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Polynomial chaos expansion-based enhanced gaussian process regression for wind velocity field estimation from aircraft-derived data

Autores: Marinescu, Marius; Olivares, Alberto; Staffetti, Ernesto; Sun, Junzi

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2023

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Acceso abierto

Artículo científico
2023

Polynomial chaos expansion-based enhanced gaussian process regression for wind velocity field estimation from aircraft-derived data


Categoría

Matemáticas

Subcategoría

Matemáticas generales

Palabras clave

Papel
Estimación del campo de velocidad del viento
Gestión del tráfico aéreo
Datos de aeronaves
Componentes del viento
Técnicas basadas en datos

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 29

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Este documento aborda el problema de la estimación del campo de velocidad del viento espaciotemporal para aplicaciones de gestión del tráfico aéreo. Utilizando datos obtenidos de aeronaves, se calculan las componentes este y norte del campo de velocidad del viento dentro de un espacio aéreo específico como funciones del tiempo. Se realizan tanto la predicción a corto plazo del campo de velocidad del viento como la reconstrucción del campo de velocidad del viento. Los datos de velocidad del viento se obtienen indirectamente a partir de los estados de las aeronaves que vuelan en el espacio aéreo relevante, los cuales son transmitidos por los sistemas de vigilancia de aeronaves ADS-B y Modo-S. El campo de velocidad del viento se estima combinando dos técnicas basadas en datos: la expansión del caos polinómico y la regresión del proceso gaussiano. El primero aproxima el comportamiento global del campo de velocidad del viento, mientras que el segundo aproxima el comportamiento local. Las componentes este y norte del viento del campo de velocidad del viento deben ser estimadas, lo que hace que el problema sea un problema de múltiples salidas. Este método permite la estimación del campo de velocidad del viento en cualquier ubicación espaciotemporal utilizando observaciones de velocidad del viento de cualquier ubicación espaciotemporal, eliminando la necesidad de cuadrículas espaciales y temporales. Además, dado que el método propuesto en este artículo permite calcular las distribuciones de probabilidad de las estimaciones, se hace posible la computación de los intervalos de confianza. Además, dado que el método presentado en este documento permite la asimilación de datos, puede ser utilizado en línea para actualizar continuamente la estimación del campo de velocidad del viento. El método se prueba en diferentes escenarios de viento y diferentes configuraciones de datos de entrenamiento-prueba, mediante las cuales se verifica la consistencia entre los resultados de la predicción del campo de velocidad del viento y la reconstrucción del campo de velocidad del viento. Finalmente, se utilizan los datos de reanálisis meteorológico ERA5 del Centro Europeo para Pronósticos Meteorológicos a Plazo Medio para validar la técnica propuesta. Los resultados muestran que el método es capaz de estimar de manera confiable el campo de velocidad del viento a partir de datos derivados de aeronaves.

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