使用非线性规划的飞行路径优化制造技术

一种方法(200)、介质和系统(400)，以：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于投影的模型消除数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；离散化模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化模拟的飞行器和发动机组合爬升至规定的巡航高度和空速的燃料消耗。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容涉及飞行器飞行路径优化，并且具体地涉及使用非线性规划生成最佳爬升控制轨迹。
技术介绍
飞行管理系统(FMS)是飞行器机载的基于计算机的系统，其执行一定数目的飞行中的任务，包括飞行计划的飞行中管理。FMS已经使用多年，且迄今由FMS使用的规划技术是针对前几代计算机化系统的计算能力设计的。例如，现今仍在服役的之前的FMS通常作出关于飞行路径相关的许多复杂且变化参数的假设，包括但不限于关于飞行器及其性能特征的方面的固定(即，恒定)值，以及飞行器操作的恒定值(例如，飞行的爬升部分期间的恒定飞行器速度)。此FMS通常在飞行路径的爬升部分期间采用恒定速度(非现实世界约束)，且依靠查找表来确定恒定爬升速度来报告至给定巡航高度和速度。因此，存在提供可基于与包括优化飞行路径的假定约束相反的特定飞行的实际状态而生成控制轨迹的系统和过程的期望。
技术实现思路
本专利技术的第一技术方案提供了一种使用非线性规划优化飞行路径的方法，所述方法包括：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在所述数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于所述投影的模型消除所述数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换所述快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化所述模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；将爬升末端成本限定为巡航高度和空速的函数；离散化所述模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至规定的巡航高度和空速的燃料消耗。本专利技术的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括验证所述飞行器和发动机组合的所述性能特征的所述数学模型表示。本专利技术的第三技术方案是在第一技术方案中，所述数学模型表示的所述快速动态分量通过将所述模拟的飞行器和发动机组合的俯仰力矩和竖直力设置为平衡值来消除。本专利技术的第四技术方案是在第一技术方案中，还包括由所述模拟的飞行器和发动机的确定的最佳开环控制和运动方程来确定飞行轨迹。本专利技术的第五技术方案是在第一技术方案中，所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至所述规定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可变的。本专利技术的第六技术方案是在第一技术方案中，所述飞行器和发动机组合的性能特征的所述数学模型表示包括发动机退化特征、作为飞行变量的函数的燃料焚烧、飞行动态模型和它们的组合中的至少一者。本专利技术的第七技术方案提供了一种储存处理器可执行的程序指令的非暂时性介质，所述介质包括可由计算机执行的程序指令，以：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在所述数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于所述投影的模型消除所述数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换所述快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化所述模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；将爬升末端成本限定为巡航高度和空速的函数；离散化所述模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至规定的巡航高度和空速的燃料消耗。本专利技术的第八技术方案是在第七技术方案中，还包括可由计算机执行来验证所述飞行器和发动机组合的所述性能特征的所述数学模型表示的程序指令。本专利技术的第九技术方案是在第七技术方案中，所述数学模型表示的所述快速动态分量通过将所述模拟的飞行器和发动机组合的俯仰力矩和竖直力设置为平衡值来消除。本专利技术的第十技术方案是在第七技术方案中，还包括可由计算机执行来由所述模拟的飞行器和发动机的确定的最佳开环控制和运动方程来确定飞行轨迹的程序指令。本专利技术的第十一技术方案是在第七技术方案中，所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至所述规定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可变的。本专利技术的第十二技术方案是在第七技术方案中，所述飞行器和发动机组合的性能特征的所述数学模型表示包括发动机退化特征、作为飞行变量的函数的燃料焚烧、飞行动态模型和它们的组合中的至少一者。本专利技术的第十三技术方案提供了一种系统，包括：计算装置，包括：储存处理器可执行的程序指令的存储器；以及处理器，以执行所述处理器可执行的程序指令来促使所述计算装置：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在所述数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于所述投影的模型消除所述数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换所述快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化所述模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；将爬升末端成本限定为巡航高度和空速的函数；离散化所述模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至规定的巡航高度和空速的燃料消耗。本专利技术的第十四技术方案是在第十三技术方案中，还包括验证所述飞行器和发动机组合的所述性能特征的所述数学模型表示。本专利技术的第十五技术方案是在第十三技术方案中，所述数学模型表示的所述快速动态分量通过将所述模拟的飞行器和发动机组合的俯仰力矩和竖直力设置为平衡值来消除。本专利技术的第十六技术方案是在第十三技术方案中，还包括由所述模拟的飞行器和发动机的确定的最佳开环控制和运动方程来确定飞行轨迹。本专利技术的第十七技术方案是在第十三技术方案中，所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至所述规定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可变的。本专利技术的第十八技术方案是在第十三技术方案中，所述飞行器和发动机组合的性能特征的所述数学模型表示包括发动机退化特征、作为飞行变量的函数的燃料焚烧、飞行动态模型和它们的组合中的至少一者。附图说明在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：图1为按照本文所示或所述的一个或更多个实施例的飞行路径的阶段的示范性图示；图2为按照本文所示或所述的一个或更多个实施例的过程的示范性流程图；图3为按照本文所示或所述的一个或更多个实施例的示例性飞行轨迹和传统飞行轨迹的示范性图解示图；以及图4为根据本文中的一些实施例的装置的示范性图示。部件列表100飞行路径的图表105爬升路径110巡航路径115下降路径120基准点200流程图205过程操作210过程操作215过程操作220过程操作225过程操作230过程操作235过程操作240过程操作300爬升路径的图表305传统飞行计划图310公开的飞行计划图315图305的的跟踪结果320图310的的跟踪结果400系统405处理器410缓存415输入装置420通信装置425输出装置430储存装置435非线性规划引擎440飞行路径数据。具体实施方式本公开内容涉及使用非线性规划的引导优化。如本文中所使用的，用语非线性规划是解决连同待最大化或最小化的目标函数在一组未知实变量内的共同称为约束的等式和不等式的系统限定的优化问题的过程，其中约束或目标函数的一些是非线性的。它为应对非线性的问题的数学优化的子领域。如本文中所使用的，用语引导限定最小化成本函数且为反馈控制系统的输入的控制基准。在一些实施例中，本公开内容公开了一种确定最佳开环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：计算装置(400)，包括：储存处理器可执行的程序指令(435)的存储器(430)；以及处理器(405)，以执行所述处理器可执行的程序指令来促使所述计算装置(400)：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在所述数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于所述投影的模型来消除所述数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换所述快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化所述模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；将爬升末端成本限定为巡航高度和空速的函数；离散化所述模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化所述模拟的飞行器和发动机组合爬升至规定的巡航高度和空速的燃料消耗。

【技术特征摘要】
2015.09.03 US 14/8448921.一种系统，包括：计算装置(400)，包括：储存处理器可执行的程序指令(435)的存储器(430)；以及处理器(405)，以执行所述处理器可执行的程序指令来促使所述计算装置(400)：接收飞行器和发动机组合的性能特征的数学模型表示；在所述数学模型表示上执行基于投影的模型降阶；基于所述投影的模型来消除所述数学模型表示的快速动态分量；将降阶模型确定为微分代数方程，其中代数方程替换所述快速动态；将飞行路径角和油门杆角设置为控制以最小化所述模拟的飞行器和发动机组合的燃料消耗；将爬升末端成本限定为巡航高度和空速的函数；离散化所述模拟的飞行器和发动机组合的运动方程，且将优化方程公式化为非线性规划问题；以及确定最佳开环控制，其最小化所述模拟的飞行器...

【专利技术属性】
技术研发人员：R盖米，ER维斯特维尔特，M达内尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US