ProfiFuel: Verbesserte Planung und Realisierung von Flug-Profilen mit geringstem ökologischen Fußabdruck unter elementar niedrigem Kraftstoffverbrauch

Projektinformation

Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Konsortium: Jeppesen Inc., Gesellschaft für Luftverkehrsforschung GmbH
Projektlaufzeit: 39 Monate, Januar 2017 - März 2020

Im Projekt ProfiFuel werden Methoden weiterentwickelt, die eine Trajektorienoptimierung anwendungsfreundlich im Cockpit ermöglichen und dabei die Randbedingungen sowohl der Flugsicherung, als auch der Luftfahrtbetreiber berücksichtigen. In Zusammenarbeit mit den Praxispartnern Jeppesen und der Gesellschaft für Luftverkehrsforschung (GfL) werden dabei boden- und luftseitige Anwendungen um die Zielfunktionen einer ökologischen Flugdurchführung und einer präzisen Kraftstoffprädiktion erweitert.

Image of the IFL A320 simulation environment — Abbildung 1: Institutsinterne Simulationsumgebung des A320 mit implementierter EFB Applikation, welche Informationen über die optimale Flugtrajektorie des aktuellen Fluges bereitstellt.

Durch das IFL wird insbesondere angestrebt, das Electronic Flight Bag (EFB) als portables Berechnungs- und Anzeigegerät im Cockpit funktionell auf Basis der entwickelten Methoden zu erweitern.

Dieses soll für den Piloten eine Entscheidungshilfe in der Wahl der Trajektorie darstellen, indem bei Abweichung von der Solltrajektorie oder deren Eingangsgrößen alternative Trajektorien berechnet, bewertet und dem Piloten vorgeschlagen werden. Als Änderung der Eingangsgrößen seien hier bspw. Abweichungen von der Wettervorhersage oder des geplanten Treibstoffflusses, sowie schwer prädizierbare kurzfristige, kleinräumige Wetterereignisse oder auftretende eisübersättigte Gebiete erwähnt. Für diese Anwendung muss das EFB mit erweiterten Eigenschaften hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) und der Schnittstelle zwischen dem EFB und dem Flight Management System ausgestattet sein. Zusätzliche Anforderungen an das Vorhaben stellt die zu erwartende erhöhte Arbeitslast des Piloten durch die hinzukommende Interaktion mit dem EFB dar, welche durch optimale HMIs und GUIs minimiert werden soll.

Trajektorienoptimierung

Die im Projekt MEFUL bereits entwickelten Optimierungsfunktionen zur multikriteriellen Trajektorienoptimierung werden in diesem Arbeitspaket mit der Systemarchitektur des JetPlanner gekoppelt. Bei dem JetPlanner handelt es sich um eine Applikation zur Berechnung gültiger operationeller Flugpläne, welcher durch Jeppesen entwickelt wurde. Die Erweiterung der Funktionalität im Rahmen ProfiFuels zielt darauf ab, zukünftig auch ökologisch optimierte Flugpläne zu bestimmen. Hierdurch können die Auswirkungen emissionsminimaler Flugdurchführungen im heutigen operationellen Betriebsrahmen getestet und die multikriterielle Zielfunktion dementsprechend verbessert parametrisiert werden.

Anschließend erfolgt die Entwicklung eines Moduls, welches den ursprünglichen Optimierungsdurchlauf um weitere Parameter ergänzt, welche aus der Kommunikation des EFB mit dem Luftfahrzeug zur Verfügung stehen. Hierdurch lassen sich innovative Korrekturvorschläge während des Fluges bestimmen, welche der Flugbesatzung als eindeutige Handlungsempfehlungen zur Verringerung der Umweltwirkung des Luftverkehrs bereitgestellt werden (vgl. Abbildung 1).

Optimized trajectories with in-flight reroutings — Abbildung 1: Darstellung eines Fluges von Frankfurt nach Baku, Aserbaidschan in eisübersättigten Gebieten mit der optimalen Trajektorie (dunkelgrün, oben), der real geflogenen Trajektorie (schwarz) und der ab der aktuellen Position erneut optimierten Trajektorie (hellgrün). Die rote Trajektorie entspricht dem im Flight Management System hinterlegten weiteren Flugplan.

Dafür werden die Optimierungsfunktionen mit aktuellen Messdaten des EFB gespeist und neue Flugbahnen auf Basis des bestimmten Strahlungsantriebes der Emissionen generiert. Nachdem die unter den aktuellen atmosphärischen Bedingungen prognostizierten Emissionen der neuen Flugbahnen berechnet wurden, werden sie mit den Auswirkungen der in der Flugplanung prognostizierten Emissionen verglichen und dem Piloten sichtbar gemacht. Die Herausforderung hierbei liegt unter anderem in der Softwarelösung, welche eine schnelle Rechenzeit ermöglicht.

Sollte beispielsweise der kürzeste Weg durch eine eisübersättigte Schicht führen und damit die Bildung von Kondensstreifen induzieren, so werden neue Flugbahnen gesucht und hinsichtlich aller Kosten und Emissionen bewertet, welche die Bildung von Kondensstreifen ausschließen bzw. mindern, da sie die während des Fluges festgestellte eisübersättigte Schicht vermeiden. Hierzu können auch Änderungen der Flughöhe durch die EFB Applikation vorgeschlagen werden.

Luftfahrtinduzierter Strahlungsantrieb

Durch die Kommunikation des EFB mit dem FMS, Wetterstationen und vorausfliegenden LFZ stehen der Trajektorienoptimierung während des Fluges akutuellere Parameter zur Verfügung als während der Flugplanungsphase. Dadurch können auch die Emissionen präziser bewertet werden und es kommt eventuell zu Abweichungen der optimalen Trajektorie im Vergleich zur geplanten. Für Korrekturvorschläge während des Fluges werden LFZ-Parameter im Umfang von FDR (Flight Data Recorder) vom Onboard Networking System (ONS) der LFZ des Typs Boeing zur Verfügung gestellt.

Bei der Bewertung der Emissionen des Luftverkehrs muss je nach Auswirkung der Emission zwischen strahlungswirksamen und gesundheitsschädigenden EPIs unterschieden werden. Strahlungswirksame Emissionen werden mithilfe des Global Warming Potentials GWP bewertet. Das berücksichtigt die Strahlungseffizienz einer Substanz über einen Zeithorizont in der Atmosphäre und setzt diese mit der Strahlungseffizienz von CO₂ in ein Verhältnis.

Der Strahlungsantrieb der Emissionen ist ortsabhängig. Besonders die orts- und zeitabhängigen Bedingungen für die Bildung von Kondensstreifen haben eine signifikante Auswirkung auf die Optimierung. In kalter und eisübersättigter Umgebungsluft lösen entwickeln sich diese zu künstlichen Cirruswolken (Aircraft induced cirrus, AIC) und beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erdoberfläche.

Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, neben einer bereits am Institut durchgeführten Dissertation die Methodik zur Berechnung des durch die Luftfahrt und Kondensstreifen induzierten Strahlungsantriebes zu bestimmen.

Integration in Flugplanung und Cockpit

Ziel dieses Arbeitsbereiches ist die funktionale Integration der Optimierungsmodule in die boden- und luftseitigen Applikationen von Jeppesen, um eine Flugplanung nach ökoeffizienten Kriterien zu ermöglichen. Hierdurch wird speziell die fortlaufende Optimierung während des Fluges unterstützt, welche die dynamischen Betriebsbedingungen für den restlichen Flugverlauf einbezieht.

Image of the EFB Application — Abbildung 1: Darstellung der EFB Applikation im Cockpit

Anhand von Szenarien soll anschließend die Funktionalität und Konnektivität der Teilmodelle getestet und validiert werden.

Neben der institutsinternen Simulationsumgebung können auch erweiterte Integrationstests sowie potentielle Versuchsflüge mit dem ecoDemonstrator von Jeppesen als Boeing Company durchgeführt werden. Hier sollen insbesondere die im Rahmen von ProfiFuel entwickelten genauen Kraftstoffverbrauchsvorhersagen und die ökologische Trajektorienoptimierung belegt werden.

Publikationen

Im Rahmen des Projektes wurden folgende Forschungsergebnisse publiziert.

Weitere projektbezogene Publikationen sind unter MEFUL zu finden.

Judith Rosenow, Martin Lindner, Joachim Scheiderer (2021), Advanced Flight Planning and the Benefit of In-Flight AircraftTrajectory Optimization Sustainability 13 (3), 1383 , https://doi.org/10.3390/su13031383
Judith Rosenow, Philipp Michling, Michael Schultz, Jörn Schönberger (2020),Evaluation of Strategies to Reduce the Cost Impacts of Flight Delays on Total Network Costs, Aerospace 7 (11), 165, DOI10.3390/aerospace7110165
Martin Lindner, Judith Rosenow, Thomas Zeh, Hartmut Fricke (2020) In-Flight Aircraft Trajectory Optimization within Corridors Defined by Ensemble Weather Forecasts, Aerospace 7 (10), 144, DOI:10.3390/aerospace7100144
Judith Rosenow, Philipp Michling, Michael Schultz (2020) Kompensationsstrategien reaktionärer Verspätungskosten, Ingenieurspiegel 3/2020
Judith Rosenow, David Schiller (2019): Efficiency in Internalizing External Environmental Costs in Maritime and Air Transport, Multilog - Challenges and Innovative Solutions for Multimodality in Global Transport Networks, Huatulco, Mexico, 2019
Martin Lindner, Judith Rosenow, Stanley Förster, Hartmut Fricke (2019): Potential of integrated flight scheduling and rotation planning considering aerodynamic-, engine-and mass-related aircraft deterioration, CEAS Aeronautical Journal, volume 10, pages755–770(2019) DOI:10.1007/s13272-018-0344-x
Judith Rosenow, Hartmut Fricke (2019):Condensation Trails in Trajectory OptimizationThirteenth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM2019), 2019
Judith Rosenow, Hartmut Fricke (2019):Individual Condensation Trails in Aircraft Trajectory Optimization, Sustainability, Volume 11, Issue 21, DOI: 10.3390/su11216082
Martin Lindner, Judith Rosenow, Hartmut Fricke (2019): Aircraft trajectory optimization with dynamic input variables, CEAS Aeronautical Journal, https://doi.org/10.1007/s13272-019-00430-0
Judith Rosenow, David Strunck, Hartmut Fricke (2019):Trajectory Optimization in Daily Operations, CEAS Aeronautical Journal, https://doi.org/10.1007/s13272-019-00429-7
Judith Rosenow, Hartmut Fricke (2019): Impact of multi-criteria optimized trajectories on European airlineefficiency, safety and airspace demand, Journal of Air Transport Management, Volume 28, pp. 133-143 https://doi.org/10.1016/j.jairtraman.2019.01.001
Judith Rosenow, Marco Berger, Martin Lindner, Hartmut Fricke (2019) Trajektorienoptimierung in der Luft, Ingenieurspiegel 3/2019
Judith Rosenow and Michael Schultz (2018) 4D Trajectory Prediction with Stochastic Input Parameters, Advanced Aircraft Efficiency in a Global Air Transport System (AEGATS’18), Toulouse, France
Judith Rosenow, Stanley Förster, Martin Lindner. Hartmut Fricke (2018): Multicriteria-Optimized Trajectories Impacting Today’s Air Traffic Density, Efficiency, and Environmental Compatibility, Journal of Air Transportation, Volume 27, Issue 1. doi: https://doi.org/10.2514/1.D0086
Judith Rosenow, David Strunck, Hartmut Fricke (2018): Free Route Airspaces in Functional Air Space Blocks Free Route Airspaces in Functional Air Space Blocks Sixth SESAR Innovation Days, Salzburg
Martin Lindner, Thomas Zeh, Hartmut Fricke (2018): Reoptimization of 4D-Flight Trajectories During Flight Considering Forecast Uncertainties, 67. DGLR Kongress, Friedrichshafen
Judith Rosenow, David Strunck, Hartmut Fricke (2018): Trajectory Optimization in Daily Operations, 8th International Conference on Research in Air Transportation, Castelldefels
Martin Lindner, Judith Rosenow, Hartmut Fricke (2018): Dynamically Optimized Aircraft Trajectories Affecting the Air Traffic Management, 8th International Conference on Research in Air Transportation, Castelldefels
Judith Rosenow, Hartmut Fricke, Tanja Luchkova, Michael Schultz (2018): Minimizing contrail formation by rerouting around dynamic ice-supersaturated regions, Aeronautics and Aerospace Open Access Journal, Volume 2, Issue 3
Yannic Brodersen, Tanja Luchkova, Annette Temme, Martin Lindner, Juditih Rosenow, Michael Schultz (2017): Entwicklung und Bewertung von Formationsflugszenarien Unbemannter Frachtflugzeuge, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2017, München
Judith Rosenow, Hartmut Fricke, Michael Schultz (2017): Air traffic simulation with 4D multi-criteria optimized trajectories, Winter Simulation Conference 2017, Las Vegas
Judith Rosenow, Hartmut Fricke, Tanja Luchkova, Michael Schultz (2017): Impact of optimized Trajectories on Air Traffic Flow Management, Modelling and Simulation in Air Traffic Management, London
Judith Rosenow, Martin Lindner, Hartmut Fricke (2017): Impact of climate costs on airline network and trajectory optimization: a parametric study, CEAS Aeronautical Journal, Volume 8
Judith Rosenow and Hartmut Fricke (2017): Impact of Multi-critica Optimized Trajectories on European Airline and Network Efficiency, Air Transport Research Society World Conference 2017, Antwerp

Studien- und Diplomarbeiten

Das Projekt ProfiFuel bietet den Rahmen für vielfältige Themenstellungen zum Verfassen studentischer Arbeiten. Falls Sie Interesse an einer projektbezogenen Aufgabenstellung haben, sprechen Sie uns bitte an.

StA Lyskawa (2018): Voraussetzungen für eine dynamische Sektorisierung im europäischen Luftraum
StA Huhnd (2018): Anwendung und Bewertung einer Berechnungsvorschrift des Schalldruckpegels von Luftfahrzeugen auf optimierte Trajektorien
StA Brauer (2018): Konzeptentwicklung der graphischen Benutzeroberfläche eines Electronic Flight Bag für eine neue Funktionalität „Trajektorienoptimierung“
StA Mrokwa (2018): Modellierung und Validierung der direkten Flugbetriebskosten am Beispiel der Software zur Trajektorienoptimierung „TOMATO“
Lab project (2018): Optimale Integration wegpunktloser Trajektorien in die aktuelle ATM Luftraumstruktur
DA Yeruzel (2018): Validierung und Erweiterung einer zweistufigen Vertikalprofiloptimierung am Beispiel der Trajektorienoptimierung TOMATO
DA Braßel (2018): Entwicklung optimaler Flugrouten kleiner unbemannter Fluggeräte unter Verwendung von Kartenmaterial der Geoinformationssysteme
DA Vasileva (2018): Steigerung der Flughafenkapazität unter Anwendung der Wirbelschleppen Re-Kategorisierung RECAT-EU
DA Bumke (2018): Bewertung des Aktualisierungsaufwandes des FMS bei eines nach dem Start optimierten Flugplans in Abhängigkeit des Änderungsumfanges
StA Asmus (2017): Überführung existenter Algorithmen zur Konflikterkennung auf wegpunktlose Flugtrajektorien
DA Hieke (2017): Entwicklung eines Algorithmus zur Konflikterkennung und -lösung wegpunktloser Flugtrajektorien
DA Brühl (2017): SMS Umsetzung identifizierter flugbetrieblicher Sicherheitskennzahlen (SPI)
Forschungspraktikum Klotzsche (2017): Konzeptentwicklung einer Electronic-Flight-Bag-gesteuerten Trajektorienoptimierung in einer A320 Simulationsumgebung
StA Baumjohann (2017): Wirkung einer aktualisierten Luftfahrzeugmassenabschätzung nach Verlassen der Parkposition auf die Flugtrajektorienoptimierung
DA Steinmeier (2017): Modellierung und Implementierung einer zeit- und kraftstoffkostenbasierten Flugdurchführung am Beispiel des Flugleistungsmodells COALA
StA Steinmeyer (2017): Entwicklung einer methodischen Verfahrensweise zur Ermittlung von Ausweichrouten im Falle eines Triebwerkausfalles auf der standardisierten Abflugroute (SID)
StA Hensel (2017): FDR-Datenanalyse zur Entwicklung einer verbesserten Luftfahrzeug-Massenschätzfunktion in der Kraftstoffberechnung von Luftfahrzeugen, unter weiterer fachlicher Betreuung durch GfL Gesellschaft für Luftverkehrsforschung
DA Klußmann (2017): Development of an innovative global market based measure scheme to internalize costs of pollution in air transport
StA Spitzner (2017): Entwicklung und Bewertung von Technologien für die Kommunikation im Luftverkehr