Entwicklung und Implementierung eines Konzepts zur Bestimmung und Darstellung von Unsicherheiten in der 4D-Trajektorienplanung

Abstract

Eine stetige Verbesserung von Sicherheit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit gehört bei der Entwicklung zukunftsweisender Luftverkehrssysteme zu den primären Zielen. Um diese zu erreichen, basieren neuartige Flugführungskonzepte auf vorausgeplanten 4D-Flugtrajektorien. Diese können u.a. durch Fehler in den Prognosen der Einflussparameter ungenau sein. Aus diesem Grund müssen mit der Einführung trajektorienbasierter Flugsicherungskonzepte Softwaresysteme in der Lage sein, die Prognoseungenauigkeiten zum einen durch Bewertungsmetriken zu analysieren und zum anderen verständlich zu visualisieren. Am Institut für Flugführung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt werden für die Forschung mit 4D-Trajektorien verschiedene Simulationssysteme (TrafficSim, AirTOp) als Untersuchungswerkzeuge eingesetzt. Hinsichtlich der Bewertung von Simulationsergebnissen wird in dieser Masterarbeit ein Konzept zur Bestimmung und Darstellung von Unsicherheiten in der Trajektorienplanung entworfen. Die Algorithmen werden in der Auswertungsumgebung „Extensible Workflow Management for Simulations“ (EWMS) implementiert und mit Hilfe von Simulationsszenarien validiert. Die wichtigsten Einflussgrößen, die als theoretische Grundlage für das Konzept untersucht werden, umfassen Umweltparameter (Wind, Temperatur), Flugleistungsdaten (Gewicht, Geschwindigkeit) und die Navigationsgenauigkeit. Anhand eines Simulationsszenarios werden die Parameter in realistischen Wertebereichen variiert und über 2.000 verschiedene Flugtrajektorien berechnet. Die Unsicherheit einer Flugzeugposition wird sowohl zeitlich als auch räumlich mit Hilfe von Vektoren durch dreidimensionale Ellipsoide beschrieben. Zur informationstechnischen Verarbeitung werden die Fehlerdaten klassifiziert und Möglichkeiten zur Darstellung in Diagrammen und geografischen Systemen bewertet. Für die Visualisierung der skalaren Fehlergrößen in Diagrammen eignet sich JFreeChart. NASA World Wind wird zur Visualisierung von Trajektorienunsicherheiten im geografischen Bezugssystem verwendet. Das Konzept ist durch JavaModule in EWMS implementiert. Dies ermöglicht, dass Simulationen des TrafficSim eingelesen, Trajektorien verglichen und die Unsicherheiten sowohl in Form von JFreeChart-Diagrammen als auch in der 3D-NASA World Wind Umgebung visualisiert werden können. Die erarbeiteten Berechnungen und Visualisierungen bieten Möglichkeiten zur Analyse von trajektorienbasierten Luftverkehrskonzepten, dienen aber auch der Unterstützung von Flugsicherungsverfahren und der Entscheidungsfindung für Lotsen.