Concept Development for Arrival Management Functionalities to Support Air Traffic Controllers in Non-Nominal Conditions

Kurzfassung

This thesis deals with non-nominal conditions and the development of concepts for arrival management functionalities to assist Air Traffic Controllers (ATCO) in such situations. Due to growing air traffic, the need for ATCO assistance, especially at large aerodromes, becomes more urgent. Different Arrival Managers (AMAN) are described shortly in chapter one. It was found, that AMANs currently sequence traffic and support ATCOs during normal operation, but do not offer support during non-nominal conditions. A brief description of various non-nominal conditions is given and the described conditions are categorized according to their impact on the controlling Air Traffic Control Unit. Three examples of non-nominal conditions were selected and described in more details in chapter two. For each of those examples a concept about AMAN assistance was developed. For all chosen non-nominal conditions a concept, which enhances the communication between different ATC units and a change in the interface is proposed. For an engine failure, the presentation of the maximum range and drift down altitudes could be implemented. In case of a communication failure, an AMAN should also be able to schedule the concerned aircraft and keep a high flow, by scheduling other flights around it. The last concept affects the TCAS Resolution Advisory (RA). The downlink and presentation on the screen of the ATCO is proposed as well as the check for collision threats on the calculated trajectories, which result from the TCAS RAs. In the third chapter, one Use Case for every concept, described in chapter two, is shown. Among other things a detailed description of a typical procedure is given. The fourth chapter deals with the DLR modular research AMAN 4D CARMA. It is described, compared to the concepts, and different changes as well as some additional modules for 4D CARMA are proposed. These changes and additional modules should enable it to deal with some non nominal conditions. In the last chapter a short summary and a conclusion are given. An AMAN can never be fully prepared for every single non-nominal condition, because no such situation will ever be like another, but some general occurrences, such as a runway closure, can easily be assisted by an AMAN. Apart from that, the AMAN can assist in communication of the situation. Every further development is expected to be very complex. Diese Arbeit handelt von Non-nominal Conditions (Außergewöhnliche Situationen) im Betrieb von Flugzeugen und die Entwicklung von Konzepten für Anflugmanagementsysteme, die Fluglotsen in solchen Situationen unterstützen. Aufgrund des stetig wachsenden Luftverkehrs hat die Unterstützung von Fluglotsen, insbesondere an großen Flughäfen an Bedeutung gewonnen. Im ersten Kapitel werden verschiedene Anflugplanungssysteme (Arrival Manager, AMAN) betrachtet und kurz beschrieben. Es stellte sich heraus, dass vorhandene AMAN Lotsen zwar im Normalbetrieb unterstützen, dies aber in Situationen nicht können, die nicht durch Standardprozeduren abgedeckt sind. Verschiedene solcher Situationen wurden kurz beschrieben und nach ihrem Einfluss auf die Arbeit von Fluglotsen kategorisiert. Drei Situationen wurden ausgesucht und näher beschrieben. Zu diesen dreien wurden Konzepte entwickelt, um den Lotsen zusätzlich zu unterstützen. Es wurde ein Konzept entwickelt, welches die Kommunikation zwischen den verschiedenen Lotsenarbeitsplätzen erleichtert und außerdem das Interface verändert. Das Konzept für einen Triebwerksausfall beinhaltet eine Darstellung der Reichweite und der Drift Down Höhe als Planungshilfe für den Lotsen. Im Falle eines Kommunikationsausfalls sollte der AMAN das betroffene Flugzeug den lokalen Prozeduren entsprechend planen können und alle anderen Flugzeuge um dieses herum organisieren. Das letzte Konzept beschäftigt sich mit der TCAS Resolution Advisory (RA). Es sollte möglich sein, die RA auf dem Bildschirm des Lotsen darzustellen. Zusätzlich sollte der AMAN die aus den RA entstehenden Trajektorien berechnen können und auf weitere Kollisionsgefahren überprüfen. Im dritten Kapitel wird für jedes beschriebene Konzept ein Anwendungsfall (Use Case) dargestellt. Diese enthalten unter anderem eine detaillierte Beschreibung des zu erwartenden Ablaufs. Das vierte Kapitel handelt von dem Forschungs-AMAN des DLR mit dem Namen 4D CARMA. Dieser ist in dem Kapitel beschrieben, wird mit den Konzepten verglichen und es werden verschiedene Änderungen und Ergänzungen vorgeschlagen, um 4D CARMA den Umgang mit außergewöhnlichen Situationen zu ermöglichen. Im letzten Kapitel stehen eine kurze Zusammenfassung und ein Fazit. Ein AMAN kann vermutlich niemals auf jede außergewöhnliche Situation vorbereitet sein, da diese immer unterschiedlich sind. Einige allgemeine Fälle, wie zum Beispiel die Schließung einer Landebahn, können durchaus von einem AMAN unterstützt werden. Zusätzlich kann ein AMAN durch eine systemweite Kommunikation bei der Bearbeitung verschiedener Vorfälle unterstützen. Alle expliziten Entwicklungen sind vermutlich sehr komplex.