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 DLR.de • Folie 2 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Inhalt • Motivation • DLR-Projekt „L-bows“ • WEAA-Systemarchitektur & Entwicklungsumgebung • Experimentelle Systemimplementierung • Display-Design • WEAA-Flugversuche • Erste Ergebnisse • Ausblick DLR.de • Folie 3 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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) AW&ST, AUG 26th, 2002 Kapazitäts-Engpass vor allem in An- und Abflug durch Staffelung (bei steigenden Verkehrszahlen und Flugzeuggrößen) DLR.de • Folie 4 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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. DLR.de • Folie 5 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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 Position / Dimension bekannt großräumige Störung Prognose / Detektion einer gefährlichen Störung Strategisches Ausweichen (Änderung des Flugplans) z.B. Gewitter kleinräumige Störung Position / Dimension unbekannt oder fehlender Zeithorizont Warnen / Gegensteuern z.B. Wirbelschleppe Position / Dimension bekannt Taktisches Ausweichen (kleinräumiges Manöver) DLR.de • Folie 6 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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) DLR.de • Folie 7 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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 WEAA Core System and guide Terrain · terrain data required evasive base Avoidance manoeuvres (e.g. on PFD) generate Traffic · traffic data Prediction overview display to increase pilots’ Wake Vortex HMI Wake Vortex · met data Conflict Conflict (Information) Detection / situational Resolution Detection & · Audio · sensor data Prediction · Display Assessment awareness (e.g. on ND Flight monitoring AFS (or Pilot) · flight plan and VSD) Guidance · a/c status · evasion manoeuvre definition (performance / restraints) Manoeuvre Execution DLR.de • Folie 8 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 9 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 10 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 11 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 DLR.de • Folie 12 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 WEAA Schnittstelle Simulator Experimentator Rack @ AVES (Air VEhicle Simulator) DLR.de • Folie 13 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Experimentelle Systemimplementierung ADS-B Data Link Simulation Concept DLR Falcon 20E D-CMET • • • • 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 Emulated ADS-B (Telemetry) DLR A320 D-ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) Modification: • Falcon UHF Telemetry, GPS Receiver • ATRA UHF Telemetry, ADS-B Receiver, WEAA Workstation, Audio, Display, DLR.de • Folie 14 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Experimentelle Systemimplementierung Experimentator Rack D-ATRA Telemetrie Falcon D-CMET Experimentelle Cockpitanzeige ADS-B IN Rx und Telemetrie www.DLR.de • Folie 15 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Experimentelle Systemimplementierung Displayintegration ATRA-Cockpit Vorhersage: Konflikt mit zukünftiger Wirbelschleppe DLR.de • Folie 16 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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“). DLR.de • Folie 17 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display Design Beispiel: Seitenwind Position Erzeuger Prognose eigene Bahn Konfliktposition aktuelle Wirbelschleppe inkl. Relativhöhe Bahn des Erzeugerflugzeug Zeit und Entfernung Konflikt Prognose Erzeugerbahn DLR.de • Folie 18 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display Design Beispiel: Gegenwind Position Erzeuger Prognose eigene Bahn Konfliktposition aktuelle Wirbelschleppe inkl. Relativhöhe Bahn des Erzeugerflugzeug Zeit und Entfernung Konflikt Prognose Erzeugerbahn DLR.de • Folie 19 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (1/5) DLR.de • Folie 20 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (2/5) DLR.de • Folie 21 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (3/5) DLR.de • Folie 22 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (4/5) DLR.de • Folie 23 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Wissenschaftlicher Display-Modus (5/5) DLR.de • Folie 24 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Operationeller Display-Modus (1/5) DLR.de • Folie 25 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Operationeller Display-Modus (2/5) DLR.de • Folie 26 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Operationeller Display-Modus (3/5) DLR.de • Folie 27 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Operationeller Display-Modus (4/5) DLR.de • Folie 28 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Display-Design Operationeller Display-Modus (5/5) DLR.de • Folie 29 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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 test area Quelle: DLR – Inst. für Physik der Atmosphäre • Bestimmung Höhenmesseroffsets in Formation DLR.de • Folie 30 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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 DLR.de • Folie 31 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 VIDEO WEAA-Flugversuchs-Kampagne 2014 DLR.de • Folie 32 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Ergebnisse (generator) Kampagne 2014 encounter distance ~ 4 nm (follower) (generator) (follower) (generator) (follower) (generator) DLR.de • Folie 33 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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 25.1309 System Design and Analysis CS/AMC 25.1322: Flight Crew Alerting u.a.) DLR.de • Folie 34 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 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) DLR.de • Folie 35 WEAA Display > Thomas Immisch > DGLR Workshop Pilotenunterstützung > 27./28.05.2015 Mit freundlicher Unterstützung: Fethi Abdelmoula, Frank Holzäpfel, Sven Oppermann, Ingo Sölch, Carsten Schwarz, Dennis Vechtel
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