CDO-Speedbrakes: Optimierte Continuous Descent Operations unter unsicheren Umwelt- und Missionsbedingungen
Projektinformation
- Gefördert durch die DFG
- Originale Projektlaufzeit von 3 Jahren (2018 - 2021)
- Die Projektlaufzeit wurde um ein weiteres Jahr verlängert (2021 - 2022)
Das Projekt "CDO Speedbrakes" zielt darauf ab, Piloten über die besten und zweitbesten CDO-Trajektorien (Continuous Descent Operation) zu informieren und abzuschätzen, um wie viel Kraftstoffverbrauch und Emissionen dadurch reduziert werden. Eine Sinkflugbahn wird sowohl räumlich als auch zeitlich von Unsicherheiten in der Berechnung von Störgrößen und Fehlern beeinflusst, die nur schlecht vorhersagbar sind. In diesem Projekt werden Modelle entwickelt, um diese unsicheren Störgrößen und ihre Auswirkungen auf die CDO-Trajektorienberechnung zu beschreiben. Solche Modelle ermöglichen eine genauere Flugbahnberechnung und vermeiden unerwünschte horizontale Flugsegmente, wie im Bild gezeigt wird. Jedoch sind solche horizontalen Flugsegmente im heutigen Luftfahrtbetrieb für den Sinkflug oft unvermeidlich.
Außerdem werden die zweitbesten CDO-Trajektorien modelliert. Sie können als alternative Optionen für die Piloten angesehen werden. Diese alternativen Lösungen sollen sicher stellen, dass die Flugeffizienz zumindest teilweise verbessert wird, selbst wenn eine vollständige und optimale CDO-Flugbahn nicht durchgeführt werden kann oder vom Fluglotsen verweigert wird.
Das Hauptziel des Projekts ist es, die entwickelten Sinkflugtrajektorien und der daraus folgenden Anweisungen für den Piloten, in ein im Cockpit verfügbares Instrument zu integrieren und zu visualisieren. Dafür sind zur Auswertung überdies Versuchsreihen in dem an der Professur verfügbaren A320-Flugsimulator vorgesehen.
CDO-Speedbrakes ist ein Verbundprojekt mit der Professur für Ökonometrie und Statistik, insb. im Verkehrswesen, TU Dresden.
Continuous Descent Operation (CDO) ist eines der Hauptziele großer globaler Projekte zur Weiterentwicklung des Air Traffic Management (ATM) Systems, wie zum Beispiel das „Single European Sky ATM Research Programme (SESAR)" in Europa, „Next Generation Air Transport Systems (NextGen)“ in den Vereinigten Staaten und „Collaborative Actions for Renovation of Air Traffic Systems(CARATS)“ in Japan. Gemäß ICAO Doc. 9931 ist CDO eine Flugbetriebsart, die eine optimale Flugbahn in Bezug auf minimalen Triebwerkschub und minimaler Widerstands-Konfiguration beschreibt (Gleitflug). Die optimale Flugbahn beschreibt normalerweise einen kontinuierlichen Sinkflug vom Top of Descent (ToD) zu einem Fixpunkt, wie zum Beispiel der Initial Approach Fix (IAF) oder Final Approach Fix (FAF). Außerdem werden bei dieser Betriebsart horizontale Flugsegmente vermieden, um Treibstoffverbrauch und Abgase zu reduzieren.
Durchgeführte Studien haben aufgezeigt, dass die Durchführung des CDO noch nicht vollständig und robust durchgeführt werden kann. Die Implementierung einer optimalen CDO-Trajektorie ist in der Regel schwer möglich, da sie von unsicheren Eingangs- und Störgrößen (z.B. Wind, Umgebungstemperatur, menschliche Faktoren, genaue Flugzeugmasse) beeinflusst wird. Der Zugriff auf hochgenaue und robuste Modelle und Daten ist jedoch von großer Bedeutung für eine Trajektorien-basierte Flugdurchführung. Solche Unsicherheiten wurden jedoch bislang nicht hinreichend genau modelliert, um eine robuste optimale CDO-Trajektorie zu erstellen und vorauszuplanen. Vor allem die Interferenz zwischen den verschiedenen Störgrößen (z. B. der Einfluss des Windes auf die Umgebungstemperatur) stellt bei der Modellierung eine große Herausforderung dar. Deshalb sind weitere Forschungen notwendig, um den Einfluss dieser Störgrößen für die Trajektorien-Optimierung zu modellieren.
Es muss ebenfalls in Betracht gezogen werden, dass die räumliche und zeitliche Lage des optimalen ToD aufgrund von Unsicherheiten in den Störgrößen für die kommende Sinkflugphase nicht genau berechnet werden kann. Für den Fall eines „zu frühen“ oder „zu späten“ Einleiten eines Sinkfluges sollten Anweisungen und Ratschläge an Piloten und Lotsen gegeben werden, um die Auswirkungen durch Unsicherheiten so gering wie möglich zu halten. Ein Sinkflug, der früh eingeleitet wird (zeitlich vor dem "optimalen" ToD), kann die Verwendung von horizontalen Flugsegmenten erfordern. Auf der anderen Seite erfordert ein spätes Einleiten des Sinkflugs (zeitlich nach „optimalen“ ToD) die Verwendung von Störklappen oder Umleitungen, um überschüssige kinetische Energie abzubauen bzw. das Flugzeug zu verlangsamen. Dies kann jedoch den Kraftstoffverbrauch, Abgase und Lärm erhöhen. Die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen müssen deshalb genauer untersucht werden, um eine optimale Flugbahn zu erzeugen. Diese alternativen robusten Lösungen werden im Rahmen des Projekts als „second best solution" bezeichnet.
Ein 4-D-Lösungsraum, der alle möglichen Sinkflug-Trajektorien einschließlich der optimalen CDO-Trajektorie und der zweitbesten Lösungen enthält, wird methodisch basierend auf stochastischer Modellierung der unsicheren Eingangs- und Störgrößen berechnet. Das langfristige Ziel dieses Projekts ist es, den berechneten Lösungsraum auf unserer Entscheidungs-GUI zu visualisieren, der "Improved Descent Advisor (IDA)" genannt wird, um Piloten und Fluglotsen bei der Entscheidungsfindung zu helfen. Abschließend werden die Lösungen mit den an der Professur verfügbaren A320- und ATC-Simulator getestet, um ihre Machbarkeit und die daraus resultierende Effizienz zu bewerten.
Ein weiteres Ziel ist es, das Wissen dieses Projekts in unser Flugzeugleistungsmodell mit dem Namen „COmpromised Aircraft performance model with Limited Accuracy (COALA)" zu implementieren, um die Sinkflugphase des Programms besser zu modellieren.
Shumpei Kamo, Judith Rosenow, Hartmut Fricke and Manuel Soler. Robust Optimization Integrating Aircraft Trajectory and Sequence under Weather Forecast Uncertainty . Transportation Research Part C: Emerging Technologies. vol. 152, p. 104187, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.trc.2023.104187
Judith Rosenow, Thomas Sachwitz, Shumpei Kamo, Gong Chen and Hartmut Fricke. Aircraft-Type-Specific Impact of Speed Brakes on Lift and Drag. Aerospace. 2022; 9(5):263, doi: https://doi.org/10.3390/aerospace9050263
Shumpei Kamo, Judith Rosenow, Hartmut Fricke and Manuel Soler. Fundamental Framework to Plan 4D Robust Descent Trajectories for Uncertainties in Weather Prediction. Aerospace. 2022; 9(2):109, doi: https://doi.org/10.3390/aerospace9020109
Shumpei Kamo, Judith Rosenow, Hartmut Fricke and Manuel Soler. Robust CDO Trajectory Planning under Uncertainties in Weather Prediction, 14th USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM Seminar), 2021 *Best paper award in track
Shumpei Kamo, Judith Rosenow and Hartmut Fricke. CDO Sensitivity Analysis for Robust Trajectory Planning under Uncertain Weather Prediction, 39th Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2020
Gong Chen and Ostap Okhrin. Interpolation of Weather Conditions for a Flight Corridor, Statistische Woche 2019, Tier
Best paper award in track, 14th USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM Seminar), 2021
