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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./28.05.2015

WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 2

Inhalt

• Motivation

• DLR-Projekt „L-bows“

• WEAA-Systemarchitektur

& Entwicklungsumgebung

• Experimentelle

Systemimplementierung

• Display-Design

• WEAA-Flugversuche

• Erste Ergebnisse

• Ausblick

• 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)


Motivation - Wirbelschleppeneinflug

AW&ST, AUG 26th, 2002

Kapazitäts-Engpass vor allem in An- und Abflug durch Staffelung

(bei steigenden Verkehrszahlen und Flugzeuggrößen)

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.


DLR-Projekt L-bows

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

Taktisches

Ausweichen (kleinräumiges

Manöver)

Position / Dimension bekannt

Strategisches

Ausweichen (Änderung des

Flugplans)

Position / Dimension bekannt

Position / Dimension

unbekannt oder fehlender

Zeithorizont

Warnen /

Gegensteuern


• 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


WEAA-System in L-bows

Machbarkeitsdemonstration unter operationellen Randbedingungen

(Detailuntersuchung von Komponenten, Vergleichsstudien, Nutzenanalyse)

Ziel:

flugzeuggestützte Warnung

Vermeidung gefährlicher Wirbelschleppeneinflüge

in allen Flugphasen

Wake Vortex

Conflict

Detection &

Assessment

Traffic

Prediction

HMI

(Information)

· Audio

· Display

Conflict

Resolution

Wake Vortex

Detection /

Prediction

Flight

Guidance(performance /

restraints)

· terrain data

base

· flight plan

· a/c status

· evasion

manoeuvre

definition

· met data

WEAA Core System

AFS (or Pilot)

Manoeuvre

Execution

Terrain

Avoidance

· traffic data

· sensor data

monitoring

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)



WEAA Schnittstelle Simulator Experimentator Rack @ AVES

(Air VEhicle Simulator)

Experimentelle Systemimplementierung ADS-B Data Link Simulation Concept

DLR Falcon 20E D-CMET

DLR A320 D-ATRA (Advanced Technology

Research Aircraft)

Emulated ADS-B (Telemetry)

• 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,


Experimentelle Systemimplementierung

Falcon D-CMET

D-ATRA

Telemetrie

Experimentator Rack

Experimentelle Cockpitanzeige ADS-B IN Rx und Telemetrie


www.DLR.de • Folie 15

Experimentelle Systemimplementierung Displayintegration ATRA-Cockpit

Vorhersage: Konflikt mit zukünftiger Wirbelschleppe

WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015

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“).


Display-Design

Display Design Beispiel: Seitenwind

Prognose

eigene Bahn

Konfliktposition

aktuelle

Wirbelschleppe

inkl. Relativhöhe

Prognose Erzeugerbahn Position Erzeuger

Bahn des

Erzeuger-

flugzeug

Zeit und

Entfernung

Konflikt


Display Design Beispiel: Gegenwind

Prognose

eigene Bahn

Konfliktposition

aktuelle

Wirbelschleppe

inkl. Relativhöhe

Prognose Erzeugerbahn Position Erzeuger

Bahn des

Erzeuger-

flugzeug

Zeit und

Entfernung

Konflikt


Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (1/5)

DLR.de • Folie 19 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015

Display-Design Operationeller Display-Modus (1/5)


WEAA-Flugversuche Überblick Kampagne 2014

• 3 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

• Bestimmung Höhenmesseroffsets in Formation


Quelle: DLR – Inst. für Physik der Atmosphäre

test area

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

FV-Kampagne 2014 Durchführung


VIDEO WEAA-Flugversuchs-Kampagne 2014


WEAA_Flight_Tests_2014_long.mp4

(follower) (generator)

Ergebnisse

Kampagne 2014

encounter

distance ~ 4 nm



(generator) WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 32

• 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 25.1309 System Design and Analysis

CS/AMC 25.1322: Flight Crew Alerting u.a.)


Ausblick

WEAA – HMI Entwicklungspotential

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)



Mit freundlicher Unterstützung: Fethi Abdelmoula, Frank Holzäpfel, Sven Oppermann,

Ingo Sölch, Carsten Schwarz, Dennis Vechtel

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