排放量最低值收斂至指定的排放量程度；
若判定不符合所述收斂直接運營條件，則通過優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化。
結合第一方面，在第一方面第一種可能的實現方式中，所述運輸機動力學模型，包括：
其中，h表示高度，v表示速度，r表示航程，γ表示航跡傾角，m表示質量；為h，v，γ，m對時間的導數，g是重力加速度；
所述運輸機氣動特性模型包括：
L＝CLqS
D＝CDqS
其中，L是升力，CL是升力系數、q是動壓，S是參考面積；D是阻力，CD是阻力系數CD，q是動壓，S是參考面積；動壓q和飛行馬赫數M的定義如下：
M＝v/a
其中，ρ是當地密度，a是當地音速。
結合第一方面，在第一方面第二種可能的實現方式中，所述發(fā)動機動力模型包括:
T＝Tle×T0[1+exp(-(k1+k2h)T0)]×k3×exp[-(k4h+k5Vexp(-k6h))]
式中，T為總推力，Tle為油門系數，T0為海平面最大靜推力，V修正后的飛行速度，h為當前的飛行高度，單位為FL，即100ft；各系數項取值分別為k1＝0.259，k2＝2.20×10-4，k3＝0.9936，k4＝2.87×10-3，k5＝1.44×10-3，k6＝1.80×10-3；
其中，V通過噴流速度修正，修正方法是：V＝V0(1+aρ/(V0+Vj))，其中，V0為當前的飛行速度，Vj為噴口處的噴流速度，a為當地聲速，ρ為當地空氣密度。
結合第一方面，在第一方面第三種可能的實現方式中，所述發(fā)動機燃油模型的建立方式，包括：
將實際飛行狀態(tài)的燃油流量Wff修正為標準大氣條件下的修正燃油流量RWff；
對ICAO提供的四個標準狀態(tài)的數據進行數據擬合，對修正排放指數REI和修正后的燃油流量RWff進行擬合，其中，所進行的數據擬合過程，采用多項式擬合模型、克立格(Kriging)模型、指數擬合模型；
對于不同的氣體，擬合時選用不同擬合模型；
得到對應的修正排放指數REI之后，將其反修正回實際飛行條件下的排放指數EI。
結合第一方面，在第一方面第四種可能的實現方式中，所述大氣數據模型，其中，所述大氣數據模型中的大氣參數，采用美國《1976標準大氣》中的大氣參數與海拔高度的關系進行計算。
結合第一方面，在第一方面第五種可能的實現方式中，所述直接運營成本(DOC)包括：所有權成本和現金成本；
所述所有權成本包括利息或租金，折舊費，保險費；
所述現金成本包括運行費用、燃油費用、維修費用、空勤組費用和旅客餐食費用五項；所述機組費用包括飛行員費用和客艙乘務員費用；
所述運行費用包括由運輸機起降服務費、地面服務費、航路費組。
具體地，本發(fā)明實施例所述直接運營成本(DOC)包括：
其中，DOC_PR是每座每公里直接使用成本，單位為元/千米；PAX是座位數，R為航程,單位是千米。
結合第一方面，在第一方面第六種可能的實現方式中，所述排放量是：
一段時間內，單位質量的溫室氣體直接和間接造成的全球變暖或輻射強迫，與單位質量的CO2造成的全球變暖或輻射強迫的比值；
計算全航段中各微段的溫室氣體總量；
對所有微段求和積分獲得總運輸機溫室氣體排放量TGWP。
具體地，本發(fā)明實施例所述排放量包括：
其中，總運輸機溫室氣體排放量TGWP的單位為千克，TGWP_PR為座公里排放量，單位為克/千米，PAX是座位數，R為航程,單位是千米。
結合第一方面，在第一方面第七種可能的實現方式中，所述通過優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化，包括：
讀取優(yōu)化目標、常規(guī)約束和非常規(guī)約束，所述優(yōu)化目標包括：降低直接運營成本(DOC)和總溫室氣體排放量小于各自的最大值；所述常規(guī)約束至少包括：高度約束、安全區(qū)域約束、飛行速度/角速度約束、過載約束和飛行包線約束；所述非常規(guī)約束包括:空情和雷雨氣候條件；
對初始飛行軌跡進行離散，轉化為非線性優(yōu)化問題，所述對初始飛行軌跡進行離散的算法包括：梯形法、Guass偽譜法或Legendre偽譜法；
選取優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化，在所述常規(guī)約束和所述非常規(guī)約束的約束范圍內，調整飛行軌跡直至滿足所述優(yōu)化目標，所述優(yōu)化算法至少包括序列二次規(guī)劃法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法。
其中，所述非常規(guī)約束包括：設定影響范圍，在歸一化后的軌跡全區(qū)間[0,1]范圍內抽取一個隨機數，在隨機數對應位置設置約束條件。
結合第一方面第七種可能的實現方式，在第八種可能的實現方式中,所述優(yōu)化目標包括：
其中，f表示優(yōu)化目標；Sj(j＝1,2)為比例因子；Wk(k＝1,2)為加權系數。若直接運營成本(DOC)的權重系數設為1，排放量重系數設為0，則飛行軌跡優(yōu)化則轉化為以直接運營成本(DOC)為優(yōu)化目標的飛行軌跡優(yōu)化。若將排放量重系數設為1，直接運營成本(DOC)的權重系數設為0，則飛行軌跡優(yōu)化則轉化為以排放量重為優(yōu)化目標的飛行軌跡優(yōu)化。
結合第一方面第七種可能的實現方式，在第九種可能的實現方式中，還包括：
對各優(yōu)化目標進行加權計算，包括：
其中：fi(i＝1,2,…,n)表示優(yōu)化目標；sj(j＝1,2,…,n)為比例因子；wk(k＝1,2,…,n)是權重系數。
本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法可以適用于運輸機下一代飛行管理系統，運輸機的航線任務剖面是連續(xù)的；也可以適用于現在的被嚴格的劃分為類似階梯狀的許多小航段的運輸機的航線任務剖面。
本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，綜合考慮民航運輸機的經濟性與排放量，不僅可以面向下一代飛行管理系統，基于經濟性與排放量對民航運輸機全航程飛行軌跡優(yōu)化，也可以對當前的階梯分段飛行軌跡(全航程或其中部分航段)進行優(yōu)化，還可以分析飛行高度和速度對運輸機經濟性、總溫室氣體排放量的影響，及載荷變化和航程變化對飛行軌跡、經濟性、總溫室氣體排放量的影響。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是現有的NextGen飛行任務的示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法流程示意圖；
圖3是本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法中直接運營成本(DOC)的示意圖；
圖4是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后升力系數對比圖；
圖5是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后油門系數對比圖；
圖6是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后高度對比圖；
圖7是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后航程對比圖；
圖8是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后速度對比圖；
圖9是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后航跡角對比圖；
圖10是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后重量對比圖。
具體實施方式
為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
本發(fā)明實施例提供一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，基于多目標的優(yōu)化理念，根據給定的運輸機和發(fā)動機特性，及運輸機的飛行范圍，優(yōu)化出兼顧經濟性和排放量的民航運輸機飛行軌跡。
為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案：
第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，如圖2所示，包括：
讀取運輸機樣本，從所述運輸機樣本中提取當前的飛行環(huán)境下的所述運輸機的初始飛行軌跡和設計變量參數，并建立計算模型，所述計算模型包括：運輸機動力學模型、運輸機氣動特性模型、發(fā)動機動力和燃油模型和大氣數據模型，所述運輸機樣本包括：所述運輸機在至少一種飛行環(huán)境下的初始飛行軌跡和設計變量參數；
具體地，所述讀取運輸機樣本，從所述運輸機樣本中提取當前的飛行環(huán)境下的所述運輸機的初始軌跡參數和設計變量參數，主要變量如表1所示。
表1飛行軌跡模型中的變量
本發(fā)明實施例以一種典型的中短程、雙發(fā)窄體客機為例，所述客機類似于波音737-800客機，主要外形參數如表2所示。
表2某典型客機外形參數
配裝的發(fā)動機為CFM56-7B渦扇發(fā)動機，所述發(fā)動機的排放數據如表3所示。
表3發(fā)動機CFM56-7B27的排放數據
起飛重量為79.010噸，航程為5665千米。將相應的數據輸入運輸機氣動特性模型和發(fā)動機特性模型。
下一代航空運輸系統的飛行剖面和現行飛行剖面有明顯的區(qū)別，新的飛行剖面中取消了爬升和下降階段的速度限制、速度變化限制以及巡航階段的階梯巡航限制，使得整個飛行過程變化為一個整體，飛行管理系統擁有了更加自由的飛行規(guī)劃。為了方便定義自變量上下界，本發(fā)明實施例中把基于NextGen飛行剖面也廣義地劃分為爬升、巡航、下降三個階段：將高度變化較小階段劃分為巡航階段；巡航階段之前為爬升段，之后為下降段。
根據所建立的計算模型，計算得到所述運輸機的直接運營成本(DOC)和排放量；
檢測所述初始飛行軌跡是否滿足收斂直接運營和條件，所述收斂條件包括：所述運輸機的直接運營成本向成本最低值收斂至指定的成本程度，和所述運輸機的排放量向排放量最低值收斂至指定的排放量程度；
若判定不符合所述收斂直接運營條件，則通過優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化。
結合第一方面，在第一方面第一種可能的實現方式中，所述運輸機動力學模型，其中，可將運輸機理想化為剛體模型，忽略地球曲率，建立動力學模型，運輸機在垂直剖面內的運動，包括：
其中，h表示高度，v表示速度，r表示航程，γ表示航跡傾角，m表示質量；為h，v，γ，m對時間的導數，g是重力加速度；
所述運輸機氣動特性模型包括：
L＝CLqS
D＝CDqS
其中，L是升力，CL是升力系數、q是動壓，S是參考面積；D是阻力，CD是阻力系數CD，q是動壓，S是參考面積；動壓q和飛行馬赫數M的定義如下：
M＝v/a
其中，ρ是當地密度，a是當地音速。
結合第一方面，在第一方面第二種可能的實現方式中，所述發(fā)動機動力模型包括:
T＝Tle×T0[1+exp(-(k1+k2h)T0)]×k3×exp[-(k4h+k5Vexp(-k6h))]
式中，T為總推力，Tle為油門系數，T0為海平面最大靜推力，V修正后的飛行速度，h為當前的飛行高度，單位為FL，即100ft；各系數項取值分別為k1＝0.259，k2＝2.20×10-4，k3＝0.9936，k4＝2.87×10-3，k5＝1.44×10-3，k6＝1.80×10-3；
其中，V通過噴流速度修正，修正方法是：V＝V0(1+aρ/(V0+Vj))，其中，V0為當前的飛行速度，Vj為噴口處的噴流速度，a為當地聲速，ρ為當地空氣密度。
結合第一方面，在第一方面第三種可能的實現方式中，所述發(fā)動機燃油模型，是在運輸機飛行的各階段中，提供特定發(fā)動機消耗的燃油量Wfuel和各種氣體的排放指數(Emission Index,EI)的對應關系。各種污染氣體的排放指數均不相同，而且一些氣體的排放指數還會隨著發(fā)動機的運行狀態(tài)和運行環(huán)境而變化。H2O和CO2的排放指數近似為定值，H2O的排放指數EIH2O為1237g/kg，CO2的排放指數EICO2為3150g/kg。而HC、CO、NOx等氣體的排放指數EIHC、EICO和EINOx則并非是常數，其具體數值需要根據發(fā)動機的具體型號及運行環(huán)境來確定。ICAO測量并公布的發(fā)動機排放數據庫中，提供了部分現有發(fā)動機處于標準起飛降落循環(huán)(LTO)的起飛、爬升、進近和滑行四個工作狀態(tài)時，且為15C海平面凈推力情況下的燃油流量或推力與排放指數之間的關系。
但在計算某客機的排放量時，ICAO公布的數據并不能直接使用，這主要是因為：發(fā)動機的燃油流量和排放指數都會隨著周圍環(huán)境的溫度、壓強等參數的變化而變化，即使是處于LTO的四個狀態(tài)但并非在標準條件下，表中的標準數據并不能直接使用。而且由于現今噴氣式客機的巡航高度大都是在對流層頂到平流層內，在這個高度排出的溫室氣體對氣候的影響要遠大于在地面附近時的影響。因此，在估算運輸機排放的污染氣體對溫室效應的影響時，巡航階段必須考慮在內，而且這是非常重要的一部分。而ICAO數據庫中已有的數據僅適合估算機場周邊污染氣體的排放量，對于客機航行過程中占絕大部分時間的巡航狀態(tài)的排放量，卻不能直接計算。
本發(fā)明實施例中提供的所述發(fā)動機燃油模型的建立方式，包括：
將實際飛行狀態(tài)的燃油流量Wff修正為標準大氣條件下的修正燃油流量RWff；
對ICAO提供的四個標準狀態(tài)的數據進行數據擬合，對修正排放指數REI和修正后的燃油流量RWff進行擬合，其中，所進行的數據擬合過程，采用多項式擬合模型、克立格(Kriging)模型、指數擬合模型；
對于不同的氣體，擬合時選用不同擬合模型；
例如，NOx的排放指數在對數-對數坐標系下，與修正后的燃油流量RWff呈近似線性的關系，則在對數空間內選用一階多項式進行擬合；而HC、CO等氣體的排放指數與RWff呈非線性關系，則應該選用二階或更高階的多項式進行擬合，或者使用其它擬合模型。
得到對應的修正排放指數REI之后，將其反修正回實際飛行條件下的排放指數EI。
本發(fā)明實施例通過溫度、壓力、濕度和飛行馬赫數運行條件進行修正，計算方式如下：
燃油流量的修正：
排放指數的反修正：
其中，δamb為飛行環(huán)境的壓強與標準大氣壓強之比，Θamb為溫度之比，SH為濕度之比，M為飛行馬赫數。
結合第一方面，在第一方面第四種可能的實現方式中，所述大氣數據模型，其中，所述大氣數據模型中的大氣參數，采用美國《1976標準大氣》中的大氣參數與海拔高度的關系進行計算。
本發(fā)明實施例在計算飛行器軌跡時，需要使用大氣參數作為基本數據。目前最新的標準大氣表是美國《1976標準大氣》，它被世界上大多數國家采用。在軌跡優(yōu)化時，還要用到大氣密度，音速等參數，本發(fā)明實施例通過大氣參數與海拔高度的關系進行計算。
結合第一方面，在第一方面第五種可能的實現方式中，如圖3所示，所述直接運營成本(DOC)包括：所有權成本和現金成本。
對于DOC的組成，國內外運輸機制造商和航空公司有不同的定義。國內航空公司常用方法是將DOC費用分為折舊費(Depreciation)、保險費(Insurance)、飛行機組費(Flight Crew)、燃油費(Fuel)和維修費(Maintenance)。其它費用可能會包括機場服務費(Airplane Handling)、著陸費(Landing Fees)、導航費(Navigating Fees)、乘客餐食費(Food in Flight Serving)和乘務員費用(Cabin Crew)等。在本發(fā)明實施例中將直接運營成本(DOC)的組成項目分為兩類：所有權成本和現金成本。
所述所有權成本包括利息或租金，折舊費，保險費；
所述現金成本包括運行費用、燃油費用、維修費用、空勤組費用和旅客餐食費用五項；所述機組費用包括飛行員費用和客艙乘務員費用；
所述運行費用包括由運輸機起降服務費、地面服務費、航路費組。
具體地，本發(fā)明實施例所述直接運營成本(DOC)包括：
其中，DOC_PR是每座每公里直接使用成本，單位為元/千米；PAX是座位數，R為航程,單位是千米。
結合第一方面，在第一方面第六種可能的實現方式中，所述排放量是：
一段時間內，單位質量的溫室氣體直接和間接造成的全球變暖或輻射強迫，與單位質量的CO2造成的全球變暖或輻射強迫的比值。
衡量運輸機排放量需要有一個明確的指標。對于起飛和著陸過程中排放的污染氣體對機場附近環(huán)境的影響，ICAO已專門針對發(fā)動機設定相應的適航標準。更受關注的是運輸機飛行過程中排出的CO2、NOx、H2O等溫室氣體對大氣臭氧層的影響。目前的排放量評估方法通常單獨分析其中一種氣體的溫室效應，或將幾種氣體的排放量直接疊加，這樣的做法并不合理。鑒于各種氣體對溫室效應的影響大小并不相同，而且還隨著海拔高度呈現非線性變化。為了更合理地評估運輸機排放出的溫室氣體總量，本發(fā)明借鑒政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)提出的溫室氣體影響大氣變化的評估標準，引入全球升溫潛能值(Global Warming Potential，GWP)來衡量運輸機排放氣體對溫室效應的影響程度。即一段時間內，單位質量的某種溫室氣體直接和間接造成的全球變暖或輻射強迫，與單位質量的CO2造成的全球變暖或輻射強迫的比值，計算方式如下：
其中TH是評估期時長(通常以100年為準)；ax是1kg氣體的輻射效率；x(t)是1kg氣體在t＝0瞬時釋放到大氣后，隨時間衰減之后的比例。分子是待測氣體的積分量，分母則是CO2的積分量。
全球升溫潛能值是以CO2的數據為基準，而H2O和NOx的GWP值是與海拔高度相關的函數。在指定航段將各種溫室氣體的排放量分別乘以所在高度對應的GWP值，轉換為CO2當量再疊加，可得到該航段溫室氣體總量。
本發(fā)明實施例使用離散方法對下一代航空運輸系統的飛行全航段(從起飛到降落)軌跡優(yōu)化，計算得全航段中各微段的溫室氣體總量；
對所有微段求和或積分獲得總的運輸機溫室氣體排放量TGWP，作為總的排放量綜合評估指標。
具體地，本發(fā)明實施例所述排放量包括：
其中，總運輸機溫室氣體排放量TGWP的單位為千克，TGWP_PR為座公里排放量，單位為克/千米，PAX是座位數，R為航程,單位是千米。
結合第一方面，在第一方面第七種可能的實現方式中，所述通過優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化，包括：
讀取優(yōu)化目標、常規(guī)約束和非常規(guī)約束，所述優(yōu)化目標包括：降低直接運營成本(DOC)和總溫室氣體排放量小于各自的最大值；所述常規(guī)約束至少包括：高度約束、安全區(qū)域約束、飛行速度/角速度約束、過載約束和飛行包線約束；所述非常規(guī)約束包括:空情和雷雨氣候條件；
對初始飛行軌跡進行離散，轉化為非線性優(yōu)化問題，所述對初始飛行軌跡進行離散的算法包括：梯形法、Guass偽譜法或Legendre偽譜法；
選取優(yōu)化算法對飛行軌跡進行優(yōu)化，在所述常規(guī)約束和所述非常規(guī)約束的約束范圍內，調整飛行軌跡直至滿足所述優(yōu)化目標，所述優(yōu)化算法至少包括序列二次規(guī)劃法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法。
其中，所述非常規(guī)約束包括：設定影響范圍，在歸一化后的軌跡全區(qū)間[0,1]范圍內抽取一個隨機數，在隨機數對應位置設置約束條件。
結合第一方面第七種可能的實現方式，在第八種可能的實現方式中,所述優(yōu)化目標包括：
其中，f表示優(yōu)化目標；Sj(j＝1,2)為比例因子；Wk(k＝1,2)為加權系數。若直接運營成本的權重系數設為1，排放量重系數設為0，則飛行軌跡優(yōu)化則轉化為以直接運營成本(DOC)為優(yōu)化目標的飛行軌跡優(yōu)化；若將排放量重系數設為1，直接運營成本(DOC)的權重系數設為0，則飛行軌跡優(yōu)化則轉化為以排放量重為優(yōu)化目標的飛行軌跡優(yōu)化。
在本發(fā)明實施例中S1取值為0.25，S2取60，W1和W2取值為0.5。
優(yōu)化變量：Tle，Cl，h，v，r，γ，m,其中Tle表示油門系數，Cl表示升力系數，h表示高度，v表示速度，r表示航程，γ表示航跡傾角，m表示質量，優(yōu)化約束的上、下界如表4所示，
表4優(yōu)化變量的約束上、下界
優(yōu)化結果對比
軌跡離散方法選用梯形法，優(yōu)化算法選用序列二次規(guī)劃法。如圖4至圖10所示，展示了在NextGen飛行管理模式下，分別以經濟性、排放量和經濟性+排放量的綜合目標(synthesis)為目標時飛行軌跡優(yōu)化的結果，展示了各變量關于時間的變化歷程圖。
表5是最優(yōu)軌跡的相關數據，綜合目標為每座每公里直接使用成本和每座每公里排放量合成的目標值。
表5
從三個目標都可以看到在飛行過程中，在近似巡航階段隨著運輸機重量的下降，巡航高度是逐漸增加的,這是因為在巡航階段它們的速度基本是恒定的，在同樣的速度下保證最大升阻比就得減小外界靜壓從而導致高度增加。以最小經濟成本為目標所用飛行時間是最短的，消耗燃油也是最少的，因為這不僅節(jié)省了燃油費用，而且節(jié)省了空勤費，而因為其消耗時間最短，所以所對應的飛行速度也是最大的，相對應高的速度需要大的發(fā)動機推力，也就是說所對應的油門系數也是較大的。對于最小排放為目標雖然油耗相應有所增加，但是因為飛行高度在一定范圍內的降低，H2O和NOx折合成CO2溫室氣體的系數也是下降趨勢，所以它的溫室效應影響是最低的。
如圖4至圖10所示，是采用本發(fā)明實施例之后的實現數據對比圖，其中：
圖4是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后升力系數對比圖；圖5是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后油門系數對比圖；圖6是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后高度對比圖；圖7是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后航程對比圖；圖8是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后速度對比圖；圖9是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后航跡角對比圖；圖10是采用本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法后重量對比圖。
結合第一方面第七種可能的實現方式，在第九種可能的實現方式中，還包括：
對各優(yōu)化目標進行加權計算，包括：
其中：fi(i＝1,2,…,n)表示優(yōu)化目標；sj(j＝1,2,…,n)為比例因子；wk(k＝1,2,…,n)是權重系數。具體的，多目標優(yōu)化在預優(yōu)化階段可以采用多目標智能優(yōu)化算法，并生成Pareto最優(yōu)解集，在一系列解中依據主觀側重程度選擇最優(yōu)解。
本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法可以適用于運輸機下一代飛行管理系統，運輸機的航線任務剖面是連續(xù)的；也可以適用于現在的被嚴格的劃分為類似階梯狀的許多小航段的運輸機的航線任務剖面。
本發(fā)明實施例提供的一種運輸機飛行軌跡優(yōu)化方法，綜合考慮運輸機的經濟性與排放量，不僅可以面向下一代飛行管理系統，基于經濟性與排放量對運輸機全航程飛行軌跡優(yōu)化，也可以對當前的階梯分段飛行軌跡(全航程或其中部分航段)進行優(yōu)化，還可以分析飛行高度和速度對運輸機經濟性、總溫室氣體排放量的影響，及載荷變化和航程變化對飛行軌跡、經濟性、總溫室氣體排放量的影響。
本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設備實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
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