Konzeption und Evaluation eines vierdimensionalen Rollführungssystems für Verkehrsflugzeuge

In der letzten Prognose zum Luftfahrtwachstum der Eurocontrol wird eine Erhöhung der Flugbewegungen bis 2030 zwischen 70% und 120% ermittelt. Dabei stellen die Flughäfen einen klaren Wachstumsdämpfer dar: die europäische Organisation erwartet, dass im Jahr 2030 ca. 11% der Nachfrage wegen zu geringer Kapazitäten an Flughäfen nicht erfüllt werden kann. In diesem Zusammenhang stellt die Optimierung des Bodenverkehrs eine der größten Herausforderungen für zukünftige Air Traffic Management Systeme dar. Die angestrebte Optimierung und Neuordnung des Luftverkehrs auf beiden Seiten des Atlantiks beruht auf dem Einsatz von raum- und zeitfesten, vierdimensionalen Trajektorien. In den internationalen Vorhaben NextGen und SESAR ist die Einführung solcher 4D-Trajektorien vom Abflug-Gate bis zum Ankunfts-Gate geplant (Gate-to-Gate Prozess), um den Flugverkehrsfluss in allen Phasen zu optimieren. Eine zentrale Frage ist hierbei wie man sicherstellt, dass die jeweiligen Akteure diese neue Planung so umsetzen, dass die erhofften Verbesserungen des Verkehrsflusses eintreten. Ziel dieser Arbeit war, ein System zur Übermittlung der notwendigen 4D Information an die Cockpitbesatzung während der Rollphase eines Fluges zu konzipieren und zu validieren. Ausgehend von einer Analyse des Stands der Forschung und Entwicklung wurde ein 4D-Rollführungssystem mittels einer dynamischen Anschaltung der Rollwegbefeuerungselemente der Taxilinie vor dem Flugzeug entlang der Solltrajektorie konzipiert. Dieses System wurde in zwei Ausführungen entworfen: einem informativen Ansatz mit einer reinen Steuerung der Piloten entlang der Trajektorie und einem kooperativen Ansatz bei dem die Piloten in ihren Entscheidungen mithilfe eines Reglers unterstützt werden. Das prototypisch entwickelte System wurde anschließend anhand einer zweistufigen Untersuchung evaluiert und validiert. Die erste Reihe von Untersuchungen diente der Identifikation der notwendigen Parameter für den Regler und wurde in Versuchen mit Copiloten durchgeführt. Die zweite Reihe von Untersuchungen erfolgte nach einem 2x3 zweifaktoriellen Versuchsplan mit Messwiederholungen und wurde in Versuchen mit 16 aktiven Kapitänen – die Zielgruppe für das System – realisiert. Hierbei war der erste Faktor das Vorwissen der Probanden über das System. Das zweite Faktor war die Art der zeitlichen Führung anhand der Rollwegbefeuerungselemente: ohne Führung (Baseline), mit einer reinen Steuerung (informativer Ansatz) oder mit dem anhand der ersten Untersuchungen ermittelten Regler (kooperativer Ansatz). Die vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Trajektorien wurden durchwegs von den Piloten anhand beider Ausführungen des Systems – informativen Ansatz und kooperativen Ansatz – eingehalten. Die Abweichungen zur Sollposition an jedem gegebenen Zeitpunkt entlang der Rolltrajektorien blieben für alle Versuche zwischen +400 und -200 Metern. Durch das konzipierte System, das bewusst die Risiken einer Vollautomatisierung durch den Einbezug des Piloten für die Ausführung der Rollaufgabe vermeidet, wird die Sicherheit des Flugzeugs und des Flughafens während der 4D-Rollphase nicht gefährdet. Hinzu wurden die zwei Sicherheitsfaktoren – Situationsbewusstsein und Beanspruchung – gezielt während der Versuche untersucht. Um die Akzeptanz der Piloten für den möglichen Einsatz eines solchen Systems zu erhöhen, ist eine Untersuchung der Gebrauchstauglichkeit unabdingbar. Das System wurde durchwegs als geeignet für die Aufgabe eingeschätzt und die Benutzbarkeit positiv bewertet. Die erreichte Einhaltung der Trajektorie auch ohne Vorwissen durch den Probanden in den ersten Versuchen zeugt ebenfalls von einer hohen Intuitivität und somit Gebrauchstauglichkeit des Systems

Nutzung eines Fahrermodells und regelungstechnischer Methoden zur Gestaltung einer Mensch-Maschine Schnittstelle für zukünftige Rollführungsprozesse

Um künftigen Kapazitätsengpässen im Luftverkehr entgegenzuwirken ist in den nächsten Jahren weltweit eine radikale Umstellung der boden- und luftseitigen Prozesse notwendig. Dieser Paradigmenwechsel ist unabdingbar mit der Einführung einer vierdimensionalen Steuerung aller Flugzeuge verbunden. Die verwendeten raum- und zeitfesten 4D-Trajektorien müssen von der Cockpitbesatzung umgesetzt werden um den optimalen Verkehrsfluss zu erreichen. Während eine Erweiterung des Autopiloten und des Flight Management Systems um die vierte zeitliche Dimension für die En Route Phase vorgesehen ist, ist eine Beibehaltung des Piloten als Agent im Rollprozess vorzuziehen. Eine Möglichkeit dazu stellt die Verwendung einer automatischen Befeuerung auf dem Rollfeld dar. Der Pilot folgt hierbei einer dem Flugzeug vorauslaufenden grünen Linie, gebildet aus Befeuerungselementen am Boden. In dieser Arbeit wird ein Ansatz dargestellt um die optimale Position der letzten befeuerten Lampe mit Hilfe der Methoden der Regelungstechnik zu berechnen. Hierzu wurde anhand eines verfügbaren Fahrermodells zur Verfolgung eines vorausfahrenden Fahrzeugs ein Regler ausgelegt. Pilotenverhalten und Flugzeugdynamik bilden in diesem Ansatz die Regelstrecke. Der Eingang der Regelstrecke ist der Abstand der letzten befeuerten Lampe zum Flugzeug, der Ausgang ist die Flugzeugposition. Der Regler berechnet aus der Differenz zwischen vorgegebener 4D-Trajektorie und aktueller Flugzeugposition eine optimierte Befeuerung des Rollfeldes. Ein Vergleich mit einer reinen Steuerung der Befeuerung zeigt die Vorteile der vorgestellten Methode. Insbesondere bei gegebener Varianz der Verhaltensmuster der Piloten zeigt die Regelung deutliche Vorteile gegenüber einer Steuerung

Control theoretic concept for intuitive guidance of pilots during taxiing

Several international air traffic management (ATM) research programs are currently investigating new guidance technologies to cope with the increasing traffic both in the air and on the ground. The programs show that it is mandatory to introduce a spatial and temporal guidance of aircraft from gate to gate. While the current research programs recommend the use of autopilots during the en-route phase, an automated guidance system for taxiing exhibits some major disadvantages. The proposed concept of keeping the pilot in the loop during taxiing avoids the need for additional aircraft equipment. Instead, we suggest using the taxiway light elements which are already installed at most hub airports but are not used to their full extend. Currently only spatial guidance, known as "follow-the-greens", is implemented. The proposed concept augments the purely spatial guidance by a temporal component through dynamically triggering the taxiway light elements. The number of lit lights is calculated using methods of automatic control. Therefore a mathematical model of the plane and pilot has been identified in a measurement campaign with airline pilots in a fixed base research flight simulator. Different controller types were implemented and evaluated in a second measurement campaign in corporation with fourteen airline captains