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Konzeption und Evaluation eines vierdimensionalen Rollführungssystems für Verkehrsflugzeuge

Urvoy, Carole :
Konzeption und Evaluation eines vierdimensionalen Rollführungssystems für Verkehrsflugzeuge.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konzeption und Evaluation eines vierdimensionalen Rollführungssystems für Verkehrsflugzeuge
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The future of Air Traffic Management (ATM) is directly linked to the introduction of 4D trajectory Management to optimize the use of both air and ground capacity in view of ever growing air traffic. Be it in Europe's ‘Single European Sky ATM Research’ (SESAR) Future Operational Concept with the Reference Business Trajectory or the USA’s air traffic vision proposed in the ‘Next Generation Air Transport System’ (NextGen), the major cornerstone of air traffic research around the globe is the introduction of complete four-dimensional gate to gate regulation of each flight, including the path along the taxiways at the airports during ground operations. In order to ensure the conformance of the actual rolled path to the planned 4D trajectory for ground operations, the introduction of auto-brake and auto-taxi modes in the aircraft is foreseen in both NextGen and SESAR. Such a complete automation of the taxiing task bears serious consequences on the whole surface operations process. This work first analyzes these consequences and then proposes a concept for a human centered 4D surface guidance system, which will alleviate the presented problems and still enable the cockpit crew to maintain the planned 4D traffic flow. This concept is prototypically implemented and integrated in the Flight Simulator of the Institute of Flight Systems and Automatic Control at the University of the Darmstadt. It was then evaluated and validated in two sets of tests with airline pilots.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Rollführung, Rollwegbefeuerung, Flugzeuge
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Follow the Greens, Surface Guidance System, TXC, Taxiway Centerline LightingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
Date Deposited: 13 Mar 2015 10:01
Last Modified: 13 Mar 2015 10:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44427
Referees: Klingauf, Prof. Dr. U. and Bruder, Prof. Dr. R.
Refereed: 22 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4442
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