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《中国民用航空飞行学院》 2020年
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基于多普勒激光雷达的飞机尾涡识别与预测研究

吴郑源  
【摘要】:飞机尾流是飞机产生升力的必然产物,在机翼后方呈现一对旋转方向相反漩涡的形式,且能够较为稳定的存在一定的时间,对民航安全带来了影响。目前使用的尾流间隔标准已经逐渐不能满足民航业的发展,国内外均在研究如何优化尾流间隔以及动态尾流间隔,对飞机尾涡的识别和预测提出了需求。本文围绕飞机尾涡的识别和预测问题,研究激光雷达探测飞机尾涡径向速度场的特征,结合环境参数,研究识别和预测方法。论文的主要研究工作包括:首先,研究了激光雷达对飞机尾涡的探测方法。通过分析激光雷达的探测原理,并结合飞机尾涡的流场区域,比较了不同的探测模式对飞机尾涡探测的影响,在确定正侧方距离高度指示器扫描模式对飞机尾流探测效果最佳的情况下,建立了该模式下飞机尾涡切向速度和激光雷达探测径向速度的转换模型,并提出了激光雷达安放选址指标,通过计算,确定了设定场景下激光雷达最佳探测位置的范围,通过实地探测实验确认了方法的有效性,并完成了数据采集相关工作。其次,根据飞机尾涡的特性,从实地采集的激光雷达数据中,提取了飞机尾涡的特征,融合了环境因素,作为数据集,并提出了基于支持向量机的飞机尾涡识别方法,通过特征缩放、网格搜索和交叉验证等方法,确定了模型的最佳参数,测试结果表明,该方法能够有效识别飞机尾涡。然后,对存在尾涡的径向速度场进一步提取飞机尾涡特征参数,根据相邻扫描周期之间的特征变化,提出了基于XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)的飞机尾涡预测方法。通过分步搜索方法确定了模型的最佳参数,测试的结果表明,该方法对飞机尾涡具备较好的预测能力,并分析了不同特征对于预测结果的重要程度和测试,测试结果表明该方法能够有效预测飞机尾涡。最后,在提出的飞机尾涡识别和预测方法的基础上,建立了飞机尾涡识别与预测系统,并完成了开发,使用历史数据验证了系统的功能,运行正常,能够准确识别、预测飞机尾涡,并给出对应的提示。论文提出的激光雷达飞机尾涡探测、识别与预测方法,对优化尾流间隔、动态尾流间隔提供支撑,对提高飞行安全系数和提升机场容量和效率有重要意义和应用价值。
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