Planificación de trayectorias de avión en espacios aéreos estructurados con incertidumbre meteorológica

Abstract

La necesidad de reducir el tiempo de vuelo y el consumo de combustible de la aeronave ha sido siempre un interés para el ser humano por los beneficios en términos económicos y ambientales que reporta. Entre los muchos fenómenos que influyen en el tiempo y en el consumo de combustible de una aeronave está la incertidumbre debida a la meteorología existente. La meteorología no se puede conocer con exactitud ni mucho menos controlar, pero sí que se pueden planificar las trayectorias en base a una predicción dada para un instante de tiempo determinado. Por esta razón, la planificación de trayectorias en espacios aéreos estructurados sujeta a incertidumbre meteorológica es abordada en este trabajo. En primer lugar, se define el espacio aéreo a través de la Teoría de Grafos y se realizan tratamientos sobre el mismo para mejorar la eficiencia y la optimalidad de la herramienta planificadora. Posteriormente, se presentan las ecuaciones del movimiento de la aeronave en las que se introduce la incertidumbre meteorológica proporcionada por el ECMWF a través de distintos escenarios; estas ecuaciones permiten calcular el tiempo de vuelo, el consumo de combustible y otras variables de interés. A continuación, se emplea un enfoque combinatorio para llevar a cabo la planificación en sí misma de la trayectoria, esto es, la determinación de la ruta más adecuada que conecta el origen con el destino. De esta forma, se pueden resolver no sólo los problemas clásicos como minimizar el tiempo de vuelo promedio y el consumo de combustible promedio, sino también combinaciones entre escenarios o problemas como el worst-case. Una novedad que presenta este trabajo es la introducción de las variaciones temporales que experimenta la función objetivo. Otra serie de asuntos como la limitación del ángulo de viraje de la aeronave y la consideración de regiones prohibidas, restringidas y peligrosas para el vuelo son abordadas mediante este enfoque. Todos estos problemas son resueltos de forma práctica para una trayectoria con origen en Málaga y destino en Arlanda, comparando las ventajas e inconvenientes de utilizar el enfoque combinatorio frente a los algoritmos clásicos de búsqueda de caminos en grafos como el algoritmo de Dijkstra. Finalmente, se resumen las conclusiones extraídas de todos los análisis y se proponen líneas de mejora para la continuidad futura del proyecto.

The need to reduce flight time and fuel consumption of aircraft has always been an interest for human beings due to the economic and environmental benefits which it provides. Among the many parameters that influence in the time and fuel consumption of an aircraft, is the uncertainty due to existing meteorology. Meteorology cannot be exactly known, much less controlled, but we are able to plan the trajectories based on a estimated prediction for a given instant of time. For this reason, the planning of trajectories in structured airspaces subject to meteorological uncertainty is addressed in this work. First, the airspace is defined through the Graph Theory and several treatments are carried out on it to improve the efficiency and optimality of the planned tool. Then, the aircraft motion equations are presented in which the meteorological uncertainty is provided by the ECMWF through different scenarios. In this way, we calculate the flight time, fuel consumption and other interesting variables. A combinatorial approach is used to find the optimal route to fly the aircraft. With this approach, we can solve not only classic problems like average flight time and average fuel consumption, but also any combinations between scenarios or other types of problems like worst case. A novelty that this work presents is the introduction of the temporal variations which the objective function experiences. Other issues such as constraints to the turn angle of the aircraft and prohibited, restricted and dangerous regions are addressed through this approach. All these problems are solved in a practical way for a trajectory with origin in Malaga and destination in Arlanda, comparing the advantages and disadvantages of using the combinatorial approach against the classic algorithms for critical path like Dijkstra. Finally, we summarize the conclusions and propose several lines of improvement for the future continuity of this work.