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Ein Beitrag zur dreidimensionalen Darstellung von Nominal-Trajektorien in perspektivischen Flugführungsanzeigen

Sindlinger, Andreas :
Ein Beitrag zur dreidimensionalen Darstellung von Nominal-Trajektorien in perspektivischen Flugführungsanzeigen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ein Beitrag zur dreidimensionalen Darstellung von Nominal-Trajektorien in perspektivischen Flugführungsanzeigen
Language: German
Abstract:

Zur Führung eines Luftfahrzeuges benötigt ein Pilot eine Vielzahl an Informationen. Diese werden heutzutage häufig mit Hilfe von Anzeigesystemen präsentiert. Die dabei traditionell dargestellten Informationen beziehen sich zumeist auf Flug-, Systemzustands- oder Sensordaten und stellen die momentane Gesamtsituation nur stark abstrahiert dar. Neuartige Anzeigeformate visualisieren darüber hinaus Informationen, die an Bord des Flugzeuges in Datenbanken mitgeführt werden, auf eine intuitive Art und Weise. Neben der dreidimensionalen Darstellung von Geländeinformationen oder Flughafendaten kann durch die perspektivische Anzeige der Soll-Trajektorie auch in eingeschränkten realen Sichtbedingungen das geographische Situationsbewusstsein und die Flugführungsaufgabe des Piloten optimal unterstützt werden. Der Nutzen dieser so genannten synthetischen Sichtsysteme zur Unterstützung bei der Steuerung eines Luftfahrzeuges ist in einer Vielzahl von Studien belegt. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass die perspektivische Darstellung der aktuellen Nominal-Trajektorie leicht zu einer Überfrachtung der Anzeige führt. Dies kann die Aufmerksamkeit auf andere wichtige Elemente einschränken und somit zur Reduzierung des Situationsbewusstseins beitragen. Weiterhin dokumentieren unterschiedliche Studien Informationsdefizite bei der Kurvenein- und -ausleitung sowie eine geringere Positions¬genauigkeit und größere Steuereingaben während des Kurvenfluges im Vergleich zum Geradeausflug. Inhalt der Arbeit ist es, ausgehend von einer Analyse der Resultate vorangegangener Forschungsarbeiten und existierender Produkte zur Anzeige von Nominal-Trajektorien in perspektivischen Flugführungsanzeigen, Anwendungsfälle für unterschiedliche Darstellungs¬formate zu identifizieren. Die allgemeinen Parameter zur graphischen Darstellung werden definiert und für ein verbessertes standardmäßiges Anzeigeformat gewählt. Weiterhin wird untersucht, inwieweit sich adaptive Anzeigeformate eignen, Informationen über momentane Positions- oder Bahnwinkelfehler abhängig von deren Größe implizit dynamisch so zu visualisieren, dass einer Überfrachtung der Anzeige entgegengewirkt wird. Die Mängel bei der Kurvenein- und -ausleitung sowie dem Kurvenflug sind Ausgangspunkt weiterer Untersuchungen der Arbeit. Dabei werden Möglichkeiten und Konzepte entwickelt, durch eine verbesserte Darstellung des Kurvenübergangs als integrales Element der Flugpfadanzeige, positive Auswirkungen auf den Kurvenflug zu erreichen. Außerdem werden verschiedene neuartige Darstellungsformate für den Bereich des Kurvenflugs vorgeschlagen, die unter anderem durch die Berücksichtigung der vorhergesagten Fluglage die Qualität der dargestellten Informationen verbessern und somit die bekannten Probleme minimieren sollen. Dabei werden auch Möglichkeiten aufgezeigt, große Sichtwinkel in synthetischen Sichtsystemen zu realisieren, ohne die Darstellungsqualität zu reduzieren. Die Nutzbarkeit der neuartigen Konzepte beim operationellen Einsatz im Cockpit wird in umfangreichen Simulatoruntersuchungen mit Berufspiloten analysiert. Dazu werden die realisierten Komponenten in die Umgebung des fachgebietseigenen Forschungssimulators integriert. In vier verschiedenen Versuchsabschnitten und einem Demonstrationsteil werden die Auswirkungen der umgesetzten Konzepte zur Verbesserung des Kurvenübergangs, des Kurvenflugs und der Darstellung großer Sichtwinkel untersucht. Die Ergebnisse belegen überaus positive Auswirkungen der neuartigen Konzepte gegenüber den traditionellen Darstellungsformaten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
To guide an aircraft a pilot needs a number of different types of information. Nowadays, these are commonly presented by means of displays. Information commonly depicted is typically related to flight, system status or sensor data and presents the current over-all situation only in a strongly abstracted way. Novel display formats additionally visualize information stored in databases on board of the aircraft in an intuitive manner. Next to the three-dimensional depiction of terrain information or airport mapping data, the pilot’s geographical situational awareness as well as the flight guidance task can be optimally supported by the perspective display of the nominal trajectory in limited real visibility conditions. The benefit of these so called synthetic vision systems as assistance for steering an aircraft is proved by a number of studies. Analyses revealed though, that the perspective depiction of the current nominal trajectory easily leads to display cluttering. This could limit the awareness of other important elements and hence contribute to a generally decreased situational awareness. Furthermore, different studies document information deficiencies during the curve lead in and lead out transition, as well as larger steering inputs during turns compared to straight segments. Based on the analyses of the results of previous research work and of existing products for the depiction of nominal trajectories in perspective flight guidance displays, it is subject of this thesis to identify use cases for different depiction formats. The general parameters for the graphical depiction are defined and selected for an advanced display format. Furthermore, it is studied to what extent adaptive display formats can be used to dynamically visualize information dependent on the current position and flight path error in order to anticipate display clutter. The deficiencies during the curve lead in and lead out transition are the topic of additional analyses of this thesis. Therefore, methods and concepts are developed to achieve positive effects on the flight in curves by an enhanced depiction of the transition arcs as integral component of the flight path display. Moreover, different novel display formats for the curvilinear flight are proposed, to improve the quality of the depicted information and to minimize the known deficiencies, for example by taking predictive flight attitude information into account. Additionally, the possibility to realize a large field of view without reducing the visual quality is demonstrated. The usability of these novel concepts in the operational cockpit environment is analysed in extensive simulator evaluations together with professional pilots. The realized software components are therefore integrated into the institute’s research flight simulator. In four different tasks and a demonstration part, the effects of the implemented concepts for the improvement of the curve transition, the curvilinear flight and the depiction of a large field of view are examined. The results document superior performance compared to traditional depiction formats.English
Uncontrolled Keywords: Synthetic Vision System,SVS,Flight Guidance,Flight Path,IFR,Computer graphics,Non-planar Projection,Tunnel in the Sky
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Synthetic Vision System,SVS,Flight Guidance,Flight Path,IFR,Computer graphics,Non-planar Projection,Tunnel in the SkyEnglish
Synthetische Sichtsysteme,Non-planare Projektion,Flugbahn,Instrumentenflug,Computer Graphik,Flugführung,BildverarbeitungGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle Fertigung
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9997
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klingauf, Prof. Dr.- Uwe and Bruder, Prof. Dr.- Ralph and Oberlack, Prof. Dr.- Martin and Becker, Prof. Dr.- Wilfried
Refereed: 23 April 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/999
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