Contributions to the optimisation of aircraft noise abatement procedures

193 Pages·2011·6.98 MB·English

Xavier Prats i Menéndez
Contributions to the
optimisation of aircraft noise
abatement procedures
Doctoral Thesis
VIII abertis Prize - Honorable mention
Xavier Prats i Menéndez
Contributions to the
optimisation of aircraft noise
abatement procedures
Doctoral Thesis
VIII abertis Prize - Honorable mention
Primera edición: mayo de 2011
© Xavier Prats i Menéndez
© càtedra abertis 2010, para la presente edición
càtedra abertis de Gestión de Infraestructuras del Transporte
Universitat Politècnica de Catalunya
Jordi Girona 1-3, edifi cio B1 - 101
08034 Barcelona
tel.: [phone], Fax: [phone]
[email protected]
www.catedrasabertis.com
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Pórtico
El modelo de colaboración entre universidad y empresa iniciado en 2003 por abertis y la Univer-
sitat Politècnica de Catalunya para la creación de la cátedra abertis-UPC ha demostrado ser una
propuesta de éxito que ha sido validada tanto por la cantidad como por la calidad de las activida-
des desarrolladas por la cátedra en ámbitos como la investigación, la formación o la divulgación de
contenidos relacionados con la gestión de infraestructuras para la movilidad y las comunicaciones.
La experiencia acumulada durante todos estos años ha inspirado proyectos similares con otras
universidades y centros de excelencia en países donde el grupo abertis desarrolla su actividades.
Cada una de estas iniciativas se centra en la investigación y en la formación en diferentes aspectos
que afectan a la gestión de las infraestructuras. Todas ellas, enmarcadas dentro de la Responsabi-
lidad Social Corporativa de abertis, facilitan la transferencia de conocimiento entre universidad y
empresa, además de reforzar la implicación de nuestro Grupo en la sociedad que lo acoge.
En esta línea, en Francia se ha dado un paso más en esta dirección al crearse la chaire abertis
conjuntamente con l’École des Ponts ParisTech (ENPC) y el Institut Français des Sciences et Tech-
nologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR). Este mismo año, la cátedra
abertis-UPC y la chaire abertis-ENPC-IFSTTAR convocan el primer Premio abertis internacional
de investigación en gestión de infraestructuras de transporte, alcanzando así un nuevo hito en la
internacionalización de las cátedras abertis que refuerza además la vocación europea del Grupo,
desarrollando a su vez una experiencia pionera de trabajo en red que posibilita el trabajo conjunto,
el intercambio de experiencias y la generación de sinergias entre los expertos de universidades y
centros de excelencia con los gestores de las infraestructuras de los distintos países.
El lector encontrará más información sobre las actividades de las cátedras en la web:
www.catedrasabertis.com
Presentación
La cátedra abertis de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) promueve la realización de
seminarios y conferencias y la investigación sobre la gestión de infraestructuras del transporte
estructurada en seis ejes de actividad de la corporación: carreteras y autopistas, aparcamientos,
seguridad vial, logística, aeropuertos y sistemas de transporte inteligentes.
Asimismo, con objeto de potenciar el interés de los universitarios españoles, incluyendo estudian-
tes de titulaciones regladas y de máster y doctorado, la cátedra abertis establece anualmente el
Premio abertis, al mejor trabajo de investigación inédito en gestión del transporte (tesis doctoral,
tesina, trabajo tutelado, etc.) realizado por estudiantes en España.
En la octava convocatoria de 2010, se presentaron quince candidatos, todos ellos de elevada ca-
lidad, con contribuciones como: viabilidad de un mercado de futuros y opciones sobre franjas
horarias aeroportuarias, estimación de matrices de movilidad mediante datos de telefonía móvil,
análisis del sector de los operadores logísticos, minimización del ruido de las aeronaves gestionan-
do las trayectorias de aproximación, análisis de la longitud de los carriles de deceleración en carre-
teras, estimación del tiempo de viaje en autopista con fusión de datos, guía para la elaboración de
Planes Urbanos de Moderación del Tráfi co, robustez en logística aplicada al transporte ferroviario
de pasajeros, mejora de la seguridad en carretera en intersecciones, efectos de la implantación de
tarifación dinámica sobre la equidad, análisis de la distancia de visibilidad de adelantamiento, rela-
ciones entre infraestructura y territorio, rentabilidad económica y social del Bicing y un análisis del
fl ujo peatonal de las estaciones ferroviarias .
Ha resultado ganador de un Accésit al VIII Premio abertis 2010 en la categoría de Tesis Doctora-
les, la tesis del Dr. Xavier Prats i Menéndez, Ingeniero Aeronáutico y de Telecomunicaciones por
la Universitat Politècnica de Catalunya con su tesis “Contributions to the optimization of aircraft
noise abatement procedures”.
La tesis trata de minimizar el sonido generado por las operaciones de las aeronaves, asumiendo al
mismo tiempo la creciente demanda de vuelos. En los próximos años se esperan nuevos sistemas
de aviónica y conceptos de gestión del tráfi co aéreo que permitirán mejorar el diseño de estos
procedimientos, permitiendo la defi nición de procedimientos de vuelo óptimos desde un punto de
vista de impacto acústico. La tesis propone una metodología para diseñar estos procedimientos de
forma automática o semi-automática para un sistema experto basado en técnicas de optimización
multi-objetivo. La metodología se ha aplicado con éxito a un escenario real y complejo donde se
optimizan las salidas hacia el este de la pista 02 del aeropuerto de Girona.
Prof. Francesc Robusté
Director de la cátedra abertis-UPC
Contributions to the
Optimisation of Aircraft Noise
Abatement Procedures
XAVIER PRATS I MENE´NDEZ
AeronauticalEngineer
TelecommunicationsEngineer
Advisers
DR. JOSEBA QUEVEDO CASIN
DR. VICENC¸ PUIG I CAYUELA
Doctorate program in Aerospace Science and Technology
Technical School of Castelldefels
Technical University of Catalonia
Programa de doctorat en Cie`ncia i Tecnologia Aeroespacial
Escola Polite`cnica Superior de Castelldefels (EPSC)
Universitat Polite`cnica de Catalunya (UPC)
Adissertationsubmittedforthedegreeof
EuropeanDoctorofPhilosophy
January2010
ContributionstotheOptimisationofAircraftNoiseAbatementProcedures
DoctorateprograminAerospaceScienceandTechnology
TechnicalUniversityofCatalonia
January2010
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PhD.Thesismadein:
TechnicalSchoolofCastelldefels
EsteveTerradas,5.
08860Castelldefels
Catalonia(Spain)
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Alamevafamília,
quetantaproptinc.
Contents
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
List of Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Agra¨ıments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Resum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
List of Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii
CHAPTER I Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.1 Strategies for aircraft noise reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.2 Noise policies and regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.3 Motivation of this PhD thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.4 Objectives of this PhD thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.5 Scope and limitations of this PhD thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.6 Outline of this PhD thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
CHAPTER II State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
II.1 Noise abatement procedures (NAPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
II.2 Noise annoyance modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
II.3 Concluding discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
CHAPTER III Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
III.1 Input data and scenario definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
III.2 Model of the aircraft dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
III.3 Noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
v
III.4 Noise annoyance model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CHAPTER IV Multi-objective Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
IV.1 Optimal control problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
IV.2 Multi-objective optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
CHAPTER V Lexicographic and hierarchical optimisationfor NADP . . . . . . . . . . 57
V.1 Lexicographic steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
V.2 Priority analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
V.3 Hierarchical optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
V.4 Dealing with local minima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
V.5 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
CHAPTER VI Optimisation of NADP for complex scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . 77
VI.1 Definition of the measurement grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
VI.2 Multi-objective optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
VI.3 Application Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
CHAPTER VII Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
VII.1 Summary of contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
VII.2 Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
APPENDIX A Aircraft navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.1 Radionavigation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A.2 Flight Phases and navigation procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.3 Conventional and RNAV navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.4 Airspace structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
APPENDIX B Background on aircraft noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.1 The Nature of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.2 Aircraft noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
APPENDIX C Flight mechanics modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C.1 Definition of the reference frames. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.2 Equations of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.3 State-space representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
C.4 Summary of the hypotheses adopted in the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
APPENDIX D Background on fuzzy rule-based systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
vi