Optimized Route Capability (ORC) Intelligent Offloading of Congested Arrival Routes

The Optimized Route Capability (ORC) concept is designed to enable intelligent offloading of congested arrival routes. When ORC predicts arrival route congestion as projected excess arrival meter fix delay, automation offers decision support to traffic managers by identifying candidate flights to strategically reroute to alternate meter fixes and alleviate the congestion. This concept was applied to a model of arrival operations into Houston International Airport. An arrival rush from the Northeast was simulated in fast-time to analyze ORC algorithm behavior. The results demonstrate how strategically rerouting a few flights to alternate meter fixes not only has the potential to manage meter fix delay (and possibly the need for traffic management initiatives applied upstream), but may also increase airport capacity utilization and reduce total flight delay

Simulation evaluation of TIMER, a time-based, terminal air traffic, flow-management concept

A description of a time-based, extended terminal area ATC concept called Traffic Intelligence for the Management of Efficient Runway scheduling (TIMER) and the results of a fast-time evaluation are presented. The TIMER concept is intended to bridge the gap between today's ATC system and a future automated time-based ATC system. The TIMER concept integrates en route metering, fuel-efficient cruise and profile descents, terminal time-based sequencing and spacing together with computer-generated controller aids, to improve delivery precision for fuller use of runway capacity. Simulation results identify and show the effects and interactions of such key variables as horizon of control location, delivery time error at both the metering fix and runway threshold, aircraft separation requirements, delay discounting, wind, aircraft heading and speed errors, and knowledge of final approach speed

Design of automated system for management of arrival traffic

The design of an automated air traffic control system based on a hierarchy of advisory tools for controllers is described. Compatibility of the tools with the human controller, a key objective of the design, is achieved by a judicious selection of tasks to be automated and careful attention to the design of the controller system interface. The design comprises three interconnected subsystems referred to as the Traffic Management Advisor, the Descent Advisor, and the Final Approach Spacing Tool. Each of these subsystems provides a collection of tools for specific controller positions and tasks. The design of two of these tools, the Descent Advisor, which provides automation tools for managing descent traffic, and the Traffic Management Advisor, which generates optimum landing schedules is focused on. The algorithms, automation modes, and graphical interfaces incorporated in the design are described

Modern digital flight control system design for VTOL aircraft

Methods for and results from the design and evaluation of a digital flight control system (DFCS) for a CH-47B helicopter are presented. The DFCS employed proportional-integral control logic to provide rapid, precise response to automatic or manual guidance commands while following conventional or spiral-descent approach paths. It contained altitude- and velocity-command modes, and it adapted to varying flight conditions through gain scheduling. Extensive use was made of linear systems analysis techniques. The DFCS was designed, using linear-optimal estimation and control theory, and the effects of gain scheduling are assessed by examination of closed-loop eigenvalues and time responses

Design of a final approach spacing tool for TRACON air traffic control

This paper describes an automation tool that assists air traffic controllers in the Terminal Radar Approach Control (TRACON) Facilities in providing safe and efficient sequencing and spacing of arrival traffic. The automation tool, referred to as the Final Approach Spacing Tool (FAST), allows the controller to interactively choose various levels of automation and advisory information ranging from predicted time errors to speed and heading advisories for controlling time error. FAST also uses a timeline to display current scheduling and sequencing information for all aircraft in the TRACON airspace. FAST combines accurate predictive algorithms and state-of-the-art mouse and graphical interface technology to present advisory information to the controller. Furthermore, FAST exchanges various types of traffic information and communicates with automation tools being developed for the Air Route Traffic Control Center. Thus it is part of an integrated traffic management system for arrival traffic at major terminal areas

Efficiency Benefits Using the Terminal Area Precision Scheduling and Spacing System

NASA has developed a capability for terminal area precision scheduling and spacing (TAPSS) to increase the use of fuel-efficient arrival procedures during periods of traffic congestion at a high-density airport. Sustained use of fuel-efficient procedures throughout the entire arrival phase of flight reduces overall fuel burn, greenhouse gas emissions and noise pollution. The TAPSS system is a 4D trajectory-based strategic planning and control tool that computes schedules and sequences for arrivals to facilitate optimal profile descents. This paper focuses on quantifying the efficiency benefits associated with using the TAPSS system, measured by reduction of level segments during aircraft descent and flight distance and time savings. The TAPSS system was tested in a series of human-in-the-loop simulations and compared to current procedures. Compared to the current use of the TMA system, simulation results indicate a reduction of total level segment distance by 50% and flight distance and time savings by 7% in the arrival portion of flight (~200 nm from the airport). The TAPSS system resulted in aircraft maintaining continuous descent operations longer and with more precision, both achieved under heavy traffic demand levels

Initial Investigation of Operational Concept Elements for NASA's NextGen-Airportal Project Research

The NextGen-Airportal Project is organized into three research focus areas: Safe and Efficient Surface Operations, Coordinated Arrival/Departure Operations Management, and Airportal Transition and Integration Management. The content in this document was derived from an examination of constraints and problems at airports for accommodating future increases in air traffic, and from an examination of capabilities envisioned for NextGen. The concepts are organized around categories of constraints and problems and therefore do not precisely match, but generally reflect, the research focus areas. The concepts provide a framework for defining and coordinating research activities that are, and will be, conducted by the NextGen-Airportal Project. The concepts will help the research activities function as an integrated set focused on future needs for airport operations and will aid aligning the research activities with NextGen key capabilities. The concepts are presented as concept elements with more detailed sub-elements under each concept element. For each concept element, the following topics are discussed: constraints and problems being addressed, benefit descriptions, required technology and infrastructure, and an initial list of potential research topics. Concept content will be updated and more detail added as the research progresses. The concepts are focused on enhancing airportal capacity and efficiency in a timeframe 20 to 25 years in the future, which is similar to NextGen's timeframe

Traffic synchronization with controlled time of arrival for cost-efficient trajectories in high-density terminal airspace

The growth in air traffic has led to a continuously growing environmental sensitivity in aviation, encouraging the research into methods for achieving a greener air transportation. In this context, continuous descent operations (CDOs) allow aircraft to follow an optimum flight path that delivers major environmental and economic benefits, giving as a result engine-idle descents from the cruise altitude to right before landing that reduce fuel consumption, pollutant emissions and noise nuisance. However, this type of operations suffers from a well-known drawback: the loss of predictability from the air traffic control (ATC) point of view in terms of overfly times at the different waypoints of the route. In consequence, ATC requires large separation buffers, thus reducing the capacity of the airport. Previous works investigating this issue showed that the ability to meet a controlled time of arrival (CTA) at a metering fix could enable CDOs while simultaneously maintaining airport throughput. In this context, more research is needed focusing on how modern arrival managers (AMANs)—and extended arrival managers (E-AMANs)—could provide support to select the appropriate CTA. ATC would be in charge to provide the CTA to the pilot, who would then use four-dimensional (4D) flight management system (FMS) trajectory management capabilities to satisfy it. A key transformation to achieve a more efficient aircraft scheduling is the use of new air traffic management (ATM) paradigms, such as the trajectory based operations (TBO) concept. This concept aims at completely removing open-loop vectoring and strategic constraints on the trajectories by efficiently implementing a 4D trajectory negotiation process to synchronize airborne and ground equipment with the aim of maximizing both flight efficiency and throughput. The main objective of this PhD thesis is to develop methods to efficiently schedule arrival aircraft in terminal airspace, together with concepts of operations compliant with the TBO concept. The simulated arrival trajectories generated for all the experiments conducted in this PhD thesis, to the maximum possible extent, are considered to be energy-neutral CDOs, seeking to reduce the overall environmental impact of aircraft operations in the ATM system. Ultimately, the objective of this PhD is to achieve a more efficient arrival management of traffic, in which higher levels of predictability and similar levels of capacity are achieved, while the safety of the operations is kept. The designed experiments consider a TBO environment, involving a high synchronization between all the involved actors of the ATM system. Higher levels of automation and information sharing are expected, together with a modernization of both current ATC ground-support tools and aircraft FMSs to comply with the new TBO paradigm.L’increment de tràfic aeri ha portat a una major sensibilitat mediambiental en l’aviació, motivant la recerca en mètodes per aconseguir un transport aeri més ecològic. En aquest context, les operacions de descens continu (CDOs) permeten a les aeronaus seguir una trajectòria que aporta grans beneficis econòmics i ambientals, donant com a resultat descensos amb els motors al ralentí des de l’altitud de creuer fins just abans d’aterrar. Aquestes trajectòries redueixen el consum de combustible, les emissions contaminants i el soroll generat per les aeronaus. No obstant això, aquest tipus d’operacions té un gran desavantatge: la pèrdua de predictibilitat des del punt de vista del controlador aeri (ATC) en termes de temps de pas als diferents punts de la ruta. Com a conseqüència, l’ATC necessita assignar una major separació entre les aeronaus, la qual cosa comporta una reducció en la capacitat de l’aeroport. Estudis previs investigant aquest problema han demostrat que la capacitat de complir amb un temps controlat d’arribada (CTA) a un punt de la ruta (utilitzat per seqüenciar les aeronaus) podria habilitar les CDOs tot mantenint la capacitat de l’aeroport. En aquest context, es necessita investigar més en com els gestors d’arribades (AMANs) i els gestors d’arribades ampliats (E-AMANs) podrien donar suport en la selecció de la CTA més adequada. L’ATC seria l’encarregat d’enviar la CTA al pilot, el qual, per tal de complir amb la CTA, faria servir la capacitat de gestió de trajectòries d’un sistema de gestió de vol (FMS) de quatre dimensions (4D). Una transformació clau per aconseguir una gestió més eficient del tràfic d’arribada és l’ús de nous paradigmes de gestió del tràfic aeri (ATM), com per exemple el concepte d’operacions basades en trajectòries (TBO). Aquest concepte té com a objectiu eliminar completament de les trajectòries la vectorització en “bucle obert” i les restriccions estratègiques. Per aconseguir-ho, es proposa implementar de manera eficient una negociació de la trajectòria 4D, amb l’objectiu de sincronitzar l’equipament de terra amb el de l’aeronau, maximitzant d’aquesta manera l’eficiència dels vols i la capacitat del sistema. El principal objectiu d’aquest doctorat és desenvolupar mètodes per gestionar aeronaus de manera eficient en espai aeri terminal, juntament amb conceptes d’operacions que compleixin amb el concepte de TBO. Les trajectòries d’arribada simulades per tots els experiments definits en aquesta tesi doctoral, en la mesura que s’ha pogut, són CDOs d’energia neutral. D’aquesta manera, la idea és reduir el màxim possible l’impacte mediambiental de les operacions aèries al sistema ATM. En definitiva, l’objectiu d’aquest doctorat és aconseguir una gestió del tràfic d’arribada més eficient, obtenint una major predictibilitat i capacitat, i assegurant que la seguretat de les operacions es manté. Els experiments dissenyats consideren una situació on el concepte de TBO és present, el que comporta una sincronització elevada entre tots els actors implicats en el sistema ATM. Així mateix, s’esperen nivells majors d’automatització i de compartició d’informació, juntament amb una modernització de les eines de suport en terra a l’ATC i dels FMSs de les aeronaus, tot amb l’objectiu de complir amb el nou paradigma de TBO.El incremento de tráfico aéreo ha llevado a una mayor sensibilidad medioambiental en la aviación, motivando la investigación de métodos para conseguir un transporte aéreo más ecológico. En este contexto, las operaciones de descenso continuo (CDOs) permiten a las aeronaves seguir una trayectoria que aporta grandes beneficios económicos y ambientales, dando como resultado descensos con los motores al ralentí desde la altitud de crucero hasta justo antes de aterrizar. Estas trayectorias reducen el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y el ruido generado por las aeronaves. No obstante, este tipo de operaciones tiene una gran desventaja: la pérdida de predictibilidad desde el punto de vista del controlador aéreo (ATC) en términos de tiempos de paso en los diferentes puntos de la ruta. Como consecuencia, el ATC necesita asignar una mayor separación entre las aeronaves, lo cual comporta una reducción en la capacidad del aeropuerto. Estudios previos investigando este problema han demostrado que la capacidad de cumplir con un tiempo controlado de llegada (CTA) en un punto de la ruta (utilizado para secuenciar las aeronaves) podría habilitar las CDOs manteniendo al mismo tiempo la capacidad del aeropuerto. En este contexto, es necesario investigar más en cómo los gestores de llegadas (AMANs)—y los gestores de llegadas extendidos (E-AMANs)—podrían dar soporte en la selección de la CTA más adecuada. El ATC sería el encargado de enviar la CTA al piloto, el cual, para cumplir con la CTA, usaría la capacidad de gestión de trayectorias de un sistema de gestión de vuelo (FMS) de cuatro dimensiones (4D). Una transformación clave para conseguir una gestión más eficiente del tráfico de llegada es el uso de nuevos paradigmas de gestión del tráfico aéreo (ATM), como por ejemplo el concepto de operaciones basadas en trayectorias (TBO). Este concepto tiene como objetivo eliminar completamente de las trayectorias la vectorización en “bucle abierto” y las restricciones estratégicas. Para conseguirlo, se propone implementar de manera eficiente una negociación de la trayectoria 4D, con el objetivo de sincronizar el equipamiento de tierra con el de la aeronave, maximizando de esta manera la eficiencia de los vuelos y la capacidad del sistema. El principal objetivo de este doctorado es desarrollar métodos para gestionar aeronaves de manera eficiente en espacio aéreo terminal, junto con conceptos de operaciones que cumplan con el concepto de TBO. Las trayectorias de llegada simuladas para todos los experimentos definidos en esta tesis doctoral, en la medida de lo posible, son CDOs de energía neutra. De esta manera, la idea es reducir lo máximo posible el impacto medioambiental de las operaciones aéreas en el sistema ATM. En definitiva, el objetivo de este doctorado es conseguir una gestión del tráfico de llegada más eficiente, obteniendo una mayor predictibilidad y capacidad, y asegurando que la seguridad de las operaciones se mantiene. Los experimentos diseñados consideran una situación xxi donde el concepto de TBO está presente, lo que comporta una sincronización elevada entre todos los actores implicados en el sistema ATM. Asimismo, se esperan mayores niveles de automatización y de compartición de información, junto con una modernización de las herramientas de soporte en tierra al ATC y de los FMSs de las aeronaves, todo con el objetivo de cumplir con el nuevo paradigma de TBO. Primero de todo, se define un marco para la optimización de trayectorias utilizado para generar las trayectorias simuladas para los experimentos definidos en esta tesis doctoral. A continuación, se evalúan los beneficios de volar CDOs de energía neutra comparándolas con trayectorias reales obtenidas de datos de vuelo históricos. Se comparan dos fuentes de datos, concluyendo cuál es la más adecuada para estudios de eficiencia en espacio aéreo terminal. Las CDOs de energía neutra son el tipo preferido de trayectorias desde un punto de vista medioambiental pero, dependiendo de la cantidad de tráfico, podría ser imposible para el ATC asignar una CTA que pueda ser cumplida por las aeronaves mientras vuelan la ruta de llegada publicada. En esta tesis doctoral, se comparan dos estrategias con el objetivo de cumplir con la CTA asignada: volar CDOs de energía neutra por rutas más largas/cortas o volar descensos con el motor accionado por la ruta publicada. Para ambas estrategias, se analiza la sensibilidad del consumo de combustible a diferentes parámetros, como la altitud inicial de crucero o la velocidad del viento. Finalmente, en esta tesis doctoral se analizan dos estrategias para gestionar de manera eficiente el tráfico de llegada en espacio aéreo terminal. Primero, se utiliza una estrategia provisional a medio camino entre la negociación completa de trayectorias 4D y la vectorización en “bucle abierto”: se propone una metodología para gestionar de manera eficaz tráfico de llegada donde las aeronaves vuelan CDOs de energía neutra en un procedimiento de navegación de área (RNAV) conocido como trombón. A continuación, se propone una nueva metodología para generar rutas de llegada dinámicas que se adaptan automáticamente a la demanda actual de tráfico. De igual manera, se aplican CDOs de energía neutra a todo el tráfico de llegada. Hay diferentes factores a considerar que podrían limitar los beneficios de las soluciones propuestas. La cantidad y distribución del tráfico de llegada tiene un gran efecto sobre los resultados obtenidos, limitando en algunos casos una gestión eficiente de las aeronaves de llegada. Además, algunas de las soluciones propuestas comportan elevadas cargas computacionales que podrían limitar su aplicación operacional, motivando mayor investigación en el futuro con el fin de optimizar los modelos y metodologías utilizados. Finalmente, permitir a algunos aviones volar descensos con el motor accionado podría facilitar la gestión de las aeronaves de llegada en los experimentos que se centran en el procedimiento de trombón y en la generación de rutas de llegada dinámicas.Postprint (published version

Optimisation du trafic aérien à l'arrivée dans la zone terminale et dans l'espace aérien étendu

Selon les prévisions à long terme du trafic aérien de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI) en 2018, le trafic mondial de passagers devrait augmenter de 4,2% par an de 2018 à 2038. Bien que l'épidémie de COVID-19 ait eu un impact énorme sur le transport aérien, il se rétablit progressivement. Dès lors, l'efficacité et la sécurité resteront les principales problématiques du trafic aérien, notamment au niveau de la piste qui est le principal goulot d'étranglement du système. Dans le domaine de la gestion du trafic aérien, la zone de manœuvre terminale (TMA) est l'une des zones les plus complexes à gérer. En conséquence, le développement d'outils d'aide à la décision pour gérer l'arrivée des avions est primordial. Dans cette thèse, nous proposons deux approaches d'optimisation qui visent à fournir des solutions de contrôle pour la gestion des arrivées dans la TMA et dans un horizon étendu intégrant la phase en route. Premièrement, nous abordons le problème d'ordonnancement des avions sous incertitude dans la TMA. La quantification et la propagation de l'incertitude le long des routes sont réalisées grâce à un modèle de trajectoire qui représente les informations temporelles sous forme de variables aléatoires. La détection et la résolution des conflits sont effectuées à des points de cheminement d'un réseau prédéfini sur la base des informations temporelles prédites à partir de ce modèle. En minimisant l'espérance du nombre de conflits, les vols peuvent être bien séparés. Outre le modèle proposé, deux autres modèles de la litérrature - un modèle déterministe et un modèle intégrant des marges de séparation - sont présentés comme références. Un recuit simulé (SA) combiné à une fenêtre glissante temporelle est proposé pour résoudre une étude de cas de l'aéroport de Paris Charles de Gaulle (CDG). De plus, un cadre de simulation basé sur l'approche Monte-Carlo est implémenté pour perturber aléatoirement les horaires optimisés des trois modèles afin d'évaluer leurs performances. Les résultats statistiques montrent que le modèle proposé présente des avantages absolus dans l'absorption des conflits en cas d'incertitude. Dans une deuxième partie, nous abordons un problème dynamique basé sur le concept de Gestion des Arrivées Étendue (E-AMAN). L'horizon E-AMAN est étendu jusqu'à 500 NM de l'aéroport de destination permettant ainsi une planification anticipée. Le caractère dynamique est traitée par la mise à jour périodique des informations de trajectoires réelles sur la base de l'approche par horizon glissant. Pour chaque horizon temporel, un sous-problème est établi avec pour objectif une somme pondérée de métriques de sécurité du segment en route et de la TMA. Une approche d'attribution dynamique des poids est proposée pour souligner le fait qu'à mesure qu'un aéronef se rapproche de la TMA, le poids de ses métriques associées à la TMA devrait augmenter. Une étude de cas est réalisée à partir des données réelles de l'aéroport de Paris CDG. Les résultats finaux montrent que grâce à cet ajustement anticipé, les heures d'arrivée des avions sont proches des heures prévues tout en assurant la sécurité et en réduisant les attentes. Dans la troisième partie de cette thèse, on propose un algorithme qui accélère le processus d'optimisation. Au lieu d'évaluer les performances de tous les aéronefs, les performances d'un seul aéronef sont concentrées dans la fonction objectif. Grâce à ce changement, le processus d'optimisation bénéficie d'une évaluation d'objectif rapide et d'une vitesse de convergence élevée. Afin de vérifier l'algorithme proposé, les résultats sont analysés en termes de temps d'exécution et de qualité des résultats par rapport à l'algorithme utilisé à l'origine.According to the long term air traffic forecasts done by International Civil Aviation Organization (ICAO) in 2018, global passenger traffic is expected to grow by 4.2% annually from 2018 to 2038 using the traffic data of 2018 as a baseline. Even though the outbreak of COVID-19 has caused a huge impact on the air transportation, it is gradually restoring. Considering the potential demand in future, air traffic efficiency and safety will remain critical issues to be considered. In the airspace system, the runway is the main bottleneck in the aviation chain. Moreover, in the domain of air traffic management, the Terminal Maneuvering Area (TMA) is one of the most complex areas with all arrivals converging to land. This motivates the development of suitable decision support tools for providing proper advisories for arrival management. In this thesis, we propose two optimization approaches that aim to provide suitable control solutions for arrival management in the TMA and in the extended horizon that includes the TMA and the enroute phase. In the first part of this thesis, we address the aircraft scheduling problem under uncertainty in the TMA. Uncertainty quantification and propagation along the routes are realized in a trajectory model that formulates the time information as random variables. Conflict detection and resolution are performed at waypoints of a predefined network based on the predicted time information from the trajectory model. By minimizing the expected number of conflicts, consecutively operated flights can be well separated. Apart from the proposed model, two other models - the deterministic model and the model that incorporates separation buffers - are presented as benchmarks. Simulated annealing (SA) combined with the time decomposition sliding window approach is used for solving a case study of the Paris Charles de Gaulle (CDG) airport. Further, a simulation framework based on the Monte-Carlo approach is implemented to randomly perturb the optimized schedules of the three models so as to evaluate their performances. Statistical results show that the proposed model has absolute advantages in conflict absorption when uncertainty arises. In the second part of this thesis, we address a dynamic/on-line problem based on the concept of Extended Arrival MANagement (E-AMAN). The E-AMAN horizon is extended up to 500NM from the destination airport so as to enhance the cooperation and situational awareness of the upstream sector control and the TMA control. The dynamic feature is addressed by periodically updating the real aircraft trajectory information based on the rolling horizon approach. For each time horizon, a sub-problem is established taking the weighted sum of safety metrics in the enroute segment and in the TMA as objective. A dynamic weights assignment approach is proposed to emphasize the fact that as an aircraft gets closer to the TMA, the weight for its metrics associated with the TMA should increase. A case study is carried out using the real arrival traffic data of the Paris CDG airport. Final results show that through early adjustment, the arrival time of the aircraft can meet the required schedule for entering the TMA, thus ensuring overall safety and reducing holding time. In the third part of this thesis, an algorithm that expedites the optimization process is proposed. Instead of evaluating the performance of all aircraft, single aircraft performance is focused and a corresponding objective function is created. Through this change, the optimization process benefits from fast evaluation of objective and high convergence speed. In order to verify the proposed algorithm, results are analyzed in terms of execution time and quality of result compared to the originally used algorithm