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DIVMET - Modellierung von Flugroutenänderungen auf Grund von Gewittern

Autor: Manuela Sauer

Flugroutenplanung unter Berücksichtigung von gefährdendem Wetter

Wetter beeinflusst den Flugverkehr sowohl hinsichtlich der Sicherheit als insbesondere auch unter Effizienzgesichtspunkten. Gefahrenzonen muss ausgewichen werden, um die Sicherheit aller Reisenden und die Funktionalität des Flugzeugs zu gewährleisten. Wettersituationen, in denen ein Ausweichen notwendig wird, sind unter anderem Vereisungsgebiete sowie Regionen, in denen starke Turbulenz auftritt. Turbulenz ist teilweise in wolkenfreien Gebieten der Atmosphäre anzutreffen (sogenannte Clear Air Turbulence, CAT) und deshalb optisch schwer zu detektieren. Zumeist ist sie jedoch anhand von Wolken zu erkennen, in denen Auf- und Abwinde räumlich nah beieinander liegen. Im Fall von Konvektion, in aufquellenden Wolken (Cumuli) und solchen mit großer vertikaler Erstreckung ist Turbulenz besonders stark. Diese Wolken entwickeln sich häufig zu Gewitterwolken, welche sich, sollte es mehrere Wolken geben, zu intensiven Zellen oder Clustern zusammenschließen können. Einhergehend mit starker Turbulenz sind in solchen Gebieten oftmals auch heftige Niederschläge in Form von Regen, Graupel oder Hagel, Blitzschlag, Fallwinde und Vereisung anzutreffen. Ein Umfliegen von Gewittern ist deshalb hinsichtlich mehrerer Faktoren unumgänglich.

 

 

Auswirkungen von Gewitter und Vereisung auf Luftverkehrsteilnehmer

Turbulenz kann im Wesentlichen zu Strukturschäden am Luftfahrzeug und der geladenen Fracht führen und eine Unbequemlichkeit sowie ein Verletzungsrisiko für die Passagiere darstellen. Vereisung kann durch die Akkumulation von Eis hingegen sowohl Strukturveränderungen und eine damit einhergehende veränderte Aerodynamik und Flugperformance mit sich bringen als vor allem eine Beeinträchtigung steuerungsrelevanter Messinstrumente zur Folge haben. Im letzteren Fall liegt es insbesondere in der Hand der Piloten, die Angaben der Instrumente korrekt als möglicherweise falsch zu interpretieren und richtig zu reagieren. Ein bekannter Fall ist der AirFrance Flug AF447 von Rio de Janeiro nach Paris am 31. Mai/01. Juni 2009, der aufgrund einer nicht korrekten Interpretation und folglich unangemessenen Reaktion in einem Absturz über dem Atlantik tragisch endete. Dieses Beispiel wird im Weiteren nochmals aufgegriffen.

Im Folgenden wird auf das Umfliegen von Gewittern fokussiert, da dabei viele andere Faktoren ebenfalls relevant sind.

 

Das Ausweichverhalten von Piloten in der Realität

Um ein Ausweichen einzuleiten müssen verschiedene Voraussetzungen für den Piloten erfüllt sein:

  • Zunächst muss er Kenntnis über die vor ihm befindliche Wettersituation und ihre potentiellen Gefahren besitzen. Abgesehen von einem Wetterbriefing im Vorfeld des Fluges steht dem Piloten en route nur ein eingeschränkter Zugang zu Wetterinformationen zur Verfügung. Neben dem visuellen Erscheinungsbild, das er tagsüber durch den Blick aus den Cockpitfenstern erlangt bleibt ihm zusätzlich, bzw. bei Nacht ausschließlich, sein Bordradar, welches ihm aus Rückstreusignalen ein Bild der Verteilung von Niederschlagspartikeln gibt. Gewitter geben dabei ein besonders starkes Signal. Die Reichweite und der Öffnungswinkel eines solchen Radargeräts sind jedoch begrenzt, sodass etwa ein Gebiet von der aktuellen Position bis etwa 80 NM (je nach Einstellung bis zu 180 NM) mit einem Öffnungswinkel von 120° eingesehen werden kann. Zudem können teilweise Abschattungseffekte auftreten sobald ausgeprägte Zellen bereits das gesamte Signal zurückstreuen oder aber ein geringes Rückstreusignal abfangen. Manche Flugzeuge sind zudem mit einem sogenannten Stormscope ausgestattet, das elektrische Ladung in der Umgebung detektieren kann und so auf potentielle Gefahren durch ein Gewitter oder zumindest intensive Konvektion und Windscherung in der Nähe hinweist.In dem oben bereits angesprochenen Fall des AirFrance Fluges von Rio De Janeiro nach Paris war diese eingeschränkte Informationsverfügbarkeit womöglich der auslösende Faktor, der zum späteren Absturz der Maschine geführt hat. Reanalysen der Wettersituation mit den darübergelegten Flugspuren lassen vermuten, dass ein Ausweichen hätte eingeleitet werden können, wenn weiterreichendere Informationen über die sich vorausbefindlichen Gewitterzellen verfügbar gewesen wären. In dem Moment, als Kenntnis über diese intensiven Zellen erlangt wurde, war das Flugzeug bereits in allen Richtungen von solchen eingekesselt und ein Ausweichen wurde als nicht mehr sinnvoll erachtet, da aufgrund des eingeschränkten Sichtfelds keine Informationen über eine geeignete Route vorlagen.
  • Neben dem bloßen Ausweichen geben internationale Regularien Größenordnungen des einzuhaltenden Abstands zu Gewittern vor. Unterschiede gibt es darin zumeist in der Differenzierung des Sicherheitsabstands. NATS, die Flugsicherung Großbritanniens, gibt im UK Aeronautical Information Circular je nach Fluglevel 10 bis 20 NM an. Die Federal Aviation Administration (FAA) unterscheidet nach Intensität des Gewitters. Die letzte Entscheidung ob überhaupt ausgewichen und welcher Abstand eingehalten wird obliegt jedoch dem Pilotenn
  • Als weiterer, zu beachtender Faktor ist die Abstimmung mit der zuständigen Flugsicherung zu nennen. Ein wetterbedingtes Ausweichen wird, anders als Ausweichmanöver aufgrund von anderen Luftverkehrsteilnehmern, meistens vom Piloten selbst erwägt. Jedes angestrebte Abweichen von der geplanten Route muss jedoch angekündigt und von der Flugsicherung im Hinblick auf den umgebenden Verkehr genehmigt werden. Jede Änderung der Flugrichtung muss ebenfalls kommuniziert werden. Um die Häufigkeit der Kommunikation so gering wie möglich zu halten, wird die Anzahl der Richtungsänderung meistens auf ein Minimum reduziert.

Unter Effizienzgesichtspunkten ist ein Ausweichen möglichst früh einzuleiten, um abrupte Richtungsänderungen und damit verbundene unnötig lange Umwege zu vermeiden. Mit der begrenzten aktuellen Wetterkenntnis aufgrund des eingeschränkten Sichtfelds ist ein frühzeitiges Ausweichen meist nicht möglich. Studien zu einer eventuellen Effizienzsteigerung bei einer Ausweitung der Wetterinformationen im Cockpit wären dementsprechend von Interesse. Dieser und einiger weiterer Fragestellungen wird sich am IMuK gewidmet.

 

 

Entwicklung eines Ausweichalgorithmus – DIVMET – für den Flugverkehr

Abb. 1: Die geplante Flugzeugtrajektorie (grün) von A nach B verläuft durch ein Wetterpolygon (blau), sodass eine Ausweichroute (blau, pink) unter Berücksichtigung des Sicherheitsabstands (rot) bestimmt wird.

Aus den oben genannten Gründen, der Notwendigkeit des Umfliegens von Gewittern, wurde am IMuK ein Modell entwickelt, welches das Ausweichverhalten von Flugzeugen in Gewittersituationen simuliert. DIVMET (divert meteorology) basiert auf einem eigens entwickelten path-finding-Algorithmus MET2ROUTE der sich anhand von Ausweichroutinen, die in ihrer Art insbesondere aus der Robotik bekannt sind, einen Weg durch ein Feld von Gewittern oder anderen Objekten sucht. Für die Routenberechnung wird sich zudem dem Prinzip der konvexen Hülle bedient.
Eine Wettersituation wird in Form von zweidimensionalen Polygonen, sogenannten Wetterobjekten, in die Simulation integriert. Diese Objekte werden entweder generisch erstellt oder aus Radarbildern extrahiert. Ihre zeitliche Entwicklung und Verlagerung im Modell ist dementsprechend von der Updaterate der zugrundeliegenden Wetterdaten abhängig. Eine Projektion in die Zukunft ist derzeit noch nicht implementiert. Jedoch sollen Nowcasts integriert und somit die weitere Entwicklung der vorhandenen Zellen im Modell berücksichtigt werden. Um ebenfalls Sicherheit zu gewähren und den internationalen Vorgaben Folge zu leisten, werden die Wetterobjekte um einen vorzugebenden Sicherheitsabstand vergrößert. Die so erhaltenen neuen Objekte werden im Folgenden als Risikogebiete bezeichnet. Für die Routenberechnung um diese Gebiete werden konkave Bereiche durch die Nutzung der konvexen Hülle aufgefüllt und ein Hineinfliegen vermieden.
Ausgehend von einer geplanten Flugroute wird eine Ausweichroute berechnet, sobald ein Konflikt der aktuellen Route mit einem Wetterobjekt bzw. einem Risikogebiet detektiert wird. Mit dem Ziel, das aktuelle Ausweichverhalten zu reproduzieren wurde mit einem eingeschränkten Sichtfeld begonnen. Analog zur Erscheinung des Radarsichtfeldes kann das Ausmaß (die Reichweite sowie der Öffnungswinkel) im Modell vorgegeben werden. Das bedeutet, das nicht gleich zu Beginn der Simulation das gesamte Wetterfeld auf der geplanten Route bekannt ist, sondern sich während des Fluges stetig erweitert und eine sukzessive Anpassung der Route notwendig werden kann.  Demgegenüber können die Einstellungen ebenfalls so gewählt werden, dass zu jedem Zeitpunkt die vollständigen Wetterinformationen bekannt sind, wodurch der Vorteil ausgeweiteter Wetterinformationen im Cockpit auf die Effizienz des Flugverkehrs untersucht werden kann.
Ausgabeparameter ist in erster Linie die zusätzlich geflogene Wegstrecke. Aus dieser abgeleitet werden ebenfalls Größen wie die zusätzliche Flugzeit, die verbrauchte Treibstoffmenge sowie die Kosten dafür ausgegeben.

 

 

Fragestellungen und Zielsetzungen

  • Entwicklung eines Verständnis der Interaktion zweier Systeme (Wetter und Luftverkehr) basierend auf einem Modellierungsansatz

  • Simulation und Repräsentation des aktuellen Ausweichverhaltens der Luftverkehrsteilnehmer -> Wie gut wird das beobachtete Verhalten wiedergegeben?

  • Identifikation des Effektes erweiterter Wettergefahreninformationen im Cockpit auf die Effizienz des Flugverkehrs

  • Identifikation von Strategien für die Trajektorienplanung (Air Traffic Management, ATM), um dem stochastischen Erscheinungsbild des Wetters und bestimmter Phänomene entgegenzutreten

  • Entwicklung optimaler Strategien zur Routenfindung in unvorhersagbaren Wettersituationen

  • Bereitstellung einer Orientierungshilfe für Fluglotsen und Piloten zur Findung einer effizienten und sicheren Route in einem Feld gefährdenden Wetters

Aktuelle Anwendungen

  • Simulation des an- und abfliegenden Verkehrs am Hong Kong International Airport und Vergleich mit realen Daten

  • Anwendung DIVMETs auf reale geplante Daten im Fall einer Squall Line am 17. Juli 2010 über Österreich und Vergleich mit real geflogenen Daten (Universität Salzburg)

  • Studien zur Veränderung der Kapazität und Verschiebung der Belastung von Luftraumsektoren in Gewittersituationen (Universität Salzburg, Austro Control)

Nicht meteorologisch bedingt, aber dennoch im Flugverkehr zu berücksichtigen und auf gleiche Weise abzubilden, sind Vulkanaschegebiete. Auch das Umfliegen dieser Gebiete kann mit DIVMET berechnet und simuliert werden.

 

Aktuell laufende Abschlussarbeiten mit DIVMET

  • Weiterentwicklung von DIVMET (Ludmila Sakiew, Manuela Sauer, Promotion)
  • Simulation des Flugverkehrs (DIVMET, NAVSIM) für ein Squall Line-Ereignis über Österreich (Patrick Hupe, Masterarbeit)
  • Erste Studien zur Flugzeug-Flugzeug-Konfliktlösung in DIVMET (Kezia Lange, Bachelorarbeit)