Contribuciones a la optimización de áreas de maniobra terminal gracias a operaciones de ascenso continuo = Contributions to the optimization of terminal maneuvering areas through continuous climb operations

Abstract

The main driver within this dissertation is to gain further insights about the realities of enhancing departure aircraft procedures, based on optimal Continuous Climb Operations (CCOs) within Terminal Maneuvering Areas (TMA). The initial study was applied to a long-range wide-body aircraft. The findings were driven by the advantage offered by the direct analysis of real Flight Data Recorder (FDR) data against the simulated data, obtained through the use of orthogonal polynomials such as Chebyshev polynomials, in partnership with Gauss-type integration rules. Within this work, the calculation of improved trajectories aims at reducing the negative environmental aspects of civil aviation on urbanized areas around airports as well as enhancing the operational cost efficiency. The Multi-Objective trajectory optimization was not only applied to multiple environmental factors such as fuel consumption and noise impacts, but also was constrained by Air Traffic Control (ATC) operational restrictions from a real scenario. The problem, tackled through a multi-objective optimization process based on CCO principles by a Chebyshev-Gauss-Lobatto (CGL) pseudospectral Method, relies on a numerical framework that bears out the benefits in terms of fuel consumption and noise emissions. Therefore, this study promotes the need for investigating, not only the implementation of a CCO generally assumed as an uninterrupted climb departure, but an optimal CCO. Performing CCO procedures enable the reduction of the environmental footprint and the improvement of the trajectory efficiency when individually operated. However, its operation may affect negatively the overall operational efficiency at TMAs. The estimation of capacity is a matter of paramount importance to all airports planning and analyzing the capacity effects of this particular operational technique on a certain scenario will definitely help on evaluating its potential applicability. As part of this dissertation, departure runway capacity at a particular airport was operationally evaluated when introducing CCOs. The considered trajectories consisted of multi-objective optimized CCOs based on the optimal control theory, using the pseudospectral direct numerical method as a result of the previous studies. These scenarios allowed addressing of the incremental variations of CCOs versus conventional departures, through fast time simulation, with the objective to assess the effects on the operations. The International ATM research programs around the world are putting in place significant effort on obtaining innovative solutions for the modernization of ATM. However, these catalogues of ATM solutions are usually focused on individual implementation of them. As a consequence, there are conundrums that remain unresolved from an operational point of view when applying simultaneously more than one of these innovative solutions, at the same scenario. As part of this dissertation, it is envisaged to perform an assessment of the implications when applying two of the most relevant ATM priorities that aims at enhancing the efficiency, predictability, and cost effectiveness of the operations at and in the vicinity of airports. In particular, the considered solutions for this analysis are Airport-Collaborative Decision Making (ACDM) and CCO. The work proposed an optimal control model for minimizing the departure delays of a departure mix of aircraft, considering the performance of optimal CCOs using pseudospectral direct numerical method. Instead of dealing with pure runway sequencing, this work dealt with departure sequencing aspects, tackling the problem with the consideration of conventional flight segments and optimal departure vertical trajectories. ----------RESUMEN---------- El principal objetivo de esta investigación es obtener una comprensión más detallada de las mejoras que aporta la optimización de los procedimientos de despegue, en base a las características de las Operaciones de Ascenso Continuo (CCO, por sus siglas en inglés) dentro de un Área de Maniobra Terminal (TMA, por sus siglas en inglés). En el trabajo inicial se han realizado estudios de optimización para una aeronave de largo alcance y fuselaje ancho. Los resultados se basan en la ventaja que ofrece el análisis directo de los datos reales de datos de vuelo (FDR, por sus siglas en inglés) en comparación con los datos simulados que se han obtenido mediante el uso de polinomios ortogonales de Chebyshev, junto con las reglas de integración de tipo Gauss. En este trabajo, el cálculo de trayectorias optimizadas tiene el objetivo de reducir los aspectos ambientales negativos de la aviación civil en áreas urbanizadas alrededor de los aeropuertos, así como la mejora de la eficiencia de los costes operativos. La optimización de trayectoria centrada en factores múltiples no solo se aplica a factores ambientales tales como el consumo de combustible y los impactos de ruido, sino que además están limitados por las restricciones operativas del Control de Tránsito Aéreo (ATC, por sus siglas en inglés) para un escenario real. El problema de mejora, que se ha abordado a través de un proceso de optimización de múltiples factores conforme a los principios operacionales de las CCOs mediante un método pseudoespectral de Chebyshev-Gauss-Lobatto (CGL), se basa en métodos numéricos que confirman los beneficios en términos de consumo de combustible y emisiones de ruido. Por lo tanto, este estudio inicial promueve la necesidad de investigar, no solo la implementación de un CCO que es generalmente asumido como una salida de ascenso ininterrumpida, sino un CCO óptimo. La realización de CCO permite la reducción de la huella ambiental y la mejora de la eficiencia de la trayectoria cuando se opera individualmente. Sin embargo, su operación puede afectar negativamente la eficiencia operativa general en los TMAs. La estimación de la capacidad es de gran importancia para la planificación aeroportuaria y el análisis de los efectos de la capacidad de esta técnica operativa para un determinado escenario ayudará a evaluar su aplicabilidad. Como parte de esta investigación, también se evaluó operativamente la capacidad de la pista de salida en un aeropuerto en particular cuando se introducen los CCO. Las trayectorias consideradas consistían en CCO óptimos basados en la teoría de control óptima, utilizando el método numérico directo pseudoespectral que se obtienen como parte de los estudios previos. Los escenarios permitieron abordar las variaciones incrementales de los CCO conforme a las salidas convencionales para cada escenario, gracias a simulaciones de tiempo acelerado, con el objetivo de evaluar los efectos en las operaciones. Los programas internacionales de investigación de ATM en todo el mundo están realizando un esfuerzo significativo para obtener soluciones innovadoras para la modernización de la gestión del tráfico aéreo. Sin embargo, estos catálogos de soluciones ATM se centran generalmente en una implementación individual. Como consecuencia, hay incógnitas que permanecen sin resolver desde un punto de vista operativo cuando se aplican simultáneamente más de una de estas soluciones para un mismo escenario. Como parte de esta investigación, se prevé realizar una evaluación de las implicaciones que se dan al aplicar dos de las prioridades ATM más relevantes que tienen como objetivo mejorar la eficiencia, la previsibilidad y rentabilidad de las operaciones en los alrededores de los aeropuertos. En particular, las soluciones innovadoras consideradas para este análisis son la toma de decisiones colaborativas aeroportuarias (ACDM, por sus siglas en inglés) y las CCO. En el trabajo se propone un modelo de control óptimo para minimizar los retrasos de salida de una combinación de aeronaves de despegue, considerando el rendimiento de los CCO óptimos y utilizando el método numérico directo pseudopectral. En lugar de tratar únicamente con la secuencia en la pista, este trabajo se centra en aspectos de la secuencia de salida, abordando el problema con la consideración de segmentos de vuelo convencionales y trayectorias verticales de despegue óptimas.