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.