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Evaluierung von Methoden zum Erstellen und Aktualisieren von sicherheitskritischen Flughafendatenbanken nach RTCA Do-272a

Friedrich, Axel :
Evaluierung von Methoden zum Erstellen und Aktualisieren von sicherheitskritischen Flughafendatenbanken nach RTCA Do-272a.
Flugsysteme und Regelungstechnik
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluierung von Methoden zum Erstellen und Aktualisieren von sicherheitskritischen Flughafendatenbanken nach RTCA Do-272a
Language: German
Abstract:

Die Bedeutung der Nutzung von Daten zur Flugführung nahm im Laufe der Evolution von Flugnavigations- und Flugsicherungsverfahren stetig zu. Kommerziell operierende Flugzeuge werden heute weitgehend durch Flightmanagementcomputer gesteuert, welche auf gespeicherte Daten von Wegpunkten und Luftfahrtstrassen zugreifen. Der Luftfahrtstandard RTCA Do-200a beschreibt einen Lebenszyklus von Daten zur Flugführung durch eine Datenkette mit den Gliedern Datenerstellung, Datenaufbereitung, Anwendungsintegration und Anwendung. Hierbei nimmt die Datenerstellung eine Sonderrolle innerhalb der Luftfahrtdatenkette ein, da sie die Genauigkeit und Vollständigkeit von Daten steuert. Runway-Incursion-Vorfälle sowie Rollzeiten auf den Flughäfen haben in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Verschiedene Systeme, die boden- oder cockpitseitig genutzt werden (z.B. A380 OANS - Onboard Airport Navigation System), sollen durch erhöhtes Situationsbewusstsein der Piloten und Lotsen einen effizienteren und sichereren Rollvorgang gewährleisten. Zur Nutzung dieser Systeme werden detaillierte, hochgenaue räumliche Daten des Flughafenlayouts sowie Informationen bezüglich lokalen operationellen Besonderheiten benötigt. Inhalt, Struktur und Datenqualität dieser so genannten Flughafendatenbanken wurden in Rahmen des Luftfahrtstandard RTCA Do-272a veröffentlicht. Da Untersuchungen am Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik der TU-Darmstadt zeigten, dass die von nationalen zivilen Luftfahrtbehörden gegenwärtig veröffentlichten Flughafenkarten und Flugplatzrollkarten die im Rahmen von RTCA Do-272a definierten Anforderungen von Flughafendatenbanken nicht erfüllen, müssen alternative Quellen zum Erzeugen von Flughafendatenbanken ermittelt werden. Bedingt durch die hohe Dynamik des Flughafenumfeldes veraltet Information sehr schnell. Daher muss bei der Definition eines Lebenszyklus für Flughafendatenbanken zusätzlich zur Datenerstellung auch Verfahren zur Aktualisierung berücksichtigt werden, um die benötigte Datenqualität garantieren zu können. Ziel der Dissertation ist die Definition eines Luftfahrtdaten-Lebenszyklus für Flughafendatenbanken zur Nutzung in sicherheitskritischen Flugführungsanwendungen nach den Vorgaben von RTCA Do-272a und RTCA Do-200a unter besonderer Berücksichtigung der Sonderrolle der Datenerstellung. Im Rahmen der Arbeit wird zunächst die Notwendigkeit von Flughafendatenbanken zur effizienteren und sichereren Rollführung ausgearbeitet. Zum Ermitteln und Evaluieren von Datenanforderungen für Flughafendatenbanken werden zunächst Definitionen der Datenqualitätsanforderungen überprüft und einheitliche Definitionen erarbeitet. Im Kernteil der Arbeit wird die Ausprägung der im Rahmen von RTCA Do-272a definierten Datenanforderungen für Flughafendatenbanken hergeleitet und verschiedene Verfahren zum Erstellen und Aktualisieren von Flughafendatenbanken in Hinsicht auf die definierten Datenanforderungen evaluiert. Hierbei werden verschiedene Verfahren zur Datenneuerstellung mittels Methoden der Fernerkundung (chemo-optisch, elektro-optisch, Synthetic Aperture Radar, Laserscanning) und Methoden der bodengestützten Vermessung (GPS und Tachymetrie) als auch die Nutzung bereits existierender Daten der Luftfahrtbehörden (Aeronautical Information Publication) und der Flughafenbetreiber bezüglich ihrer Verfügbarkeit, der Vollständigkeit und der Positionsgenauigkeit untersucht und auf ihre Nutzbarkeit zur Erzeugung und Aktualisierung von Flughafendatenbanken gemäß des Standards RTCA Do-272a als auch unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte bewertet. Um global gültige Aussagen treffen zu können, wurde die Bewertung der einzelnen Verfahren und Daten exemplarisch für die Flughäfen Frankfurt, Hamburg, Toulouse, Paris, Reno (Nevada), Addis Abbeba sowie Juneau (Alaska) durchgeführt. Zusätzlich wurden die in einer Umfrage zur Verfügbarkeit und Datenqualität von räumlichen Daten für 100 Flughäfen weltweit erhoben Information analysiert. Das Ergebniss zeigt, dass lediglich flugzeuggestützte chemo- und elektro-optische Sensorsysteme und ein einziger höchstauflösender satellitengestützter elektro-optischer Sensor sowie bodengestützte Vermessungsmethoden gegenwärtig sowohl die Anforderung an Vollständigkeit als auch an Positionsgenauigkeit erfüllen. Zur Aktualisierung der Flughafendatenbanken existiert zum heutigen Zeitpunkt kein Verfahren, welches die Anforderungen nach RTCA Do-272a zum Sicherstellen der Aktualität erfüllt. Hierbei werden insbesondere die Anforderung an rechtzeitige Verfügbarkeit, inhaltliche Vollständigkeit und Positionsgenauigkeit der Änderungsinformation nicht erreicht bzw. konnte im Fall von Information des Flughafenbetreibers mangels verfügbarer Information nicht evaluiert werden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Evaluierung wurde abschliessend ein exemplarischer Lebenszyklus für Flughafendatenbanken basierend auf den Luftfahrtstandards RTCA Do-200a und Do-272a erarbeitet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The use of digital data for flight guidance has increased steadily in the evolution of air navigation and air traffic control procedures. To a large extend, commercially operated aircrafts are piloted by Flight Management Computers that access an onboard stored digital representation of waypoints and airways. According to the aeronautical standard of RTCA Do-200a the lifecycle of digital data for flight guidance is represented by an aeronautical data chain. It consists of four individual links: data generation, data preparation, application integration and application usage. The data generation takes a significant role within the aeronautical data chain since it controls accuracy and completeness of data. Runway-Incursion incidents as well as taxiing times at aerodromes have increased considerably within the last few years. In order to address the issue, multiple systems which are used both on the ground and in the cockpit (e.g. A380 OANS - onboard aerodrome navigation system) have been developed to ensure a more efficient and safer taxiing process by increasing situational awareness of pilots and controllers. To use these detailed systems, highly accurate spatial data of the aerodrome layout as well as operational significant non-spatial information is required. The aeronautical standard RTCA Do-272a defines content, structure and data quality of the so-called aerodrome mapping databases. Investigations at the institute of Flight Mechanics and Control at TU-Darmstadt stressed that aerodrome charts and aerodrome taxiing charts published by civil aviation authorities currently do not fulfill the content and data quality requirements for aerodrome mapping databases as stated within RTCA Do-272a. Thus, alternative data sources for the generation of aerodrome mapping databases had to be investigated. Due to the high dynamics of the aerodrome environment, information becomes out dated quickly. Consequently, in the scope of the definition of a life cycle for aerodrome databases both data generation as well as data update has to be considered in order to guarantee the required data quality. The goal of this thesis is the definition of an aeronautical data life cycle for aerodrome mapping databases to be used within safety critical flight guidance applications, based on the requirements of RTCA Do-272a and RTCA Do-200a and taking under consideration the special role of the data generation. Initially it demonstrates why aerodrome mapping databases are required to increase the efficiency and safety of the taxiing operation. In order to investigate and evaluate data requirements for aerodrome mapping databases, the required data quality has been determined and uniform definitions worked out. Within the main body of the work the numerical instances of data quality requirements are determined based on RTCA Do-272a and depending on data and methods that will be evaluated. Subsequently, it is determined whether different data and methods fulfill the determined data quality: Aerodrome mapping database generation methods by means of remote sensing (chemo-optical, electro-optical, Synthetic Aperture Radar, laser scanning) and ground based surveying methods (GPS and Tachymetry) are evaluated in terms of fulfilling the determined requirements for data completeness, accuracy and usability for updating purposes. In addition, the use of existing data from aerodrome authorities and national aviation authorities (Aeronautical Information Publications) are evaluated as well for the same terms. The availability of different methods and data as well as the required effort has been investigated for future industrial use. In order to meet globally valid statements the assessment of the individual methods and data has been conducted exemplarily for the aerodromes of Frankfurt, Hamburg, Toulouse, Paris, Reno (Nevada), Addis Abbeba as well as Juneau (Alaska). In addition a survey on the availability and data quality of spatial data for 100 aerodromes worldwide has been conducted and findings analyzed. Results show that only aircraft based chemo-optical and electrical optical means of remote sensing, a single satellite based electrical optical sensor system with high spatial resolution and ground based surveying methods currently meet the completeness and accuracy requirements of RTCA Do-272a. Results also show at present neither method nor data exists which may be used for updating purposes of aerodrome mapping databases. Particularly the requirement of punctual availability, completeness and accuracy of changed information has not been met. Existing data from aerodrome authorities could not be evaluated due to lack of available information. Finally, taking into consideration the results of the evaluation, an exemplary life cycle has been established for aerodrome mapping databases based on the aeronautical standards RTCA Do-200a and Do-272a.English
Uncontrolled Keywords: AMDB, Airport Mapping Databases, RTCA Do272a, RTCA Do-200a
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
AMDB, Airport Mapping Databases, RTCA Do272a, RTCA Do-200aEnglish
Flughafendatenbanken, RTCA Do272a, RTCA Do-200aGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Flugsysteme und Regelungstechnik
Date Deposited: 12 Jan 2009 09:39
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12274
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kubbat, Prof. Dr.- Wolfgang and Klingauf, Prof. Dr.- Uwe and Becker, Prof. Dr.- Matthias
Refereed: 25 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1227
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  • Evaluierung von Methoden zum Erstellen und Aktualisieren von sicherheitskritischen Flughafendatenbanken nach RTCA Do-272a. (deposited 12 Jan 2009 09:39) [Currently Displayed]

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