Application for inverse simulation of flight tracks

Abstract

An application for inverse simulation of flight tracks is implemented. Such an application is required for analysis of flight accidents and verification of flight tracks that are generated using optimization methods. The application could also be used to support monitoring of aircraft fatigue life through the flight parameters. The application is required to utilize a simplified aerodynamic model to analyse flight tracks that are given in the form of the aircraft position at successive time steps. Such data from actual flights could be recorded using a GPS device or radar.

The most recognized inverse simulation methods are reviewed. The method selected for this work is based on successive numerical differentiation of the flight track to obtain velocity and acceleration 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 is considered, and a technique is formulated to recognize the sections of the flight track flown using a negative load factor. Also the wind conditions are considered. The application is implemented in the Matlabr environment.

The inverse simulation is verified using data from flight simulations. It is shown that the results of the inverse simulation are accurate if the initial data are accurate and the assumption of coordinated flight is valid. The flight parameters that are computed via the inverse simulation include speed, Mach number, thrust setting, angle of attack, Euler angles, angular rates and load factor vector. Data from actual flights may require processing, i.e. smoothing and filling, before good results can be obtained.

Tässä työssä luodaan sovellus lentoratojen käänteiseen simulointiin. Sovellusta tarvitaan lento-onnettomuuksien analysointiin ja optimointimenetelmillä tuotettujen lentoratojen verifiointiin. Sovellusta voidaan käyttää myös lentokoneen väsymisiän valvonnan apuna lentoparametrien tarkastelun kautta. Vaatimuksena on yksinkertaistetun aerodynaamisen mallin käyttäminen sellaisten lentoratojen analysointiin, jotka on annettu lentokoneen paikkatietona ajan funktiona. Kyseisen kaltaista tietoa voidaan tallentaa GPS- tai tutkamittauksin.

Työssä esitellään merkittävimmät käänteissimulaatiomenetelmät. Tähän työhön valittu menetelmä perustuu lentoradan toistuvaan numeeriseen derivointiin nopeus- ja kiihtyvyysvektoreiden laskemiseksi. Lentoasennon ratkaisemiseksi oletetaan, että lentokone lentää koordinoidusti. Toisin sanoen lentokone ei lennä sivuluisussa, ja sivuvoima on nolla. Työntövoiman aiheuttama lisä nostovoimaan otetaan huomioon, ja työssä kehitetään menetelmä, jolla voidaan tunnistaa negatiivisella kuormitusmonikerralla lennetyt lentoradan osat. Myös tuulen vaikutus huomioidaan. Sovellus ohjelmoidaan Matlabr -ympäristössä.

Käänteissimulaation toiminta verifioidaan käyttämällä lentosimulaatioilla tuotettuja lentoratoja. Työssä osoitetaan, että käänteissimulaation tulokset ovat tarkkoja, jos lähtötiedot ovat tarkkoja ja oletus koordinoidusta lennosta pätee. Käänteissimulaatiolla laskettavia lentoparametreja ovat nopeus, Machin luku, työntövoima-asetus, kohtauskulma, Eulerin kulmat, kulmanopeudet ja kuormituskerroinvektori. Todelliselta lennolta tallennettu lentorata saattaa tarvita esikäsittelyä, kuten sileyttämistä ja täydentämistä, jotta käänteissimulaatiolla saavutetaan hyviä tuloksia.