Experimentelle Cockpitanzeige für die Flugerprobung des Wake Encounter Avoidance and Advisory System (WEAA)

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1 Experimentelle Cockpitanzeige für die Flugerprobung des Wake Encounter Avoidance and Advisory System (WEAA) Thomas Immisch, Tobias Bauer DLR Institut für Flugsystemtechnik DGLR-Workshop Pilotenunterstützungssysteme Manching, 27./

2 DLR.de Folie 2 Inhalt Motivation DLR-Projekt L-bows WEAA-Systemarchitektur & Entwicklungsumgebung Experimentelle Systemimplementierung Display-Design WEAA-Flugversuche Erste Ergebnisse Ausblick

3 DLR.de Folie 3 Motivation - Wirbelschleppeneinflug Wirbelschleppeneinflug kann Gefährdungsfaktor darstellen (Struktur, Passagiere, Flugpfadabweichung Steuerung bis loss of control z.b. AA587, Bell Harbor, NY, 2001, Airbus A300) für Flugzeuge, die nicht signifikant größer sind als das Wirbelschleppen erzeugende Flugzeug (ICAO WV Seperation Matrix, 70er) Kapazitäts-Engpass vor allem in An- und Abflug durch Staffelung (bei steigenden Verkehrszahlen und Flugzeuggrößen) AW&ST, AUG 26th, 2002

4 DLR.de Folie 4 DLR-Projekt L-bows Land-Based and Onboard Wake Systems (Vorgängerprojekt: Wetter und Fliegen ) Um den Luftverkehr effektiv, Kapazitäten schonend und sicher zu planen und zu führen, kommt der korrekten Vorhersage des Absinkens, der Lateraldrift und des Zerfalls von Wirbelschleppen und den daraus resultierenden Mindestabständen zwischen Flugzeugen eine immer größere Bedeutung zu und zwar sowohl in Flughafennähe als auch im Reiseflug. Ziele: bodengebundene Vorhersage optimierter Wirbelschleppen-Sicherheitsabstände flugzeuggestützte Vermeidung gefährlicher Wirbelschleppeneinflüge in allen Flugphasen (auf taktischen und prätaktischen Zeitskalen) Begegnet damit: Initiative Wirbelschleppen-Neukategorisierung von ICAO, FAA und EUROCONTROL erwarteten Kapazitätslücken der Landebahnen großer europäischer Flughäfen Reduktion der vertikalen Separationen im Reiseflug wachsenden Diversifizierung von Flugzeugtypen (Very Light bis Super Heavy) der in SESAR und NextGen angestrebten Liberalisierung des Luftraums.

5 DLR.de Folie 5 Einbettung in DLR-Konzept: Warnen und Ausweichen bei Atmosphärenstörungen Ziele: Erhöhung der Sicherheit, Verbesserung der Allwetterfähigkeit Entwicklung automatischer Flugsteuerungssysteme zur Pilotenunterstützung Erhöhung des Situations- / Systembewusstseins des Piloten bzgl. Wirbelschleppen, Böen und Gewitter Entwicklung und Test von Ausweichverfahren Prognose / Detektion einer gefährlichen Störung großräumige Störung z.b. Gewitter kleinräumige Störung z.b. Wirbelschleppe Position / Dimension bekannt Position / Dimension unbekannt oder fehlender Zeithorizont Position / Dimension bekannt Strategisches Ausweichen (Änderung des Flugplans) Warnen / Gegensteuern Taktisches Ausweichen (kleinräumiges Manöver)

6 DLR.de Folie 6 WEAA-System in L-bows Ziel: flugzeuggestützte Warnung Vermeidung gefährlicher Wirbelschleppeneinflüge in allen Flugphasen Methodik für Prognose der Wirbelschleppe in der Umgebung des Flugzeuges in allen Flugphasen (Meteodatenfusion /Wirbelprognose, DLR-PA) Konflikterkennung mit eigener Flugbahn und ggf. Warnung für Piloten (d.h. Erhöhung des Situationsbewusstseins) Konfliktlösung durch Vorschlag möglichst minimaler taktischer Ausweichmanöver, wenn möglich Machbarkeitsdemonstration unter operationellen Randbedingungen (Detailuntersuchung von Komponenten, Vergleichsstudien, Nutzenanalyse)

7 DLR.de Folie 7 WEAA System Architecture: Functions predict wake vortices from flight state and planned trajectories of surrounding aircraft using meteorological data detect wake conflicts, using prediction of own trajectory, in connection with hazard assessment where required generate evasion trajectory, taking into account terrain data and surrounding traffic alert flight crew and guide required evasive manoeuvres (e.g. on PFD) generate overview display to increase pilots situational awareness (e.g. on ND and VSD) terrain data base traffic data met data sensor data flight plan a/c status evasion manoeuvre definition Terrain Avoidance Traffic Prediction Wake Vortex Detection / Prediction Flight Guidance (performance / restraints) Wake Vortex Conflict Detection & Assessment WEAA Core System Conflict Resolution monitoring HMI (Information) Audio Display AFS (or Pilot) Manoeuvre Execution

8 DLR.de Folie 8

9 DLR.de Folie 9

10 DLR.de Folie 10

11 DLR.de Folie 11

12 DLR.de Folie 12 WEAA Schnittstelle Simulator Experimentator AVES (Air VEhicle Simulator)

13 DLR.de Folie 13 Experimentelle Systemimplementierung ADS-B Data Link Simulation Concept DLR Falcon 20E D-CMET Emulated ADS-B (Telemetry) DLR A320 D-ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) Position (Latitude, Longitude, Altitude) Ground Speed True Airspeed True Heading Wind Speed Wind Direction Aircraft Status within current ADS-B, but not used in practice nor in flight tests Modification: Falcon UHF Telemetry, GPS Receiver ATRA UHF Telemetry, ADS-B Receiver, WEAA Workstation, Audio, Display,

14 DLR.de Folie 14 Experimentelle Systemimplementierung Experimentator Rack D-ATRA Telemetrie Falcon D-CMET Experimentelle Cockpitanzeige ADS-B IN Rx und Telemetrie

15 Folie 15 Experimentelle Systemimplementierung Displayintegration ATRA-Cockpit Vorhersage: Konflikt mit zukünftiger Wirbelschleppe

16 DLR.de Folie 16 Display-Design Software: DLR-Software-Toolbox 2Indicate (eigene objektorientierte Metasprache, Grafikbibliothek, Render Engine OpenGL basiert) Konditionierung und Display-Logik der Signale durch C++ Design-Anforderungen (basierend auf Vorarbeiten in EU-Projekt FLYSAFE): Integration und Anpassung an Airbus Cockpit Design Philosophie TCAS-Symbologie Warnstufen nach Relevanz bzw. zeitlich gestaffelt (warning, caution, information,, limitations etc. ) Zwei Versionen, online umschaltbar: Operationell (quiet/dark design philosophy bzw. need to know concept) Wissenschaftlich (alle verfügbaren Informationen, z.b. relative Höhe des Wirbelschleppenende) Ziel: Mit dem Prototyp bzw. Funktionsdemonstrator wird einerseits die Tauglichkeit, andererseits die Akzeptanz geprüft ( proof-of-concept ).

17 DLR.de Folie 17 Display Design Beispiel: Seitenwind Position Erzeuger Prognose Erzeugerbahn Prognose eigene Bahn Konfliktposition aktuelle Wirbelschleppe inkl. Relativhöhe Bahn des Erzeugerflugzeug Zeit und Entfernung Konflikt

18 DLR.de Folie 18 Display Design Beispiel: Gegenwind Position Erzeuger Prognose Erzeugerbahn Prognose eigene Bahn Konfliktposition aktuelle Wirbelschleppe inkl. Relativhöhe Bahn des Erzeugerflugzeug Zeit und Entfernung Konflikt

19 DLR.de Folie 19 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (1/5)

20 DLR.de Folie 20 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (2/5)

21 DLR.de Folie 21 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (3/5)

22 DLR.de Folie 22 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (4/5)

23 DLR.de Folie 23 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (5/5)

24 DLR.de Folie 24 Display-Design Operationeller Display-Modus (1/5)

25 DLR.de Folie 25 Display-Design Operationeller Display-Modus (2/5)

26 DLR.de Folie 26 Display-Design Operationeller Display-Modus (3/5)

27 DLR.de Folie 27 Display-Design Operationeller Display-Modus (4/5)

28 DLR.de Folie 28 Display-Design Operationeller Display-Modus (5/5)

29 DLR.de Folie 29 WEAA-Flugversuche Überblick Kampagne Versuchsflüge im April 2014 ex BS (vorhergehende Versuche mit Prototyp 2013) Falcon D-CMET als Wirbelerzeuger, ATRA als WEAA-Systemträger Kondensstreifen-Prognose (DLR-PA) zur Identifikation günstiger Flugzeiten und -höhen test area Quelle: DLR Inst. für Physik der Atmosphäre Bestimmung Höhenmesseroffsets in Formation

30 DLR.de Folie 30 FV-Kampagne 2014 Durchführung Durchführung in TRA (Temporarily Restricted Airspace) Nord-Ost Deutschland Verfolgungsflüge mit geringen Einflugwinkeln (blau) race-track pattern mit windabhängiger Ausrichtung für Erzeugerflugzeug Falcon und Kreuzen der Wirbelschleppen durch ATRA bei größeren Einflugwinkeln (grün) space-fixed encounter point

31 DLR.de Folie 31 VIDEO WEAA-Flugversuchs-Kampagne 2014

32 DLR.de Folie 32 Ergebnisse Kampagne 2014 (generator) encounter distance ~ 4 nm (follower) (generator) (follower) (generator) (follower) (generator)

33 DLR.de Folie 33 Ausblick WEAA HMI Entwicklungspotential Erweiterung um auditive und taktile Elemente HMI-Methode für Ausweichtrajektorie (flight director, HUD, tunnel-in-the-sky etc.) Erweiterung in vertikaler Ebene (Vertical Situation Display, VSD) große vertikale Abweichung auch durch Absinken der Wirbel relevant bei hoher Verkehrsdichte durch Steig- und Sinkflug Weitere Anpassung bzw. Optimierung des HMI-Design (EASA CS/AMC 25-11: Electronic Flight Deck Displays CS/AMC System Design and Analysis CS/AMC : Flight Crew Alerting u.a.)

34 DLR.de Folie 34 WEAA Zusammenfassung und Ausblick Status erfolgreiche Flugversuche mit ATRA und Falcon für funktionsfähige Wirbelschleppenvorhersage, -visualisierung und -konflikterkennung 70+ Wirbelschleppeneinflüge, hochwertige Referenzdaten Weitere Systementwicklungen Ausführliche Datenauswertung Weiterentwicklung Wetterdatenfusion Untersuchung von Anforderungen für Ausweichtrajektorien und -funktion Vorwarnzeit, Trajektoriengenerierung, Display und Fliegbarkeit (AVES-Simulatorstudien) Sensitivitätsanalyse Eingangsparameter Bedeutung aufkommender Standards (internationale Aktivitäten zur Standardisierung von Cockpitanzeigen und Datenübertragung u.a. RTCA - wake vortex tiger team - white paper oder SAE)

35 DLR.de Folie 35 Mit freundlicher Unterstützung: Fethi Abdelmoula, Frank Holzäpfel, Sven Oppermann, Ingo Sölch, Carsten Schwarz, Dennis Vechtel