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

Projektinformation

BMWi Förderung © BMWi

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 © IFL

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 © IFL

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. 

Contrails © Judith Rosenow

Kondensstreifen

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 © IFL

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.

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

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Letzte Änderung: 23.09.2025