[论文解读] Quasi Static Atmospheric Model for Aircraft Trajectory Prediction and Flight Simulation

Eduardo Gallo|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Aerospace and Aviation Technology参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出了 ICAO 非标准大气模型（INSA），这是一种准静态大气模型，通过引入温度和压力偏移量，对 ICAO 标准大气模型（ISA）进行改进，以更准确地反映真实大气条件。通过调节这两个参数，INSA 在保持 ISA 结构假设的同时，实现了更精确的飞机轨迹预测与飞行模拟，且提供了开源的 C++ 实现，便于实际应用。

ABSTRACT

Aircraft trajectory prediction requires the determination of the atmospheric properties (pressure, temperature, and density) encountered by the aircraft during its flight. This is accomplished by employing a tabulated prediction published by a meteorological service, a static atmosphere model that does not consider the atmosphere variation with time or horizontal position, such as the International Civil Aviation Organization (ICAO) Standard Atmosphere (ISA), or a variation to the later so it better conforms with the expected flight conditions. This article proposes an easy-to-use quasi static model that introduces temperature and pressure variations while respecting all the hypotheses of the ISA model, resulting in more realistic trajectory predictions as the obtained atmospheric properties bear a higher resemblance with the local conditions encountered during the flight. The proposed model relies on two parameters, the temperature and pressure offsets, and converges to the ISA model when both are zero. Expressions to obtain the atmospheric properties are established, and their dependencies with both parameters explained. The author calls this model INSA (ICAO Non Standard Atmosphere) and releases its C++ implementation as open-source software.

研究动机与目标

• 解决 ICAO 标准大气模型（ISA）在飞行过程中对真实大气变化反映不足的问题。
• 开发一种简单且可扩展的大气模型，保持 ISA 的假设，同时允许真实温度和压力偏差。
• 通过引入局部和时间上的大气变化，提升空中交通管理（ATM）和飞行模拟中飞机轨迹预测的准确性。
• 为研究和运行系统提供透明且开源的实现。

提出的方法

• 该模型引入两个可调参数：温度偏移量（ΔT）和压力偏移量（Δp），以偏离标准 ISA 条件。
• 大气属性（温度、压力、密度）通过包含温度和压力偏移量的改进 ISA 方程进行计算。
• 温度偏移量由给定高度处实测温度与 ISA 预测温度之间的差值推导得出。
• 压力偏移量通过均压海平面压力计算得出，该压力通过包含温度偏移量和大地位势高度的改进静力平衡方程获得。
• 该模型通过保持标准递减率和参考条件，确保与 ISA 的一致性，当两个偏移量均为零时，模型精确回归至标准 ICAO 标准大气模型。
• 发布了 INSA 模型的开源 C++ 实现，支持集成到轨迹预测与模拟系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不违背 ICAO 标准大气模型假设的前提下，将准静态大气模型扩展以反映真实大气的温度和压力变化？
• RQ2 为有效建模局部和时间上的大气偏差以用于飞机轨迹预测，所需最少的参数集是什么？
• RQ3 引入温度和压力偏移量后，与标准 ISA 模型相比，大气属性预测的现实性和准确性提升了多少？
• RQ4 如何实现此类模型的高效计算，并确保其在不同飞行模拟与 ATM 系统之间的互操作性？

主要发现

• INSA 模型通过引入两个具有物理解释意义的参数——温度偏移量和压力偏移量，成功扩展了 ICAO 标准大气模型，同时保持了 ISA 模型的所有基本假设。
• 当温度和压力偏移量均为零时，INSA 模型精确还原为标准 ICAO 标准大气模型，确保向后兼容性。
• 该模型能够基于两个偏移量，在任意高度上准确计算大气属性（T, p, ρ），并推导出温度、压力和密度的显式解析表达式。
• 压力偏移量由均压海平面压力计算得出，该压力通过结合温度偏移量和大地位势高度的改进静力平衡方程获得。
• 该模型通过捕捉高压/低压系统和温度逆增等区域性和时间性变化，显著提升了大气表示的现实性。
• 已发布 INSA 模型的开源 C++ 实现，便于集成到研究和运行用途的轨迹预测与模拟工具中。