Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents the development and implementation of a position based kinematic guidance system, the derivation and testing of a Dynamic Pursuit Navigation algorithm and a thorough analysis of an aircraft’s runway interactions, which is used to implement automated take-off of a fixed wing UAV. The analysis of the runway is focussed on the aircraft’s lateral modes. Undercarriage and aerodynamic effects are first analysed individually, after which the combined system is analysed. The various types of feedback control are investigated and the best solution suggested. Supporting controllers are designed and combined to successfully implement autonomous take-off, with acceleration based guidance. A computationally efficient position based kinematic guidance architecture is designed and implemented that allows a large percentage of the flight envelope to be utilised. An airspeed controller that allows for aggressive flight is designed and implemented by applying Feedback Linearisation techniques. A Dynamic Pursuit Navigation algorithm is derived that allows following of a moving ground based object at a constant distance (radius). This algorithm is implemented and verified through non-linear simulation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis handel oor die ontwikkeling en toepassing van posisie-afhanklike, kinematiese leidings-algoritmes, die ontwikkeling van ’n Dinamiese Volgings-navigasie-algoritme en ’n deeglike analise van die interaksie van ’n lugraam met ’n aanloopbaan sodat outonome opstygprosedure van ’n vastevlerk vliegtuig bewerkstellig kan word. Die bogenoemde analise het gefokus op die laterale modus van ’n vastevlerk vliegtuig en is tweeledig behartig. Die eerste gedeelte het gefokus op die analise van die onderstel, terwyl die lugraam en die aerodinamiese effekte in die tweede gedeelte ondersoek is. Verskillende tipes terugvoerbeheer vir die outonome opstygprosedure is ondersoek om die mees geskikte tegniek te bepaal. Addisionele beheerders, wat deur die versnellingsbeheer gebaseerde opstygprosedure benodig word, is ontwerp. ’n Posisie gebaseerde kinematiese leidingsbeheerstruktuur om ’n groot persentasie van die vlugvermoë te benut, is ontwikkel. Terugvoer linearisering is toegepas om ’n lugspoedbeheerder , wat in staat is tot aggressiewe vlug, te ontwerp. ’n Dinamiese Volgingsnavigasie-algoritme wat in staat is om ’n bewegende grondvoorwerp te volg, is ontwikkel. Hierdie algoritme is geïmplementeer en bevestig deur nie-lineêre simulasie.

Avec la forte augmentation actuelle et future du trafic aérien, les questions relatives à la capacité, la sécurité et les effets environnementaux du transport aérien vont se poser de façon chaque fois plus critique. L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de l'opération et de l'organisation du trafic aérien dans cette perspective de croissance. Le premier objectif spécifique de cette thèse est de faire la synthèse d'une loi de commande permettant aux avions de transport de suivre avec précision une trajectoire 3D+T. Le deuxième objectif spécifique de cette thèse est d'introduire une organisation particulière des corridors aériens, les airstreams, compatible avec la loi de guidage développée et permettant d'utiliser au mieux la capacité du corridor. Ainsi dans une première étape est introduite la dynamique de guidage des avions de transport, ainsi que les systèmes de guidage et de gestion du vol des avions modernes. Ensuite les principaux éléments de l'organisation de la gestion et du contrôle du trafic aérien sont introduits. La loi de guidage 3D+T est développée, simulée et ses performances sont analysées. L'étude d'une manœuvré de changement de voie dans un airstream est alors menée et mise en œuvre dans le cadre de la gestion du trafic à l'intérieur de celui-ci. Finalement les conclusions et perspectives de cette étude sont présentées / With the increase in air traffic, surely a question of flight efficiency (delays), environment impact and safety arise. This calls for improvements in accuracy of spatial and temporal trajectory tracking. The first main objective of this thesis is to contribute to the synthesis of a space-indexed nonlinear guidance control law for transportation aircraft presenting enhanced tracking performances and to explore the performances and feasibility of a flight guidance control law which is developed based on a space-indexed reference to track a 3D+T reference trajectory using nonlinear dynamic inversion control. The proposed guidance control law present reduced tracking errors and able to meet more easily overfly time constraints. Before presenting the main approaches for the design of the 3D+T guidance control laws; the modern flight guidance and flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly wind components are first introduced. Then, a description of the current and modern air traffic organization including the organization of air traffic in high density flow will be shown and this will lead to a description of the Airstreams concept. This proposed concept is to organize main traffic flows in congested airspace along airstreams which are characterized by a three dimensional (3D) common reference track (ASRT). Finally, a scenario to perform basic maneuvers inside the airstream following a 3D+T trajectory using a common space-indexed will be developed and will be used to illustrate the traffic management along an airstream.