Ein Modell zur stochastischen Vorhersage des Flugwegs von Sichtflügen

Zusammenfassung
Aktuelle Verkehrswarnsysteme in der Luftfahrt stützen ihre Vorhersage auf einfache
Modelle, die häufig den Flugweg lediglich linear extrapolieren. Aus diesem Grunde
sind Vorhersagen nur für kurze Zeiträume möglich und die Warnmeldungen ermöglichen
lediglich das Vermeiden einer Kollision, nicht aber die taktische Anpassung des
Flugweges, bevor es überhaupt zu Konflikten kommt. Während für dieses Problem bei
Instrumentenflügen im kommerziellen Luftverkehr bereits Lösungen vorgeschlagen
wurden, sind diese für Flüge unter Sichtflugregeln nicht anwendbar, da er anderen
Regeln und Gesetzmäßigkeiten folgt.
Diese Arbeit widmet sich diesem Problem und stellt zunächst die Eigenschaften
dieser beiden Flugarten dar. Dies beinhaltet gesetzliche Vorgaben für Luftraumnutzung
und Flugplanung sowie vorgeschriebene Ausrüstung im Luftfahrzeug und die
entsprechenden Flugprofile von Sichtflugpiloten. Um eine Datenbasis für die Modellierung
zu erhalten wurde eine Pilotenbefragung durchgeführt. Die Arbeit analysiert
Ergebnisse und stellt mit Hilfe der ermittelten Aussagen einen Zusammenhang zwischen
Luftraumabständen und der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Piloten in diesem
Bereich her. Dieser Zusammenhang wird genutzt um gemeinsam mit einem Ein-Punkt-
Flugleistungsmodell und der stochastischen Manöverbeschreibung die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
im Luftraum basierend auf dem aktuellen Flugzustand im Modell
zu berechnen.
Um die Modelleigenschaften zu demonstrieren, wurde ein Simulatorversuch mit
Probanden entwickelt. In diesem Versuch wird den Piloten eine Flugaufgabe gestellt,
die den Vorbeiflug an Lufträumen beinhaltet. Ausgewählte Flugwege werden mit dem
Modell simuliert und die Ergebnisse den Flugversuchen gegenübergestellt. Die Auswertung
zeigt für die ausgewählten Fälle, dass das Modell tauglich ist den Flugweg auch in
Situationen vorherzusagen, in denen eine lineare Extrapolation versagt hätte. Jedoch
zeigt das Ergebnis auch, dass das Modell noch nicht für alle Fälle eine Vorhersage mit
geringer Streuung berechnen kann. Deshalb stellt die Arbeit einen Vergleichsparameter
vor, mit dem die Vorhersagestreuung illustriert wird, und diskutiert abschließend
mögliche Verbesserungsmaßnahmen für die Modellumsetzung.

Abstract
Current Traffic Awareness Systems in aviation base their prediction on simple models
which often only extrapolate the flight path. Therefore, predicitions are only valid for a
short time frame and warnings can only be issued to avoid collisions but not to make
tactical adjustments of the flight path. While solutions of the problem for commercial
air traffic have been proposed, due to divergent regulations and behaviour they are not
applicable for visual flights.
This thesis focusses on that problem and initially shows both types of flight rules. This
includes legal requirements for airspace use and flightplanning as well as mandatory
carried equipment and flight profiles of pilots flying under visual flight rules. To create
a valid basis of data for modelling a pilot survey was conducted. The thesis analyses the
results and connects airspace distance with area probabilities. This connection is used
with a single point flight performance model and a stochastic manouvre description to
calculate the area probabilities in the airspace based on the current flight state vector.
To demonstrate the model characteristics, a simulator study with test persons has
been developed. The task in this study includes the passing of airspaces. Selected flight
pathes are simulated with the model and the results are compared to the flight trials. For
the selected cases, the evaluation shows that the model is capable of predicting the flight
path in cases when a linear extrapolation would fail. Nevertheless it also shows that the
variation of the result is not equally low in all cases. Therefore, a comparison parameter
is introduced which illustrates the prediction variation and potential improvements for
the model are discussed.