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Architectural Design of a Future Flight Management System Supporting 4D Trajectories

Schulze, Jonas (2019):
Architectural Design of a Future Flight Management System Supporting 4D Trajectories.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Architectural Design of a Future Flight Management System Supporting 4D Trajectories
Language: English
Abstract:

While worldwide air traffic keeps growing, the involved stakeholders, especially aircraft operators, are faced with several challenges. Ecological goals are imposed by governments and society, fierce competition demands increasing efficiency to stay profitable and passengers expect a raise in quality of service. Additionally, the growth of air traffic pushes the capacities of airspace and airports to its limits. Initiatives put into work by nations and unions are developing and implementing operational concepts and supporting technology to overcome these issues. An enabling concept to increase capacity are Trajectory Based Operations, which are only supported to a limited extent by traditional Flight Management Systems.

This thesis contributes a possible system architecture of a Trajectory Execution and Optimization System, that is intended to replace traditional Flight Management Systems. The proposed architecture supports planned future flight operations and, at the same time, allows airlines to increase their overall operational efficiency. This is achieved by redistributing functionality of the traditional Flight Management System onto an Operationally Approved device and a certified system. The certified system, labeled CoreFMS, is responsible for executing trajectories, while trajectory planning and optimization functions reside on the Operationally Approved device. A fileserver onboard the aircraft connects the two entities, where the fileserver additionally is connected to the airline's operations center. Means of establishing safe and secure connections between the two entities were developed in this thesis, as well as an assessment of the system's certifiability. In order to showcase the benefits of the proposed architecture, a demonstrator was developed and implemented into a research flight simulator at TU Darmstadt.

A usability study was conducted to evaluate the applicability of the proposed system architecture. Commercially rated pilots conducted a task comprising of route planning and activation, using both the system demonstrator as well as a traditional Flight Management System in the research flight simulator. The results of the trials point to a confirmation of the usability of the architecture. Compared to the traditional Flight Management System the Trajectory Execution and Optimization System received higher usability ratings. The participants experience of working with the traditional Flight Management System varied.

A trajectory optimization algorithm, intended to be deployed on the Operationally Approved device, was developed and evaluated. While the evaluation proved the feasibility of a trajectory optimization imposed with time constraints, the need for precise constraint determination was shown by a considerable amount of unsuccessful optimizations. Also, high computation times call for a target hardware and computation speed oriented implementation of such algorithms.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Einhergehend mit dem weltweiten Wachstum des Luftverkehrs werden seine Akteure, insbesondere die Betreiber von Flugzeugen, mit Herausforderungen konfrontiert. Zum einen fordern Politik und Gesellschaft die Einhaltung ökologischer Ziele, zum anderen erfordert heftige Konkurrenz eine ständige Steigerung der Effizienz, um profitabel zu bleiben. Zusätzlich erwarten Passagiere eine steigende Servicequalität. Der Wachstum des Luftverkehrs lässt zudem die Kapazitäten des Luftraumes und von Flughäfen an ihre Grenzen stoßen. Verschiedene Nationen und Staatengemeinschaften haben Initiativen gegründet, welche an operationellen Konzepten und unterstützender Technologie arbeiten, um die genannten Herausforderungen zu meistern. Ein Eckpfeiler der Kapazitätserhöhung sind Trajektorien basierte Operationen, welche von heutigen Flugmanagement System nur begrenzt unterstützt werden. Diese Dissertation trägt mit der Entwicklung und Validierung der Architektur eines Trajektorien Durchführungs- und Optimierungssystems dazu bei, heutige Flugmanagementsysteme zu ersetzen. Die vorgeschlagene Architektur unterstützt zukünftige Operationen und erlaubt es Fluggesellschaften zusätzlich ihre betriebliche Effizienz zu erhöhen. Dies wird durch die Neuverteilung der Funktionen traditioneller Flugmanagementsysteme auf ein betriebsgenehmigtes Gerät sowie ein zertifiziertes System erreicht. Während das zertifizierte System für das sichere Abfliegen von Trajektorien verantwortlich ist, werden Planungs- und Optimierungsaufgaben auf dem betriebsgenehmigten Gerät durchgeführt. Ein an Bord befindlicher Datenserver verbindet die beiden Geräte, wobei der Datenserver zusätzlich mit einer Verbindung zur Zentrale der Fluggesellschaft ausgestattet ist. Neben der Bewertung der Zertifizierbarkeit eines solchen Systems wurde für diese Arbeit eine sichere Schnittstelle zum Verbinden der Geräte eingeführt. Ein Systemdemonstrator wurde entwickelt und in den Forschungsflugsimulator der TU Darmstadt integriert. Um die Einsetzbarkeit der vorgeschlagenen Architektur zu bewerten, wurde eine Studie zur Gebrauchstauglichkeit durchgeführt. Berufspiloten haben in der Studie eine Aufgabe zur Trajektorienplanung und Aktivierung jeweils auf dem vorgeschlagenem System und einem heutigen Flugmanagementsystem durchgeführt. Die Ergebnisse der Studie deuten auf den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit der vorgeschlagenen Systemarchitektur hin. Im Vergleich zum Flugmanagementsystem erzielte das Trajektorien Durchführungs- und Optimierungssystem eine bessere Bewertung der Gebrauchstauglichkeit, wobei aber die Erfahrung der Studienteilnehmer auf dem benutzten Flugmanagementsystem variierte. Zusätzlich zur Studie der Gebrauchstauglichkeit wurde ein Algorithmus zur Trajektorienoptimierung entwickelt und evaluiert, welcher auf dem Electronic Flight Bag eingesetzt werden soll, um die Vorteile der vorgeschlagenen Architektur herauszustellen. Die Evaluierung zeigt die generelle Machbarkeit der Optimierung einer mit Zeitvorgaben belegten Trajektorie. Dabei belegt eine beachtliche Anzahl erfolgloser Optimierungen jedoch die Notwendigkeit einer präzisen Berechnung der Zeitvorgaben. Auf Grund hoher Rechenzeiten wird eine auf die Zielhardware und Rechenzeit optimierte Implementierung derartiger Algorithmen empfohlen.German
Place of Publication: Darmstadt
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)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Pilot Assistance Systems
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Safe Systems
Date Deposited: 19 Feb 2019 10:34
Last Modified: 19 Feb 2019 10:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83860
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Hecker, Prof. Dr. Peter
Refereed: 20 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8386
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