Definition of a methodology for the computation and application of a variable separation minima between aircraft in an en-route environment
Authors:   , Serrano Mira Lidia 
Published: July 2024

The air transport system is expected to experience a continued increase in the number of movements. The current focus is to address the capacity shortage to handle forecasted demand with enough margin. Although forecasts are long-term, Air Traffic Management (ATM) is adopting strategic solutions to meet future challenges.

This increase in capacity requires research, development and implementation of new concepts and technologies. The Single European Sky ATM Research (SESAR) program proposes research into various solutions in different areas. One of the factors related to airspace capacity is separation minima. Technological advances are opening new horizons, especially in this field. This encourages to explore the evolution of the separation minima, whose values were determined decades ago. In this dissertation a new separation mode, Ad Hoc separation, is proposed and developed.

The Ad Hoc separation concept refers to the application of different separation minima values between aircraft flying in the same volume of airspace. These separation minima depend on certain factors such as the model, mass and speed of the aircraft, the flight level, the encounter geometry, the avoidance manoeuvre, the prevailing wind conditions and the human factor. This concept entails the reduction of current separation values whenever it is safe to do so.

The goal of this dissertation is to develop a methodology for the determination of the Ad Hoc separation and to evaluate its impact on an en-route scenario. Based on the hypothesis that it will be possible to define new separation values, this dissertation aims to answer three questions:

Under which situations is it possible to define new separation minima values lower than the current ones?

What would be the mode of operation in a scenario where the Ad Hoc separation minima concept is applied?

Which benefits does this concept bring to a scenario?

For this purpose, the operational concept of the Ad Hoc separation is defined and a model for its determination is proposed. The new separation minima are calculated in the horizontal dimension from a collision risk model developed for this purpose and through Montecarlo simulations. The results obtained for the LECMZMU sector (Madrid Area Control Centre, ACC) show that for small encounter geometries (below 56) it is safe to reduce the separation minima to 4NM (Nautical Miles) or 3NM. Subsequently the concept is applied in the LECMZMU en-route sector in order to obtain the requirements to maintain the current safety levels. The results show that it is necessary to halve the probability of loss of separation per flight hour.

A key element for the implementation of this concept is the Air Traffic Control support tool called Ad Hoc Separation Minima Tool (ASMT) because the Air Traffic Control Officers (ATCO) are unable to mentally calculate the Ad Hoc separation minima to be applied between each aircraft pair. Thus, the ASMT displays to the ATCO these values. In addition, it includes conflict detection and resolution functionalities adapted to this concept. Its architecture and a prototype are presented.

Finally, this dissertation concludes with an analysis of the impact of applying this concept in a scenario in terms of capacity, environment and airspace user cost-efficiency. For this purpose, fast time simulations are performed. This impact is studied in the LECMZMU, LECMTLU and LECMDGU sectors (Madrid ACC). The capacity results show an increase of about one aircraft per flight hour due to the application of this concept alongside the ASMT tool. Regarding the environmental and cost-efficiency outcomes, they are barely significant, but still favour the system. The benefits could be more substantial by applying the concept in larger scenarios (such as ACC) rather than in isolated sectors.

RESUMEN

En el sistema de transporte aéreo se espera un aumento continuo del número de movimientos. La meta actual es abordar la escasez de capacidad para gestionar la demanda esperada con margen suficiente. Aunque las previsiones son a largo plazo, en la gestión del tránsito aéreo se adoptan soluciones estratégicas para enfrentar desafíos futuros.

Este incremento en capacidad requiere la investigación, desarrollo e implementación de nuevos conceptos y tecnologías. El programa europeo SESAR propone la investigación de varias soluciones. La mínima de separación es un factor relacionado con la capacidad. Avances tecnológicos abren nuevos horizontes, especialmente en este campo. Esto anima a explorar la evolución de la separación mínima, cuyos valores fueron determinados hace décadas. En esta tesis doctoral se propone y desarrolla un nuevo modo de separación, la separación Ad Hoc.

El concepto de la separación Ad Hoc hace referencia a la aplicación de diferentes valores de separación mínima entre aeronaves que vuelan en el mismo volumen de espacio aéreo. Estas mínimas de separación dependen de ciertos factores como son el modelo, masa y velocidad de las aeronaves, el nivel de vuelo, la geometría del encuentro, la maniobra de evasión, las condiciones de viento o el factor humano. Este concepto conlleva la reducción de los valores de separación actuales siempre que ello sea seguro.

El objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar una metodología para la determinación de la separación Ad Hoc y evaluar su impacto en un escenario de ruta. Partiendo de la hipótesis de que será posible definir nuevos valores de separación, se pretende dar respuesta a tres preguntas:

¿En qué situaciones es posible definir nuevos valores de separación mínima inferiores a los actuales?

¿Cómo sería el modo de operación en un escenario en el que la separación Ad Hoc estuviera implementada?

¿Qué beneficios aporta este concepto a un escenario?

Para ello, se define el concepto de operación de la separación Ad Hoc y se propone un modelo para su determinación. Las nuevas mínimas de separación son calculadas en la dimensión horizontal a partir de un modelo de riesgo de colisión desarrollado para este fin y por medio de simulaciones de Montecarlo. Los resultados obtenidos para el sector LECMZMU (ACC Madrid) demuestran que para geometrías de encuentro pequeñas (inferiores a 56) sí es seguro reducir la mínima de separación a 4NM o 3NM. Posteriormente el concepto es aplicado en el sector de ruta LECMZMU con el fin de obtener los requisitos para mantener los niveles de seguridad actuales. Se obtiene que es necesario reducir a la mitad la probabilidad de pérdida separación por hora de vuelo.

Un elemento clave para la implementación de este concepto es la herramienta de apoyo al Control de Tráfico Aéreo denominada ASMT, como consecuencia de que el ATCO es incapaz de calcular mentalmente la mínima de separación Ad Hoc a aplicar entre cada par de aeronaves. Así, la ASMT muestra al ATCO estos valores. Además, incluye funcionalidades de detección y resolución de conflictos adaptados a este concepto. Su arquitectura y un prototipo de herramienta son expuestos.

Finalmente, esta tesis concluye con un análisis del impacto que tendría la aplicación de este concepto en un escenario de ruta en términos de capacidad, impacto medioambiental y eficiencia de costes para el usuario del espacio aéreo. Para ello, se realizan simulaciones en tiempo acelerado. Este impacto se estudia en los sectores LECMZMU, LECMTLU y LECMDGU (ACC Madrid). Los resultados obtenidos en cuanto a capacidad ponen de manifiesto un aumento aproximado de una aeronave/hora de vuelo, como consecuencia de la aplicación de la separación Ad Hoc junto con la herramienta ASMT. En cuanto a medioambiente y eficiencia de costes los resultados son de menor magnitud, aunque positivos para el sistema. Los beneficios serían mayores si el concepto se implementase en escenarios más grandes (ACC), en lugar de en sectores aislados.