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Realization and Evaluation of an Aircraft Onboard Retrofit Trajectory Management System

Westphal, Jendrick:
Realization and Evaluation of an Aircraft Onboard Retrofit Trajectory Management System.
Luftfahrt . Darmstadt .
[Book], (2015)

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Item Type: Book
Title: Realization and Evaluation of an Aircraft Onboard Retrofit Trajectory Management System
Language: English
Abstract:

Air traffic will grow significantly in the future, as a consequence of increasing globalization. To cope with additional traffic, both in the air and on the ground, stakeholders look to new Air Traffic Management procedures unburden the system, and Trajectory-Based Operations are the key to accomplishing this goal. By sharing a detailed trajectory between all Air Traffic Management participants, Trajectory-Based Operations promise more precise planning to accommodate demand and optimize all aspects of air traffic flow. However, transitioning from current operations to Trajectory-Based Operations is most challenging when considering the transition phase of this implementation. Trajectory-Based Operations require new technologies, and the perceived investment required for those technologies may, at first, appear to be a hurdle - perhaps an impediment to doing so. This implementation can either be mandated through regulation or by budgeting for and limiting investment costs. The higher the equipage rate with Trajectory Management Systems, the higher will be the benefits realized through the use of Trajectory-Based Operations. This thesis provides a proof-of-concept for an onboard retrofit Trajectory Management System that enables a cost-efficient implementation resulting potentially in a high equipage rate. For this research, the Trajectory Management System is designed as decision support system for the pilot who is the chief decision maker onboard the aircraft. To support this proof-of-concept, this research involved a close analysis of the expected changes to the Air Traffic Management system with regard to Trajectory-Based Operations. Cognitive ergonomics were reviewed, determining the best integration of Trajectory-Based Operations into an Electronic Flight Bag charting application to support trajectory negotiation, monitoring, and guidance. The negotiation functionality would permit the exchange of trajectories between all on-ground and aboard-flight stakeholders. Trajectory monitoring would transform the temporal constraint of a waypoint into a longitudinal area along the planned route. Four guidance principles are considered that represent differing integrations of the temporal guidance into the aircraft control loops. Evaluations using flight simulator at TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT, onboard the 2012 BOEING ecoDemonstrator, and the DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT Advanced Technology Research Aircraft, demonstrated the general feasibility of the Trajectory Management System under real world conditions. In the simulator trials, the focus was on the usability of the system. The briefing and monitoring of a trajectory using the charting application was compared to integration into the aircraft Flight Management System. The ecoDemonstrator trials, focusing on an arrival integration of the trajectory, showed that the system is prone to communication failure, which led to an increased initial time deviation from the planned trajectory. In the German flight trials, the applicability of the Trajectory Management System was evaluated. Although the evaluated Trajectory Guidance functions have met the required accuracy, an integration is not recommended because of increased pilot workload. Instead the evaluating pilots found subjective benefits of a Trajectory Management System for the graphical Trajectory Negotiation and Monitoring, possibly with a bidirectional Flight Management System integration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Luftverkehr wird als Folge der zunehmenden Globalisierung in den nächsten Jahren signifikant wachsen. Zur Bewältigung dieses zusätzlichen Verkehrsaufkommens suchen die beteiligten Entscheidungsträger nach neuen Verfahren für das Luftverkehrsmanagement. Trajektorien basierte Operationen stellen dabei ein solches neuartiges Verfahren dar. Durch das Teilen einer detaillierten Trajektorie zwischen den involvierten Entscheidungsträgern des Luftverkehrsmanagement-Prozesses, wird es möglich den Luftverkehrsfluss mittels einer präziseren Planung zu optimieren. Eine Herausforderung ist dabei der Übergang von heutigen Verfahren hin zu Trajektorien basierten Operationen. Des Weiteren stellen die Ausrüstungskosten für Technologien zur Unterstützung der neuen Verfahren, eine Hürde dar. Hierbei kann eine Ausrüstung entweder durch Regulierung verpflichtend vorgeschrieben werden, oder die Kosten amortisieren sich auf Grund gewonnener Effizienzsteigerungen über einen gewissen Nutzungszeitraum. Dabei gilt: je höher die Ausrüstungsrate von Flugzeugen mit Trajektorien-Management-Systemen ist, umso höher werden die Vorteile durch die Verwendung von Trajektorien basierten Operationen ausfallen. Diese Dissertation ist eine Machbarkeitsstudie für ein flugzeugseitig nachrüstbares Trajektorien-Management-System. Das System zielt auf eine kosteneffiziente Einrüstung in Flugzeuge, um einen möglichst hohen Ausrüstungsgrad zu erreichen. Dabei ist das Trajektorien-Management-System als Entscheidungsunterstützungssystem für den Piloten ausgelegt, welcher weiterhin der Entscheidungsträger an Bord des Flugzeuges ist. Es werden zunächst die zu erwartenden Änderungen des Luftverkehrsmanagement-Systems und flugzeugseitiger Technologien in Bezug auf die Einführung von Trajektorien basierten Operationen analysiert. Zur Gestaltung der Mensch-Maschine Schnittstelle für den Piloten werden Grundlagen der Ingenieurpsychologie betrachtet. Das Trajektorien- Management-System soll dabei die Funktionen der Trajektorien Verhandlung, Überwachung und Führung ermöglichen. Die Trajektorien Verhandlungsfunktion ermöglicht den Austausch von Trajektorieninformationen zwischen den beteiligten Entscheidungsträgern am Boden und in der Luft. Um Piloten die Trajektorien Überwachung eines zeitlich beschränkten Wegpunktes zu erleichtern, wurde dieser in eine longitudinale Ausdehnung entlang der Route transformiert. Für die Betrachtung der zeitlichen Trajektorien Führung in die bestehenden Kaskaden der Flugzeugregelung wurden vier Integrationen realisiert. Evaluierungen des realisierten Trajektorien-Management-Systems fanden in dem Forschungssimulator der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DARMSTADT, an Bord des 2012 BOEING ECODEMONSTRATOR, sowie an Bord des ADVANCED TECHNOLOGY RESEARCH AIRCRAFT vom DEUTSCHEN ZENTRUM FÜR LUFT UND RAUMFAHRT statt. In den Simulatorversuchen wurde der Fokus auf eine Analyse der Gebrauchstauglichkeit des Systems gelegt. Das Briefing und die Trajektorien Überwachung mit Hilfe des realisierten Trajektorien-Management-Systems wurden mit einer Integration in das bestehende Flugzeugmanagementsystem verglichen. Die BOEING ECODEMONSTRATOR Versuche zielten auf eine Evaluierung der Trajektorien Führungsfunktion im Anflug. Auf Grund eines Kommunikationsfehlers konnte die Trajektorie nicht zwischen den am Boden und in der Luft beteiligten Entscheidungsträgern verhandelt werden. Dies zeigt wie anfällig die umgesetzten Verfahren gegenüber Kommunikationsfehlern sind. An Bord des ADVANCED TECHNOLOGY RESEARCH AIRCRAFT wurde die Anwendbarkeit des realisierten Trajektorien-Management-Systems vom Flugsteig des Abflughafen zum Ankunftsflugsteig evaluiert. Obwohl die realisierten Trajektorien Führungssysteme die geforderten Genauigkeiten erfüllen konnten, wird eine Umsetzung auf Grund der erhöhten Arbeitsbelastung der Piloten nicht empfohlen. Hingegen stellt für die Probanden die Einbindung des Trajektorien-Management-Systems als grafische Aufbereitung der Trajektorien Verhandlung und Überwachung, potentiell mit einer bidirektionalen Anbindung an das das Flugzeugmanagementsystem, einen subjektiven Mehrwert dar.German
Series Name: Luftfahrt
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: 4D Trajektorien, Trajektorien basierte Operationen, Electronic Flight Bag, Flugoperationen, SESAR, NextGen, Flugversuch, Luftfahrt, System, Advanced Technology Research Aircraft, ATRA, ecoDemonstrator, Boeing, Jeppesen, FSR, Trajektorien-management-system, HETEREX, Heterogener komplexer Luftverkehr, Luftverkehrsmanagement, ATM, CDA-MP, kontinuierlicher Sinkanflug
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
4D Trajectories, Trajectory based Operations, Electronic Flight Bag, Flight Operations, SESAR NextGen, Flight Trials, Aviation, System, Advanced Technology Research Aircraft, ATRA, ecoDemonstrator, Boeing, Jeppesen, FSR, Trajectory Management System, HETEREX, Air Traffic Management, ATM, collaborative decision making, decision support system, CDA-MP, Continuous Descent Approach, CDA, Continuous Descent Approach for Maximum Predictability, Required Time of Arrival, RTA, RBT, Reference Business Trajectory, I-4D, Initial 4DEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
Date Deposited: 27 Jan 2016 15:15
Last Modified: 27 Jan 2016 15:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44593
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Kügler, Prof. Dr. Dirk
Refereed: 11 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4459
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