Die Entwicklung von Verfahrenskriterien für Präzisionsanflüge der Betriebsstufe I unter Verwendung bodengestützt augmentierter Satellitensysteme

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1 Die Entwicklung von Verfahrenskriterien für Präzisionsanflüge der Betriebsstufe I unter Verwendung bodengestützt augmentierter Satellitensysteme Genehmigte Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs in der Fakultät V der TU Berlin Verkehrs- und Maschinensysteme Institut für Luft- und Raumfahrt Fachgebiet Flugführung und Luftverkehr René Dörries Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dipl.-Ing. H. Linde Berichter: Prof. Dr.-Ing. M. Fricke Prof. Dipl.-Ing. H. Olbert Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. April 2004 Berlin 2004 D 83

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3 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE EXTRAKT EXTRAKT Die vorliegende Arbeit ist eingebettet in die Aktivitäten der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO), deren Ziel es ist, bis spätestens 2005 bodengestützt augmentierte Satellitensysteme (GBAS) für Präzisionsanflüge nutzbar zu machen. Hieraus resultiert für das Obstacle Clearance Panel (OCP) als Gremium dieser Organisation die Aufgabe, auch entsprechende Verfahrenskriterien bis zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen. In diesem Kontext wurde 2000 durch die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH und das Fachgebiet Flugführung und Luftverkehr am Institut für Luft- und Raumfahrt der Technischen Universität Berlin ein Forschungsprojekt mit dem Ziel initiiert, das OCP bei der Erfüllung dieser Aufgabe wissenschaftlich zu unterstützen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu den Zielen des Projektes, indem sie verschiedene Möglichkeiten für die Entwicklung der oben genannten Verfahrenskriterien aufzeigt und systemtechnische Werkzeuge zur Verfügung stellt, mit denen eine optimale Auswahl bezüglich der Ziele des OCP getroffen werden kann. Für das Instrumentenlandesystem (ILS), das derzeit weltweit für Präzisionsanflüge eingesetzt wird, existiert ein bewährtes System aus Verfahrenskriterien, das aus Obstacle Limitation Surfaces (OLS), Obstacle Assessment Surfaces (OAS) und Collision Risk Model (CRM) besteht. Um aufzuzeigen, inwieweit diese für GBAS-Präzisionsanflüge übernommen werden können, werden die technologischen Unterschiede zwischen ILS und GBAS erläutert. GBAS kann entweder uneingeschränkt oder ILS look-alike zum Einsatz kommen. Bei der letztgenannten Variante liefert der GBAS-Bordempfänger Ausgangssignale, als ob ILS zum Einsatz käme. Ausgehend von diesen Informationen werden Methoden für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS-Präzisionsanflüge vorgeschlagen. Es sind dies: ILS-Äquivalenzmethode: Diese sieht die Übernahme der ILS-Verfahrenskriterien für GBAS vor. Dies wird möglich, wenn der Nachweis erbracht wurde, dass die GBAS-Fehlercharakteristika nicht ungünstiger sind, als die des ILS. RNP-Ansatz (RNP Required Navigation Performance): Dieser sieht vor, bestimmte Forderungen an die Fehlercharakteristika der anfliegenden Luftfahrzeuge zu stellen und die Verfahrenskriterien auf Basis dieser Forderungen zu formulieren. Weiterentwicklung des ILS-CRMs: Bei dieser Methode wird das bestehende CRM des ILS so modifiziert, dass es auch für GBAS- Präzisionsanflüge genutzt werden kann. Entwicklung eines neuen GBAS-CRMs: Bei dieser Methode wird ein völlig neues CRM für GBAS basierend auf Monte-Carlo-Simulationen aufgebaut. Mit Hilfe einer speziell für die Auswahlsituation des OCP entwickelten systemtechnischen Bewertungsmethode wird sichergestellt, dass diejenige Alternative ausgewählt wird, die dem Präferenzsystem des OCP am besten entspricht. SEITE 1

4 SEITE 2 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE

5 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS EXTRAKT...1 INHALTSVERZEICHNIS...3 ABBILDUNGSVERZEICHNIS...7 TABELLENVERZEICHNIS...9 ABKÜRZUNGEN Einleitung und Überblick Einleitung Überblick Das Obstacle Clearance Panel als Element des Systems Luftverkehr Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO Das Obstacle Clearance Panel als Organ der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation Die Vorschriften der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation Die CNS/ATM Strategie der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation Aktivitäten der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation Defizite der konventionellen Systeme Das CNS/ATM System Direkter Nutzen aus den neuen Systemen Indirekter Nutzen aus den Neuen Systemen Das Obstacle Clearance Panel im Prozess der Einführung satellitengestützter Verfahren Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge als Aufgabe des OCP Die Technologien Überblick Das Instrumentenlandesystem ILS Das Ground Based Augmentation System GBAS Das Global Navigation Satellite System Augmentierungen des Global Navigation Satellite Systems Aufbau und Funktion von GBAS Die Genauigkeit von GBAS Die Genauigkeit von GBAS in Zahlen Der Multimode Receiver ILS look-alike GBAS Uneingeschränktes GBAS Vergleich der Technologien Die Verfahrenskriterien für ILS-Präzisionsanflüge Überblick Die grundsätzliche Systematik von Verfahrenskriterien für An- und Abflüge Grundlagen ICAO PANS-OPS Segmente des Instrumentenanfluges Luftfahrzeugkategorien ILS Precision Segment Hindernisfreihöhe OCA/H Height Loss / Altimeter Margin Standard Conditions Berechnung der äquivalenten Höhe von Missed Approach Hindernissen Berechnung der Hindernisfreihöhe OCA/H im ILS Precision Segment Basic-ILS-Surfaces Geometrie Berechnung der Hindernisfreihöhe OCA/H Obstacle Assessment Surfaces OAS Geometrie...53 SEITE 3

6 INHALTSVERZEICHNIS VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE Mathematische Beschreibung der Flächen der OAS Anpassung der Konstanten Höhen der OAS Korrekturen der OAS durch Obstacle Limitation Surfaces des ICAO-Annex Die Ermittlung der Hindernisfreihöhe OCA/H mit Hilfe der OAS OAS und Obstacle Free Zone CAT III-Betrieb Das Collision Risk Model für Instrumentenlandesysteme ILS-CRM Einführung Die Datenein- und -ausgabe Das mathematische Modell Das ILS-Anflugmodell Das vertikale Fehlanflugmodell Das laterale Fehlanflugmodell Die Fehlanflugrate Die Abschattung Ablauf der Bestimmung des Kollisionsrisikos Bewertung des ILS-CRMs Mögliche Methoden für die Ermittlung von GBAS CAT I-Verfahrenskriterien Überblick Die ILS-Äquivalenzmethode Die Fehlerkomponenten Die ILS CAT I Referenzwerte Die Flugversuche für den Vergleich GBAS CAT I versus ILS CAT I Die Auswertung der Flugversuche für den Vergleich GBAS CAT I versus ILS CAT I Korrelation zwischen vertikaler und lateraler Ablage vom Sollflugweg Schlussfolgerungen Das Konzept der Required Navigation Performance RNP-Konzept Das RNP-Konzept für den Streckenflug Die RNP-Parameter Die Ableitung der RNP-Parameter Das Tunnelkonzept Kritische Diskussion Die Weiterentwicklung des ILS-CRMs Prinzipielles Ausschluss der Berücksichtigung von gekrümmten Anflügen mit variablem Höhenverlauf Die Weiterentwicklung des ILS-CRMs für gerade GBAS-Präzisionsanflüge Zusammenfassung Die Entwicklung eines neuen GBAS-CRMs Anforderungen an ein GBAS-CRM Das Prinzip von Monte-Carlo-Simulationen Monte-Carlo-Simulationen als Teil des Zulassungsprozesses Konzeptvorschlag für ein Monte-Carlo-basierendes GBAS-CRM Vorschlag für die Realisierung des Monte-Carlo-basierenden GBAS-CRMs Kritische Diskussion des Monte-Carlo-basierenden GBAS-CRMs Die Erfüllung der Anforderungen durch das vorgeschlagene Realisierungskonzept Zusammenfassung Systemtechnische Bewertungsmethoden zur vergleichenden Einstufung von Alternativen Überblick Die Nutzwertanalyse Einführung Das Grundmodell der Nutzwertanalyse Verfahren zur Durchführung der Schritte der Nutzwertanalyse Aufstellung eines Zielsystems Skalierung von Präferenzordnungen SEITE 4

7 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE INHALTSVERZEICHNIS Zielgewichtung Entscheidungsregeln zur Wertsynthese Die Anwendung der systemtechnischen Bewertungsmethoden für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge Die Ausgangssituation Die zur Auswahl stehenden Alternativen Szenarien für die zukünftige Entwicklung Definition und Ordnung von Zielen zu einem Zielsystem Abgrenzung Entwurf des Zielsystems Gewichtung der Ziele Erläuterungen zu den Zielkriterien und deren Gewicht Beschreibung der Zielerträge und Zielwerte der Alternativen Modifikationen des Zielsystems, der Gewichtung, der Zielerträge und der Zielwerte bei dauerhaftem Einsatz von ILS look-alike anstelle von uneingeschränktem GBAS Wertsynthese der Zielwerte Die Entscheidung Zusammenfassung Ausblick LITERATURVERZEICHNIS SEITE 5

8 INHALTSVERZEICHNIS VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE SEITE 6

9 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE ABBILDUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1: Organisationsstruktur der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (Quelle: /140/) Abbildung 2: Überblick über die zu erwartenden Nutzeneffekte aus den neuen CNS Systemen (Eigene Darstellung in Anlehnung an /104/) Abbildung 3: Komponenten des Instrumentenlandesystems (Quelle: /138/) Abbildung 4: Systemkomponenten des LAAS (Quelle: /174/) Abbildung 5: Lateraler Kurssektor des ILS look-alike LAAS (Quelle: /180/) Abbildung 6: Vertikaler Kurssektor des ILS look-alike LAAS (Quelle: /180/) Abbildung 7: Segmente eines Instrumentenanflugs (Quelle: /54/) Abbildung 8: Phasen des Missed Approach (Quelle: /95/) Abbildung 9: Luftfahrzeugkategorien (Eigene Darstellung in Anlehnung an /95/) Abbildung 10: ILS Precision Segment (Quelle: /95/) Abbildung 11: Beziehung zwischen OCA/H und DA/H für Präzisionsanflüge (Quelle: /95/) Abbildung 12: Die Height Loss Zusammenhänge (Quelle: /100/) Abbildung 13: Die Height Loss / Altimeter Margin (Quelle: /95/) Abbildung 14: Missed Approach Hindernis weiter als 900m hinter der Schwelle (Quelle: /95/) Abbildung 15: Missed Approach Hindernis weniger als 900m hinter der Schwelle (Quelle: /95/) Abbildung 16: Die Basic-ILS-Surfaces (Quelle: /95/) Abbildung 17: Nicht zu betrachtende Objekte bei der Ermittlung der OCA/H (Quelle: /95/) Abbildung 18: Perspektivische Darstellung der ILS Obstacle Assessment Surfaces (Quelle: /95/) Abbildung 19: Koordinatensystem der Obstacle Assessment Surfaces (Quelle: /95/) Abbildung 20: Beispiel aus PANS-OPS Attachment I to Part III: Konstanten für die Berechnung der OAS (Quelle: /95/) Abbildung 21: Typische OAS Kontur für CAT II-Anflüge mit Autopilot (Quelle: /95/) Abbildung 22: Nicht zu betrachtende Objekte bei der Ermittlung der OCA/H (Quelle: /95/) Abbildung 23: Hindernisfreiheit eines geraden Missed Approach (Quelle: /95/) Abbildung 24: Obstacle Free Zone (Quelle: /97/) Abbildung 25: Objektmodellierung im x-y-z-koordinatensystem des ILS-CRMs (Quelle: /100/) Abbildung 26: Report des ILS-CRMs (Quelle: /100/) Abbildung 27: Das ILS Precision Segment (Quelle: /100/) Abbildung 28: Lage eines Hindernisses relativ zum Sollflugweg (Quelle: /100/) Abbildung 29: Lage eines angepassten Hindernisses relativ zum Sollflugweg (Quelle: /100/) Abbildung 30: Der Anflugtrichter (Quelle: /97/) Abbildung 31: Anpassung der lateralen Fehlanflugverteilung für veränderte OCH-Range (Quelle: /95/) Abbildung 32: Abschattung des Hindernisses 2 durch das Hindernis 1 (Quelle: /100/) Abbildung 33: Fehlerkomponenten (Quelle: /174/) Abbildung 34: GPS Landing System Prozedur für die Bahn 13 in Atlantic City (Quelle: /19/) Abbildung 35: Streuungsdiagramme für hoch und niedrig korrelierte Merkmale (Quelle: /202/) Abbildung 36: Das Tunnelkonzept nach Kelly (Quelle: /119/) Abbildung 37: Systemelemente des ILS-CRMs (Eigene Darstellung) Abbildung 38: Systematik von Bewertungsmethoden (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 39: Allgemeine Aufbaulogik einer Nutzwertanalyse (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 40: Modell zur Definition von Zielen (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) SEITE 7

10 ABBILDUNGSVERZEICHNIS VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE Abbildung 41: Prinzip des Zielbaumverfahrens Endpunkte der Zielketten sind die bewertungsrelevanten Zielkriterien (Eigene Darstellung) Abbildung 42: Zusammenhang zwischen Messgegenstand und möglichen Bewertungsskalen (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 43: Eigenschaften und Operationalität der wichtigsten Skalentypen der messenden Bewertung (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 44: Bestimmung von "Verzweigungsrelevanzen" oder "Knotengewichten" (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 45: Errechnung der "Systemrelevanzen" oder "Stufengewichte" (Eigene Darstellung in Anlehnung an /200/) Abbildung 46: Rechnerische Kombinationsmöglichkeiten der Methoden zu Wegen (Eigene Darstellung) Abbildung 47: Kombinationsmöglichkeiten der Methoden zu Wegen, welche die ILS-Äquivalenzmethode einschließen (Eigene Darstellung) Abbildung 48: Sinnvolle Wege für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge (Eigene Darstellung) Abbildung 49: Das Zielsystem zur Bestimmung des optimalen Weges zur Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge (Eigene Darstellung) Abbildung 50: Beispielhafte Gewichtung der Zielkriterien des Teilziels "A3 Leichte Implementierung" (Eigene Darstellung) Abbildung 51: Beispielhafte Gewichtung der Zielkriterien des Teilziels "B Große Anwendungsvorteile" (Eigene Darstellung) Abbildung 52: Das beispielhaft ausgefüllte Zielsystem zur Bestimmung des optimalen Weges für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge (Eigene Darstellung) Abbildung 53: Abschätzung der Aufwandsreduktionen bei der Erarbeitung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge durch den dauerhaften Einsatz von ILS look-alike anstelle des uneingeschränkten GBAS (Eigene Darstellung) Abbildung 54: Tabellarische Übersichtsdarstellung von Aufwand und Noten als Zielwerte der Teilziele A1 bis A3 und B (Eigene Darstellung) Abbildung 55: Grafische Aufbereitung der Noten als Zielwerte der Teilziele B1 bis B9 (Eigene Darstellung) Abbildung 56: Matrix-Darstellung von Aufwand und Noten als Zielwerte der Teilziele A1 bis A3 (Eigene Darstellung) Abbildung 57: Sinnvolle Wege für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I- Präzisionsanflüge (Duplikat von Abbildung 48, Seite 138, eigene Darstellung) Abbildung 58: Das beispielhaft ausgefüllte Zielsystem zur Bestimmung des optimalen Weges für die Ermittlung von Verfahrenskriterien für GBAS CAT I-Präzisionsanflüge (Duplikat von Abbildung 52, Seite 150, eigene Darstellung) Abbildung 59: Tabellarische Übersichtsdarstellung von Aufwand und Noten als Zielwerte der Teilziele A1 bis A3 und B (Duplikat von Abbildung 54, Seite 153, eigene Darstellung) Abbildung 60: Grafische Aufbereitung der Noten als Zielwerte der Teilziele B1 bis B9 (Duplikat von Abbildung 55, Seite 154, eigene Darstellung) Abbildung 61: Matrix-Darstellung von Aufwand und Noten als Zielwerte der Teilziele A1 bis A3 (Duplikat von Abbildung 56, Seite 155, eigene Darstellung) SEITE 8

11 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE TABELLENVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 1: Kriterien der Betriebsstufen für Präzisionsanflug-Landebahnen (Quelle: /89/) Tabelle 2: Zuordnung der Performance Types zu den ILS-Kategorien (Quelle: /177/) Tabelle 3: Tabelle 4: Tabelle 5: Nennwerte für die Positionsgenauigkeit von GPS, GLONASS und einer Kombination GPS/GLONASS (Quellen: /53/ und /52/) Vergleich zwischen Instrumentenlandesystem, ILS look-alike GBAS und uneingeschränktem GBAS (Eigene Darstellung) Referenzwert 1σ TSE für ILS CAT I, 3.800m Abstand Localizer-Schwelle (Eigene Darstellung nach /100/) Tabelle 6: 2. Referenzwert 2σ TSE, FTE, NSE für ILS CAT I, 3.000m Abstand Localizer-Schwelle (Eigene Darstellung nach /100/) Tabelle 7: Vergleich der Flugversuchsergebnisse mit Referenz 1 (Eigene Darstellung nach /19/) Tabelle 8: Vergleich der Flugversuchsergebnisse mit Referenz 2 (Eigene Darstellung nach /19/) Tabelle 9: Vergleich der Korrelationskoeffizienten zwischen lateraler und vertikaler Ablage für GBAS und ILS CAT I (Eigene Darstellung nach /18/) Tabelle 10: RNP-Werte für den Anflug-, Lande- und Abflugbereich (Eigene Darstellung nach /105/) Tabelle 11: ILS-Anforderungen gemäß ICAO-Annex 10 (Eigene Darstellung nach /87/) Tabelle 12: FTE-Annahmen für die Ableitung der RNP-Parameter (Eigene Darstellung nach /105/) Tabelle 13: Tabelle 14: Systematik der Zuordnung von maximaler Auftrittswahrscheinlichkeit und Schwere der Konsequenzen (Eigene Darstellung nach JAR /112/) Vergleich zwischen Instrumentenlandesystem, ILS look-alike GBAS und uneingeschränktem GBAS (Duplikat von Tabelle 4, Seite 42, eigene Darstellung) SEITE 9

12 TABELLENVERZEICHNIS VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE SEITE 10

13 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE ABKÜRZUNGEN ABKÜRZUNGEN A AAIM ABAS AC ACARS ACAS ADC ADF ADI ADIRS ADS-B AFCS AHRS AIC AIP ANC AOM APL ARB ARINC ASM A-SMGCS ATA ATC ATG ATS AWOP B BCAR BGBl. BLEU BMVBW B-RNAV C C/A-Code CAA CAT CDGPS CDI CDM CDR CESAR CFAR CFDS CFIT CG CIKADA CNS CPOD Aircraft Autonomous Integrity Monitoring Aircraft Based Augmentation Systems Advisory Circular Aircraft Addressing and Reporting System Airborne Collision Avoidance System Air-Data Computer Automatic Direction Finder Attitude Director Indicator Air Data Inertial Reference System Automatic Dependent Surveillance Broadcast Automatic Flight Control System Attitude Heading Reference System Aeronautical Information Circular Aeronautical Information Publication Air Navigation Commission Airplane Operations Manual Airport Pseudolites Air Registration Board Aeronautical Radio, Inc. Airspace Management Advanced Surface Movement Guidance and Control System Air Transport Association Air Traffic Control Advanced Technologies Group Air Traffic Services All Weather Operations Panel British Civil Airworthiness Requirements Bundesgesetzblatt Blind Landing Evaluation Unit Bundesminister für Verkehr Bau- und Wohnungswesen Basic Area Navigation Clear Access: Signalcode des GPS für zivile Nutzer Civil Aviation Authorities Category, Kategorie, Betriebsstufe Carrier-phase Differential-GPS Course Deviation Indicator Collaborative Decision Making Critical Design Review Certification Policies, Procedures and Requirements for Satellite based Navigation and Landing Systems and corresponding Research Activities Constant False Alarm Rate Centralized Fault Display System Controlled Flight into Terrain Center of Gravity satellitengestützte Navigationssystem der ehemaligen Sowjetunion für die Seefahrt Communication, Navigation, Surveillance Constant Probability of Detection SEITE 11

14 ABKÜRZUNGEN VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE CRC CRM CRT CWC Cyclic Redundancy Check Collision Risk Model Cathod Ray Tube Crosswind Component D DA(H) Decision Altitude (Height) DCP Data Collection Program DDM Difference in Depth of Modulation DER Departure End of Runway DF Direction Finding DFS Deutsche Flugsicherung GmbH DGPS Differential GPS DH Decision Height DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. DME Distance Measurement Equipment DO Document Doc. Document DoD Department of Defense DOP Dilution of Precision DRMS Distance Root Mean Square DSE Display System Error E ECAC European Civil Aviation Conference EEC EUROCONTROL Experimental Center EFCS Electronic Flight Control System EFIS Electronic Flight Instrument System EGNOS European Geostationary Overlay System EGPWS Enhanced Ground Proximity Warning System ESA European Space Agency ETA Estimated Time of Arrival EU Europäische Union EUROCAE European Organisation for Civil Aviation Equipment EUROCONTROL Bezeichnet die europäische Flugsicherungsbehörde F FAA FAC FAF FANOMOS FANS FAP FAR FAS FCA FCS FD FDE FEC FHA FL FLIP FMEA FMECA Federal Aviation Administration Flight Augmentation Computer Final Approach Fix Flight Track and Noise Monitoring System Future Air Navigation System Final Approach Point Federal Aviation Regulation Final Approach Segment Functional Configuration Audit Flight Control System Flight Director Fault Detection and Exclusion Forward Error Correction Functional Hazard Analysis Flight Level Flight Performance using Frankfurt ILS Failure Mode and Effect Analysis Failure Mode Effects Criticality Analysis SEITE 12

15 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE ABKÜRZUNGEN FMGC FMS FNP FOB FOG FPAP FRP FSAV FSD ft FTE G GARP GBAS GIBS GIS GLONASS GLS GNSS GNSSP GP GPA GPS GPWS GS H HF HL HSI HW Hz I IAA IAF ICAO IF IFR ILS IMA IMC IMU INMARSAT INS IODE ION IPV IRS IRU ISA ISPA J JAA Flight Management and Guidance Computer Flight Management System Funknavigationsplan Fuel on Board Fiber-Optic Gyro Flight Path Alignment Point Federal Radio Navigation Plan Verordnung über die Ausrüstung der Luftfahrzeuge mit Flugsicherungsausrüstung Full Scale Deflection Feet Flight Technical Error GLS Azimuth Reference Point Ground Based Augmentation System GPS Informations- und Beobachtungsdienst Geographical Information Systems Global Navigation Satellite System GNSS Landing System Global Navigation Satellite System Global Navigation Satellite Systems Panel Glide Path Glide Path Angle Global Positioning System Ground Proximity Warning System Glide Slope Hochfrequenz Height Loss Horizontal Situation Indicator Hardware Hertz Initial Approach Altitude Initial Approach Fix International Civil Aviation Organisation Intermediate Fix Instrument Flight Rules Instrument Landing System Integrated Modular Avionics Instrument Meteorological Conditions Inertial Measurement Unit International Maritime Satellite Organisation Inertial Navigation System Issue of Data Ephemeris Institute of Navigation Instrument Approach with Vertical Guidance Inertial Reference System / Sensor Inertial Reference Unit International Standard Atmosphere International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing Joint Aviation Authorities SEITE 13

16 ABKÜRZUNGEN JAR JTIDS JTSO K km KSB kt, kts L LAAS LADGPS LAS LBA LCD LEP LIDAR LLZ LOC LORAN LPL LRU LTP/FTP LuftVG LuftVO LWL M m M/A MACG MAPt MASPS MCDU MDA MDH MEL MHz MLA MLS MM MMEL MMR MNPS MOC MOC MOPS MSA MSL MT MTBF MTBO MTOW MTTR MW VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE Joint Aviation Requirements Joint Tactical Information Distribution System Joint Technical Standard Order Kilometer Kurssektorbreite Knoten Local Area Augmentation System Local Area DGPS Load Alleviation System Luftfahrtbundesamt Liquid Crystal Display Load-Exchange Procedure Laser-Doppler Anemometer Localizer Localizer Long Range Navigation Lateral Protection Level Line Replaceable Unit Landing Threshold Point/ Fictitious Threshold Point Luftverkehrsgesetz Luftverkehrs-Ordnung Lichtwellenleiter Meter Missed Approach Missed Approach Climb Gradient Missed Approach Point Minimum Aviation System Performance Standard Multipurpose Control and Display Unit Minimum Descent Altitude Minimum Descent Height Minimum Equipment List Mega Hertz Multipath Limiting Antenna Microwave Landing System Middle Marker Master Minimum Equipment List Multi Mode Receiver North Atlantic Minimum Navigation Performance Specification Means of Compliance Minimum Obstacle Clearance Minimum Operational Performance Standard Minimum Sector Altitude Mean Sea Level Message Types Mean Time Between Failure Mean Time Between Outages Maximum Take Off Weight Mean Time To Repair Mittelwelle SEITE 14

17 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE ABKÜRZUNGEN MWA N N/A NAV NAVSTAR ND NDB NfL NGC NLR NM NN NOTAM NPA NPV NSE O OAS OCA/H OCP OFZ OIS OLS OM OPS P PA PAN PANS-OPS PAPI PAPPS PAR PDF PDG PFD PL PLPL PLRS PPS PRN P-RNAV PT PVPL PVT Q QFE QNH R RAIM RDH RDP Mehrwegeausbreitung Not Applicable Navigation Navigation System with Time and Ranging Navigation Display Non Directional Radio Beacon Nachrichten für Luftfahrer Navigation, Guidance and Control Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium Nautical Mile Normal Null Notice To Airmen Non Precision Approach Non Precision Approach with Vertical Guidance Navigation Sensor Error Navigation System Error Obstacle Assessment Surfaces Obstacle Clearance Altitude / Height Obstacle Clearance Panel Obstacle Free Zone Obstacle Information Surface Obstacle Limitation Surface Operations Manual Operations Precision Approach Precision Approach Navigatior Procedures for Air Navigation Services Aircraft Operations Precision Approach Path Indicator Pseudolite Augmented Precision Positioning System Precision Approach Radar Probability Distribution Function Procedure Design Gradient Primary Flight Display Pseudolites Predicted Lateral Protection Level Position Location Reporting System Precision Positioning Service Pseudo Random Noise Precision Area Navigation Performance Type Predicted Vertical Protection Levels Position Velocity Time Luftdruck des Flugplatzes Luftdruck auf Meeresspiegelhöhe Receiver Autonomous Integrity Monitoring Reference Datum Height Runway Data Point SEITE 15

18 ABKÜRZUNGEN RGCSP RMS RNAV RNP RSS RTCA RVR RVSM S s SA SARPs SBAS SCAT-I SCATMIG SCPA SCW SID SIS SOC SPS SRF SSR STAR STOL T TAE TAWS TCAS TDZ TFV THR TLR TLS TOGA TSE TSO VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE Review of the General Concept of Separation Panel Root Mean Square Area Navigation Required Navigation Performance Root Sum Square Radio Technical Commission for Aeronautics Runway Visual Range Reduced Vertical Separation Minima Sekunden Selective Availability Standards And Recommended Practices Space Based Augmentation System Special Category I Special CAT I Manufacturer Interoperability Group Self-Calibrating Pseudolites Array Sector Course Width Standard Instrument Departure Signal In Space Start of Climb Standard Positioning Service Scientific Research Facility Secondary Surveillance Radar Standard Arrival Route Short Take-Off and Landing Track Angle Error Terrain Awareness and Warning System Traffic Alert and Collision Avoidance System Touch Down Zone Technische Flugdienstvorschriften Threshold Top-Level Requirements Target Level of Safety Take-Off/ Go-Around Total System Error Technical Standard Order U u. a. unter anderem UERE User Equipment Range Error UKW Ultrakurzwelle URE Der User Receiver Error beschreibt den Fehler des Empfängers. USCG United States Coast Guard usw. und so weiter UTC Universal Time Coordinated V VAL VASI VDI VDL VFR vgl. Vertical Alarm Limit Visual Approach Slope Indicator Vertical Deviation Indicator VHF Data Link Visual Flight Rules vergleiche SEITE 16

19 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE ABKÜRZUNGEN VHF VkBl. VMC VOR VPL VTOL W WAAS WADGPS WGS Z ZFW Very High Frequency Verkehrsblatt Visual meteorological conditions Very High Frequency Omnidirectional Radio Range Vertical Protection Level Vertical Take-Off and Landing Wide Area Augmentation System Wide Area DGPS World Geodetic System Zero Fuel Weight SEITE 17

20 ABKÜRZUNGEN VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE SEITE 18

21 VERFAHRENSKRITERIEN FÜR GBAS CAT I-ANFLÜGE 1 EINLEITUNG UND ÜBERBLICK 1 EINLEITUNG UND ÜBERBLICK 1.1 EINLEITUNG Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO 1 wurde 1944 durch Artikel 43 der Convention on International Aviation /86/ (Chicago Konvention) gegründet. Heute gehören ihr 187 Vertragsstaaten an. Die Bundesrepublik Deutschland ist seit 1956 Mitglied. Die grundsätzlichen Ziele der ICAO sind gemäß Artikel 44 der Chicago Konvention die Ausarbeitung von Grundsätzen und technischen Methoden für eine gesunde und sichere Entwicklung des internationalen Zivilluftverkehrs und ihre Anwendung durch die Mitgliedsstaaten. Diese grundsätzlichen Ziele wurden in der so genannten CNS/ATM 2 Gesamtstrategie verdichtet. Um deren Erfüllung sicherzustellen gibt die I- CAO Vorschriften heraus, die von Experten Panels erarbeitet werden. Eines dieser Panel ist das Obstacle Clearance Panel (OCP), das unter anderem für die Erarbeitung von Verfahrenskriterien zuständig ist. Die Bundesrepublik Deutschland wird im OCP durch die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH in Person von Herrn Gunnar Strobel vertreten. Die Arbeitsziele des OCP ergeben sich aus der CNS/ATM Gesamtstrategie der ICAO. Da diese vorsieht, dass bodengestützt augmentierte Satellitensysteme bis spätestens 2005 für Präzisionsanflüge verfügbar sein sollen, muss das OCP sicherstellen, dass bis zu diesem Zeitpunkt auch entsprechende Verfahrenskriterien zur Verfügung stehen. Aus der CNS/ATM Gesamtstrategie sind auch die Prioritäten des OCP bei der Gestaltung dieser Verfahrenskriterien abzuleiten. In diesem Kontext wurde 2000 durch Prof. Dipl.-Ing. Olbert (DFS Deutsche Flugsicherung GmbH) und Prof. Dr.-Ing. M. Fricke (Fachgebiet Flugführung und Luftverkehr am Institut für Luft- und Raumfahrt der Technischen Universität Berlin) ein Forschungsprojekt mit dem Ziel initiiert, das OCP bei der Erarbeitung der oben genannten Verfahrenskriterien wissenschaftlich zu unterstützen. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu den Zielen des Projektes, indem sie Möglichkeiten für die Entwicklung der oben genannten Verfahrenskriterien erarbeitet und systemtechnische Werkzeuge zur Verfügung stellt, mit denen aus diesen Möglichkeiten diejenige ausgewählt werden kann, die den Zielen des OCP am besten entspricht. Sie stellt also eine Kombination aus Ingenieurswissenschaften und Systemtechnik dar. Die Herausforderung dieser Arbeit besteht insbesondere darin, zum eine alle relevanten Aspekte und Informationen zu berücksichtigen, dabei aber auch zum anderen den Überblick zu bewahren, der für eine begründete Entscheidung notwendig ist. 1.2 ÜBERBLICK Die folgenden Ausführungen geben einen Überblick über die Struktur dieser Arbeit, deren Ziel es ist, das Obstacle Clearance Panel (OCP) der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) dabei zu unterstützen, einen optimalen Weg für die Erarbeitung von der Verfahrenskriterien für GBAS CAT I- Präzisionsanflüge zu wählen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zunächst in Kapitel 2, Seite 21: Das Obstacle Clearance Panel als Element des Systems Luftverkehr erläutert, aus welchen Vorgaben das OCP seine Arbeitsziele ableitet, welche Aufgaben es wahrnimmt, welche Werkzeuge es nutzen kann und wie es mit anderen Elementen des Systems Luftverkehr interagiert. 1 2 ICAO: International Civil Aviation Organisation CNS/ATM: Communications, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management SEITE 19