AUTOFLY-Aid: Flight Deck Automation Support with Dynamic 4D Trajectory Management for Responsive and Adaptive Airborne Collision Avoidance

AUTOFLY-Aid Project aims to develop and demonstrate novel automation support algorithms and tools to the flight crew for flight critical collision avoidance using “dynamic 4D trajectory management”. The automation support system is envisioned to improve the primary shortcomings of TCAS, and to aid the pilot through add-on avionics/head-up displays and reality augmentation devices in dynamically evolving collision avoidance scenarios. The main theoretical innovative and novel concepts to be developed by AUTOFLY-Aid project are a) design and development of the mathematical models of the full composite airspace picture from the flight deck’s perspective, as seen/measured/informed by the aircraft flying in SESAR 2020, b) design and development of a dynamic trajectory planning algorithm that can generate at real-time (on the order of seconds) flyable (i.e. dynamically and performance-wise feasible) alternative trajectories across the evolving stochastic composite airspace picture (which includes new conflicts, blunder risks, terrain and weather limitations) and c) development and testing of the Collision Avoidance Automation Support System on a Boeing 737 NG FNPT II Flight Simulator with synthetic vision and reality augmentation while providing the flight crew with quantified and visual understanding of collision risks in terms of time and directions and countermeasures.

Prototype of EN 301 549 Decision tree

The new European Standard EN 301 549 “Accessibility requirements suitable for public procurement of ICT products and services in Europe” is the response by CEN, CENELEC and ETSI to the European Commission’s Mandate 376. Today, ICT products and services are converging, and the boundaries between product categories are being constantly blurred. For that reason EN 301 549 has been drafted using a feature-based approach, instead of being based on product categories. The result is a standard that can be applied to any ICT product and service, by identifying applicable requirements depending on the features of the ICT. This demonstration presents ongoing work at the research group CETTICO of the Technical University of Madrid. CETTICO is developing a workgroup-based support tool where teams of people can annotate the result of performing a conformity assessment of a given ICT product or service according to the requirements of the EN. One of the functions of the tool is creating evaluation projects. During that task the user defines the features of the corresponding ICT product or service by answering questions presented by the tool. As a result of this process, the tool will create a list of applicable requirements and recommendations.

Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

La participación de los jóvenes universitarios en la planificación urbana. Estudios de caso de Lisboa, Madrid y Fortaleza

La participación de los jóvenes en los procesos de planificación urbana en Lisboa, Madrid y Fortaleza ha sido tema central de la presente tesis. Los principales objetivos perseguidos consisten en: caracterizar y analizar críticamente las dimensiones más importantes de la participación de jóvenes universitarios en los procesos participativos; aportar características de interés juvenil para un “modelo” de planificación urbana; elaborar directrices para el diseño de actuaciones en un proceso urbano participativo desde la perspectiva de los jóvenes; establecer el alcance de un instrumento urbano participativo reglamentado por el gobierno local entre los jóvenes; determinar si la percepción de los jóvenes universitarios acerca de las acciones del gobierno local tiene influencia en los procesos participativos. El universo estadístico de la muestra lo conforman la totalidad de 737 jóvenes universitarios encuestados en Lisboa, Madrid y Fortaleza. Que se distribuye en 104 encuestados en Lisboa, 329 en Madrid, y 304 en la ciudad de Fortaleza. El cuestionario contiene preguntas: abiertas, cerradas y mixtas. La mayor parte de las cuestiones son cerradas, y en cuanto a las opciones de respuesta: en muchas preguntas se ha aplicado, una escala tipo Likert, entre 1 y 4, siendo 4 el grado más alto (totalmente de acuerdo), y 1 el grado más bajo (nada de acuerdo), y para otras, una opción múltiple, con solamente una opción de respuesta. Se realizó un cuestionario de 31 preguntas en Lisboa, y tras su aplicación y obtención de resultados se revisó y mejoró obteniendo un cuestionario de 23 preguntas que fue aplicado en Madrid y Fortaleza. Se realizan análisis descriptivos, y algún análisis factorial en diversas preguntas del cuestionario, y se estudian diferencias en función de las variables sociodemográficas planteadas. Los resultados constatan que es muy baja la participación en los procesos institucionalizados por el gobierno local, en contrapartida es bastante alta en los procesos organizados por los ciudadanos. La información limita la participación de los jóvenes y ya que estos reconocen como motivación estar más y mejor informados y controlar y acompañar las acciones de su gobierno local. Por otra parte, desean participar en grupo en foros y debates presenciales. Los jóvenes madrileños consideran que las etapas más importantes en un proceso urbano participativo son: información, seguimiento y evaluación, mientras que para los jóvenes de Fortaleza son: Fiscalización, concienciación e información. Se ha verificado que desde la percepción de los jóvenes de Lisboa los ciudadanos son consultados en los procesos urbanos participativos y de acuerdo con los jóvenes de Madrid y Fortaleza los ciudadanos son dirigidos, influenciados y manipulados. Los problemas de carácter urbano no tienen una conceptualización clara y precisa entre los jóvenes universitarios y los problemas urbanos que más afectan la vida de los jóvenes universitarios son aparcamientos, contaminación y seguridad urbana. Sin embargo, los transportes son apuntados por los jóvenes universitarios de Lisboa, Madrid y Fortaleza. Además no saben identificar los problemas de su barrio. Así como de las causas y consecuencias y soluciones de los problemas urbanos. Eligen como mejor estrategia para desarrollar un proceso urbano participativo el acuerdo entre técnicos, población y el gobierno local. Los jóvenes universitarios de Fortaleza apuntan directrices para una planificación urbana con énfasis en la seguridad urbana, la sostenibilidad y la investigación, tecnología e innovación. Por otro lado, los jóvenes universitarios de Madrid perfilan tres “modelos” de planificación urbana: un “Modelo” socio-económica, un “Modelo” sostenible e innovadora y un “Modelo” de Planificación Urbana con énfasis en espacios públicos, entretenimiento, seguridad urbana y deporte. Los jóvenes universitarios rechazan la idea que la planificación urbana lleva en cuenta sus perspectivas y opiniones. Respeto al Presupuesto Participativo, el alcance de dicho proceso entre los jóvenes universitarios es extremamente bajo. Sin embargo, opinan que la aproximación entre ciudadanos, técnicos y gobierno en los procesos de Presupuesto Participativo mejora la rendición de cuentas. Además los jóvenes creen que dichos procesos conceden un poder moderado a los ciudadanos, y consideran que el poder concedido en los procesos urbanos influye directamente en el interés y empeño en participar. ABSTRACT Youth participation in urban planning processes in Lisbon, Madrid and Fortaleza is the main subject of this thesis. Our key goals are the following: characterising and critically analysing the most important dimensions of young university students’ participation in participative processes; providing features of interest for the young for an urban planning “model”; developing a variety of guidelines for designing actions in a participative urban process from the perspective of young people; analysing the impact upon the young of a participative urban instrument implemented by the local government; determining whether young university students’ perception of local government actions influences participative processes. The statistical universe of the sample comprises a total of 737 young university students who were surveyed in Lisbon, Madrid and Fortaleza, distributed as follows: 104 respondents in Lisbon, 329 in Madrid, and 304 in Fortaleza. The survey is made up of open-ended, closed-ended and mixed questions. Most questions are closed-ended. Regarding the answer options, a Likert-type scale has been used in many questions. The scale ranges from 1 to 4, 4 being the highest value (completely agree) and 1 the lowest (completely disagree). Besides, there are multiple-choice questions with only one possible answer. A 31- question survey was conducted in Lisbon. After the survey was run and the results were obtained, it was reviewed and improved. The improved version was a 23- question survey which was conducted in Madrid and Fortaleza. Descriptive analyses as well as some factorial analyses are carried out in several questions, and differences are studied depending on the socio-demographic variables involved. The results show that participation in processes implemented by local governments is very low. In contrast, participation is quite high in processes organised by citizens. Information limits youth participation, as young people point out that they are motivated by more and better information and by the possibility of monitoring and keeping track of their local government actions. They also wish to take part in face-to-face group forums and discussions. Young people from Madrid think that the most important stages in participative urban processes are information, follow-up and assessment, whereas young people from Fortaleza highlight tax matters, awareness and information. It has been confirmed that Lisbon youth perceive that citizens are consulted in participative urban processes. Youth from Madrid and Fortaleza, on the other hand, state that citizens are directed, influenced and manipulated. Young university students do not have a clear, precise concept of urban problems. Among these, they are most affected by car parks, pollution and urban safety, but the transport problem is pointed out by young university students from Lisbon, Madrid and Fortaleza. Furthermore, they cannot identify the problems in their neighbourhoods, nor are they able to specify the causes, consequences and solutions of urban problems. Their preferred strategy for developing a participative urban process is an agreement between technicians, the population and the local government. Young university students from Fortaleza suggest guidelines for an urban planning approach emphasising urban safety, sustainability and research, technology and innovation. Those from Madrid, for their part, outline three urban planning “models”: a socioeconomic “model”, a sustainable and innovative “model”, and an urban planning “model” with a focus on public areas, entertainment, urban safety and sport. Young university students disagree that urban planning takes their perspectives and views into account. Moreover, the impact of the Participative Budget upon their lives is extremely low. In their opinion, however, closer collaboration between citizens, technicians and governments in Participative Budget processes promotes accountability. The young also think that these processes give moderate power to citizens, and in their view the power that can be exerted in urban processes directly influences the interest in participating and the will to do so.