Application for inverse simulation of flight tracks

Abstract

required for analysis of flight accidents and verification of flight tracks that are generated usingoptimization methods. The application could also be used to support monitoring of aircraftfatigue life through the flight parameters. The application is required to utilize a simplifiedaerodynamic model to analyse flight tracks that are given in the form of the aircraft position atsuccessive time steps. Such data from actual flights could be recorded using a GPS device or aradar. The most recognized inverse simulation methods are reviewed. The method selected for thiswork is based on successive numerical differentiation of the flight track to obtain velocity andacceleration vectors. To obtain a solution for the flight attitude, coordinated flight is assumed,i.e. the aircraft has no sideslip or side force. The contribution of the thrust to the lift isconsidered, and a technique is formulated to recognize the sections of the flight track flownusing a negative load factor. Also the wind conditions are considered. The application isimplemented in the Matlab® environment. The inverse simulation is verified using data from flight simulations. It is shown that theresults of the inverse simulation are accurate if the initial data are accurate and the assumptionof coordinated flight is valid. The flight parameters that are computed via the inversesimulation include speed, Mach number, thrust setting, angle of attack, Euler angles, angularrates and load factor vector. Data from actual flights may require processing, i.e. smoothing andfilling, before good results can be obtained.

Tässä työssä luodaan sovellus lentoratojen käänteiseen simulointiin. Sovellusta tarvitaanlento-onnettomuuksien analysointiin ja optimointimenetelmillä tuotettujen lentoratojenverifiointiin. Sovellusta voidaan käyttää myös lentokoneen väsymisiän valvonnan apunalentoparametrien tarkastelun kautta. Vaatimuksena on yksinkertaistetun aerodynaamisenmallin käyttäminen sellaisten lentoratojen analysointiin, jotka on annettu lentokoneenpaikkatietona ajan funktiona. Kyseisen kaltaista tietoa voidaan tallentaa GPS- taitutkamittauksin. Työssä esitellään merkittävimmät käänteissimulaatiomenetelmät. Tähän työhön valittumenetelmä perustuu lentoradan toistuvaan numeeriseen derivointiin nopeus- jakiihtyvyysvektoreiden laskemiseksi. Lentoasennon ratkaisemiseksi oletetaan, että lentokonelentää koordinoidusti. Toisin sanoen lentokone ei lennä sivuluisussa, ja sivuvoima on nolla.Työntövoiman aiheuttama lisä nostovoimaan otetaan huomioon, ja työssä kehitetäänmenetelmä, jolla voidaan tunnistaa negatiivisella kuormitusmonikerralla lennetyt lentoradanosat. Myös tuulen vaikutus huomioidaan. Sovellus ohjelmoidaan Matlab®-ympäristössä. Käänteissimulaation toiminta verifioidaan käyttämällä lentosimulaatioilla tuotettujalentoratoja. Työssä osoitetaan, että käänteissimulaation tulokset ovat tarkkoja, jos lähtötiedotovat tarkkoja ja oletus koordinoidusta lennosta pätee. Käänteissimulaatiolla laskettavialentoparametreja ovat nopeus, Machin luku, työntövoima-asetus, kohtauskulma, Eulerinkulmat, kulmanopeudet ja kuormituskerroinvektori. Todelliselta lennolta tallennettu lentoratasaattaa tarvita esikäsittelyä, kuten sileyttämistä ja täydentämistä, jotta käänteissimulaatiollasaavutetaan hyviä tuloksia.