Konzeption und Evaluation eines vierdimensionalen Rollführungssystems für Verkehrsflugzeuge

In der letzten Prognose zum Luftfahrtwachstum der Eurocontrol wird eine Erhohung der Flugbewegungen bis 2030 zwischen 70% und 120% ermittelt. Dabei stellen die Flughafen einen klaren Wachstumsdampfer dar: die europaische Organisation erwartet, dass im Jahr 2030 ca. 11% der Nachfrage wegen zu geringer Kapazitaten an Flughafen nicht erfullt werden kann. In diesem Zusammenhang stellt die Optimierung des Bodenverkehrs eine der grosten Herausforderungen fur zukunftige Air Traffic Management Systeme dar. Die angestrebte Optimierung und Neuordnung des Luftverkehrs auf beiden Seiten des Atlantiks beruht auf dem Einsatz von raum- und zeitfesten, vierdimensionalen Trajektorien. In den internationalen Vorhaben NextGen und SESAR ist die Einfuhrung solcher 4D-Trajektorien vom Abflug-Gate bis zum Ankunfts-Gate geplant (Gate-to-Gate Prozess), um den Flugverkehrsfluss in allen Phasen zu optimieren. Eine zentrale Frage ist hierbei wie man sicherstellt, dass die jeweiligen Akteure diese neue Planung so umsetzen, dass die erhofften Verbesserungen des Verkehrsflusses eintreten. Ziel dieser Arbeit war, ein System zur Ubermittlung der notwendigen 4D Information an die Cockpitbesatzung wahrend der Rollphase eines Fluges zu konzipieren und zu validieren. Ausgehend von einer Analyse des Stands der Forschung und Entwicklung wurde ein 4D-Rollfuhrungssystem mittels einer dynamischen Anschaltung der Rollwegbefeuerungselemente der Taxilinie vor dem Flugzeug entlang der Solltrajektorie konzipiert. Dieses System wurde in zwei Ausfuhrungen entworfen: einem informativen Ansatz mit einer reinen Steuerung der Piloten entlang der Trajektorie und einem kooperativen Ansatz bei dem die Piloten in ihren Entscheidungen mithilfe eines Reglers unterstutzt werden. Das prototypisch entwickelte System wurde anschliesend anhand einer zweistufigen Untersuchung evaluiert und validiert. Die erste Reihe von Untersuchungen diente der Identifikation der notwendigen Parameter fur den Regler und wurde in Versuchen mit Copiloten durchgefuhrt. Die zweite Reihe von Untersuchungen erfolgte nach einem 2x3 zweifaktoriellen Versuchsplan mit Messwiederholungen und wurde in Versuchen mit 16 aktiven Kapitanen – die Zielgruppe fur das System – realisiert. Hierbei war der erste Faktor das Vorwissen der Probanden uber das System. Das zweite Faktor war die Art der zeitlichen Fuhrung anhand der Rollwegbefeuerungselemente: ohne Fuhrung (Baseline), mit einer reinen Steuerung (informativer Ansatz) oder mit dem anhand der ersten Untersuchungen ermittelten Regler (kooperativer Ansatz). Die vorgegebenen raumlichen und zeitlichen Trajektorien wurden durchwegs von den Piloten anhand beider Ausfuhrungen des Systems – informativen Ansatz und kooperativen Ansatz – eingehalten. Die Abweichungen zur Sollposition an jedem gegebenen Zeitpunkt entlang der Rolltrajektorien blieben fur alle Versuche zwischen +400 und -200 Metern. Durch das konzipierte System, das bewusst die Risiken einer Vollautomatisierung durch den Einbezug des Piloten fur die Ausfuhrung der Rollaufgabe vermeidet, wird die Sicherheit des Flugzeugs und des Flughafens wahrend der 4D-Rollphase nicht gefahrdet. Hinzu wurden die zwei Sicherheitsfaktoren – Situationsbewusstsein und Beanspruchung – gezielt wahrend der Versuche untersucht. Um die Akzeptanz der Piloten fur den moglichen Einsatz eines solchen Systems zu erhohen, ist eine Untersuchung der Gebrauchstauglichkeit unabdingbar. Das System wurde durchwegs als geeignet fur die Aufgabe eingeschatzt und die Benutzbarkeit positiv bewertet. Die erreichte Einhaltung der Trajektorie auch ohne Vorwissen durch den Probanden in den ersten Versuchen zeugt ebenfalls von einer hohen Intuitivitat und somit Gebrauchstauglichkeit des Systems.