Real-time determination of airspace wind speed field based on FDR = Determinación en tiempo real del campo de velocidad del viento basado en registradores de datos de vuelo

El estudio del comportamiento de la atmósfera ha resultado de especial importancia tanto en el programa SESAR como en NextGen, en los que la gestión actual del tránsito aéreo (ATM) está experimentando una profunda transformación hacia nuevos paradigmas tanto en Europa como en los EE.UU., respectivamente, para el guiado y seguimiento de las aeronaves en la realización de rutas más eficientes y con mayor precisión. La incertidumbre es una característica fundamental de los fenómenos meteorológicos que se transfiere a la separación de las aeronaves, las trayectorias de vuelo libres de conflictos y a la planificación de vuelos. En este sentido, el viento es un factor clave en cuanto a la predicción de la futura posición de la aeronave, por lo que tener un conocimiento más profundo y preciso de campo de viento reducirá las incertidumbres del ATC. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva técnica operativa y útil destinada a proporcionar de forma adecuada y directa el campo de viento atmosférico en tiempo real, basada en datos de a bordo de la aeronave, con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de las aeronaves. Para lograr este objetivo se ha realizado el siguiente trabajo. Se han descrito y analizado los diferentes sistemas de la aeronave que proporcionan las variables necesarias para obtener la velocidad del viento, así como de las capacidades que permiten la presentación de esta información para sus aplicaciones en la gestión del tráfico aéreo. Se ha explorado el uso de aeronaves como los sensores de viento en un área terminal para la estimación del viento en tiempo real con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de aeronaves. Se han desarrollado métodos computacionalmente eficientes para estimar las componentes horizontales de la velocidad del viento a partir de las velocidades de las aeronaves (VGS, VCAS/VTAS), la presión y datos de temperatura. Estos datos de viento se han utilizado para estimar el campo de viento en tiempo real utilizando un sistema de procesamiento de datos a través de un método de mínima varianza. Por último, se ha evaluado la exactitud de este procedimiento para que esta información sea útil para el control del tráfico aéreo. La información inicial proviene de una muestra de datos de Registradores de Datos de Vuelo (FDR) de aviones que aterrizaron en el aeropuerto Madrid-Barajas. Se dispuso de datos de ciertas aeronaves durante un periodo de más de tres meses que se emplearon para calcular el vector viento en cada punto del espacio aéreo. Se utilizó un modelo matemático basado en diferentes métodos de interpolación para obtener los vectores de viento en áreas sin datos disponibles. Se han utilizado tres escenarios concretos para validar dos métodos de interpolación: uno de dos dimensiones que trabaja con ambas componentes horizontales de forma independiente, y otro basado en el uso de una variable compleja que relaciona ambas componentes. Esos métodos se han probado en diferentes escenarios con resultados dispares. Esta metodología se ha aplicado en un prototipo de herramienta en MATLAB © para analizar automáticamente los datos de FDR y determinar el campo vectorial del viento que encuentra la aeronave al volar en el espacio aéreo en estudio. Finalmente se han obtenido las condiciones requeridas y la precisión de los resultados para este modelo. El método desarrollado podría utilizar los datos de los aviones comerciales como inputs utilizando los datos actualmente disponibles y la capacidad computacional, para proporcionárselos a los sistemas ATM donde se podría ejecutar el método propuesto. Estas velocidades del viento calculadas, o bien la velocidad respecto al suelo y la velocidad verdadera, se podrían difundir, por ejemplo, a través del sistema de direccionamiento e informe para comunicaciones de aeronaves (ACARS), mensajes de ADS-B o Modo S. Esta nueva fuente ayudaría a actualizar la información del viento suministrada en los productos aeronáuticos meteorológicos (PAM), informes meteorológicos de aeródromos (AIRMET), e información meteorológica significativa (SIGMET). ABSTRACT The study of the atmosphere behaviour is been of particular importance both in SESAR and NextGen programs, where the current air traffic management (ATM) system is undergoing a profound transformation to the new paradigms both in Europe and the USA, respectively, to guide and track aircraft more precisely on more efficient routes. Uncertainty is a fundamental characteristic of weather phenomena which is transferred to separation assurance, flight path de-confliction and flight planning applications. In this respect, the wind is a key factor regarding the prediction of the future position of the aircraft, so that having a deeper and accurate knowledge of wind field will reduce ATC uncertainties. The purpose of this thesis is to develop a new and operationally useful technique intended to provide adequate and direct real-time atmospheric winds fields based on on-board aircraft data, in order to improve aircraft trajectory prediction. In order to achieve this objective the following work has been accomplished. The different sources in the aircraft systems that provide the variables needed to derivate the wind velocity have been described and analysed, as well as the capabilities which allow presenting this information for air traffic management applications. The use of aircraft as wind sensors in a terminal area for real-time wind estimation in order to improve aircraft trajectory prediction has been explored. Computationally efficient methods have been developed to estimate horizontal wind components from aircraft velocities (VGS, VCAS/VTAS), pressure, and temperature data. These wind data were utilized to estimate a real-time wind field using a data processing approach through a minimum variance method. Finally, the accuracy of this procedure has been evaluated for this information to be useful to air traffic control. The initial information comes from a Flight Data Recorder (FDR) sample of aircraft landing in Madrid-Barajas Airport. Data available for more than three months were exploited in order to derive the wind vector field in each point of the airspace. Mathematical model based on different interpolation methods were used in order to obtain wind vectors in void areas. Three particular scenarios were employed to test two interpolation methods: a two-dimensional one that works with both horizontal components in an independent way, and also a complex variable formulation that links both components. Those methods were tested using various scenarios with dissimilar results. This methodology has been implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyse FDR and determine the wind vector field that aircraft encounter when flying in the studied airspace. Required conditions and accuracy of the results were derived for this model. The method developed could be fed by commercial aircraft utilizing their currently available data sources and computational capabilities, and providing them to ATM system where the proposed method could be run. Computed wind velocities, or ground and true airspeeds, would then be broadcasted, for example, via the Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS), ADS-B out messages, or Mode S. This new source would help updating the wind information furnished in meteorological aeronautical products (PAM), meteorological aerodrome reports (AIRMET), and significant meteorological information (SIGMET).

Sustainable Air Traffic Management System Development Methodology

As it is defined in ATM 2000+ Strategy (Eurocontrol 2001), the mission of the Air Traffic Management (ATM) System is: “For all the phases of a flight, the ATM system should facilitate a safe, efficient, and expedite traffic flow, through the provision of adaptable ATM services that can be dimensioned in relation to the requirements of all the users and areas of the European air space. The ATM services should comply with the demand, be compatible, operate under uniform principles, respect the environment and satisfy the national security requirements.” The objective of this paper is to present a methodology designed to evaluate the status of the ATM system in terms of the relationship between the offered capacity and traffic demand, identifying weakness areas and proposing solutions. The first part of the methodology relates to the characterization and evaluation of the current system, while a second part proposes an approach to analyze the possible development limit. As part of the work, general criteria are established to define the framework in which the analysis and diagnostic methodology presented is placed. They are: the use of Air Traffic Control (ATC) sectors as analysis unit, the presence of network effects, the tactical focus, the relative character of the analysis, objectivity and a high level assessment that allows assumptions on the human and Communications, Navigation and Surveillance (CNS) elements, considered as the typical high density air traffic resources. The steps followed by the methodology start with the definition of indicators and metrics, like the nominal criticality or the nominal efficiency of a sector; scenario characterization where the necessary data is collected; network effects analysis to study the relations among the constitutive elements of the ATC system; diagnostic by means of the “System Status Diagram”; analytical study of the ATC system development limit; and finally, formulation of conclusions and proposal for improvement. This methodology was employed by Aena (Spanish Airports Manager and Air Navigation Service Provider) and INECO (Spanish Transport Engineering Company) in the analysis of the Spanish ATM System in the frame of the Spanish airspace capacity sustainability program, although it could be applied elsewhere.

Commonalities between networking in multiplayer computer games and negotiation processes in a future multi-layered Air Traffic Management (ATM) system

First, this paper describes a future layered Air Traffic Management (ATM) system centred in the execution phase of flights. The layered ATM model is based on the work currently performed by SESAR [1] and takes into account the availability of accurate and updated flight information ?seen by all? across the European airspace. This shared information of each flight will be referred as Reference Business Trajectory (RBT). In the layered ATM system, exchanges of information will involve several actors (human or automatic), which will have varying time horizons, areas of responsibility and tasks. Second, the paper will identify the need to define the negotiation processes required to agree revisions to the RBT in the layered ATM system. Third, the final objective of the paper is to bring to the attention of researchers and engineers the communalities between multi-player games and Collaborative Decision Making processes (CDM) in a layered ATM system

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.

Development of a 3-Dimensional Mathematical Collision Risk Model Based on Recorded Aircraft Trajectories to Estimate the Safety Level in High Density En-Route Airspaces

Como en todos los medios de transporte, la seguridad en los viajes en avión es de primordial importancia. Con los aumentos de tráfico aéreo previstos en Europa para la próxima década, es evidente que el riesgo de accidentes necesita ser evaluado y monitorizado cuidadosamente de forma continúa. La Tesis presente tiene como objetivo el desarrollo de un modelo de riesgo de colisión exhaustivo como método para evaluar el nivel de seguridad en ruta del espacio aéreo europeo, considerando todos los factores de influencia. La mayor limitación en el desarrollo de metodologías y herramientas de monitorización adecuadas para evaluar el nivel de seguridad en espacios de ruta europeos, donde los controladores aéreos monitorizan el tráfico aéreo mediante la vigilancia radar y proporcionan instrucciones tácticas a las aeronaves, reside en la estimación del riesgo operacional. Hoy en día, la estimación del riesgo operacional está basada normalmente en reportes de incidentes proporcionados por el proveedor de servicios de navegación aérea (ANSP). Esta Tesis propone un nuevo e innovador enfoque para evaluar el nivel de seguridad basado exclusivamente en el procesamiento y análisis trazas radar. La metodología propuesta ha sido diseñada para complementar la información recogida en las bases de datos de accidentes e incidentes, mediante la provisión de información robusta de los factores de tráfico aéreo y métricas de seguridad inferidas del análisis automático en profundidad de todos los eventos de proximidad. La metodología 3-D CRM se ha implementado en un prototipo desarrollado en MATLAB © para analizar automáticamente las trazas radar y planes de vuelo registrados por los Sistemas de Procesamiento de Datos Radar (RDP) e identificar y analizar todos los eventos de proximidad (conflictos, conflictos potenciales y colisiones potenciales) en un periodo de tiempo y volumen del espacio aéreo. Actualmente, el prototipo 3-D CRM está siendo adaptado e integrado en la herramienta de monitorización de prestaciones de Aena (PERSEO) para complementar las bases de accidentes e incidentes ATM y mejorar la monitorización y proporcionar evidencias de los niveles de seguridad. ABSTRACT As with all forms of transport, the safety of air travel is of paramount importance. With the projected increases in European air traffic in the next decade and beyond, it is clear that the risk of accidents needs to be assessed and carefully monitored on a continuing basis. The present thesis is aimed at the development of a comprehensive collision risk model as a method of assessing the European en-route risk, due to all causes and across all dimensions within the airspace. The major constraint in developing appropriate monitoring methodologies and tools to assess the level of safety in en-route airspaces where controllers monitor air traffic by means of radar surveillance and provide aircraft with tactical instructions lies in the estimation of the operational risk. The operational risk estimate normally relies on incident reports provided by the air navigation service providers (ANSPs). This thesis proposes a new and innovative approach to assessing aircraft safety level based exclusively upon the process and analysis of radar tracks. The proposed methodology has been designed to complement the information collected in the accident and incident databases, thereby providing robust information on air traffic factors and safety metrics inferred from the in depth assessment of proximate events. The 3-D CRM methodology is implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyze recorded aircraft tracks and flight plan data from the Radar Data Processing systems (RDP) and identify and analyze all proximate events (conflicts, potential conflicts and potential collisions) within a time span and a given volume of airspace. Currently, the 3D-CRM prototype is been adapted and integrated in AENA’S Performance Monitoring Tool (PERSEO) to complement the information provided by the ATM accident and incident databases and to enhance monitoring and providing evidence of levels of safety.

Regression analysis of top of descent location for idle-thrust descents

In this paper, multiple regression analysis is used to model the top of descent (TOD) location of user-preferred descent trajectories computed by the flight management system (FMS) on over 1000 commercial flights into Melbourne, Australia. In addition to recording TOD, the cruise altitude, final altitude, cruise Mach, descent speed, wind, and engine type were also identified for use as the independent variables in the regression analysis. Both first-order and second-order models are considered, where cross-validation, hypothesis testing, and additional analysis are used to compare models. This identifies the models that should give the smallest errors if used to predict TOD location for new data in the future. A model that is linear in TOD altitude, final altitude, descent speed, and wind gives an estimated standard deviation of 3.9 nmi for TOD location given the trajectory parame- ters, which means about 80% of predictions would have error less than 5 nmi in absolute value. This accuracy is better than demonstrated by other ground automation predictions using kinetic models. Furthermore, this approach would enable online learning of the model. Additional data or further knowledge of algorithms is necessary to conclude definitively that no second-order terms are appropriate. Possible applications of the linear model are described, including enabling arriving aircraft to fly optimized descents computed by the FMS even in congested airspace.

Analysis of the geometric altimetry to support aircraft optimal trajectories within the future 4d trajectory management

Over the past few years, the common practice within air traffic management has been that commercial aircraft fly by following a set of predefined routes to reach their destination. Currently, aircraft operators are requesting more flexibility to fly according to their prefer- ences, in order to achieve their business objectives. Due to this reason, much research effort is being invested in developing different techniques which evaluate aircraft optimal trajectory and traffic synchronisation. Also, the inefficient use of the airspace using barometric altitude overall in the landing and takeoff phases or in Continuous Descent Approach (CDA) trajectories where currently it is necessary introduce the necessary reference setting (QNH or QFE). To solve this problem and to permit a better airspace management born the interest of this research. Where the main goals will be to evaluate the impact, weakness and strength of the use of geometrical altitude instead of the use of barometric altitude. Moreover, this dissertation propose the design a simplified trajectory simulator which is able to predict aircraft trajectories. The model is based on a three degrees of freedom aircraft point mass model that can adapt aircraft performance data from Base of Aircraft Data, and meteorological information. A feature of this trajectory simulator is to support the improvement of the strategic and pre-tactical trajectory planning in the future Air Traffic Management. To this end, the error of the tool (aircraft Trajectory Simulator) is measured by comparing its performance variables with actual flown trajectories obtained from Flight Data Recorder information. The trajectory simulator is validated by analysing the performance of different type of aircraft and considering different routes. A fuel consumption estimation error was identified and a correction is proposed for each type of aircraft model. In the future Air Traffic Management (ATM) system, the trajectory becomes the fundamental element of a new set of operating procedures collectively referred to as Trajectory-Based Operations (TBO). Thus, governmental institutions, academia, and industry have shown a renewed interest for the application of trajectory optimisation techniques in com- mercial aviation. The trajectory optimisation problem can be solved using optimal control methods. In this research we present and discuss the existing methods for solving optimal control problems focusing on direct collocation, which has received recent attention by the scientific community. In particular, two families of collocation methods are analysed, i.e., Hermite-Legendre-Gauss-Lobatto collocation and the pseudospectral collocation. They are first compared based on a benchmark case study: the minimum fuel trajectory problem with fixed arrival time. For the sake of scalability to more realistic problems, the different meth- ods are also tested based on a real Airbus 319 El Cairo-Madrid flight. Results show that pseudospectral collocation, which has shown to be numerically more accurate and computa- tionally much faster, is suitable for the type of problems arising in trajectory optimisation with application to ATM. Fast and accurate optimal trajectory can contribute properly to achieve the new challenges of the future ATM. As atmosphere uncertainties are one of the most important issues in the trajectory plan- ning, the final objective of this dissertation is to have a magnitude order of how different is the fuel consumption under different atmosphere condition. Is important to note that in the strategic phase planning the optimal trajectories are determined by meteorological predictions which differ from the moment of the flight. The optimal trajectories have shown savings of at least 500 [kg] in the majority of the atmosphere condition (different pressure, and temperature at Mean Sea Level, and different lapse rate temperature) with respect to the conventional procedure simulated at the same atmosphere condition.This results show that the implementation of optimal profiles are beneficial under the current Air traffic Management (ATM).

Localización y seguimiento de aeronaves mediante sistemas de multilateración de área extensa

El continuo crecimiento de la demanda del transporte aéreo, junto con los nuevos escenarios de intervención militar, están obligando a una optimización en el uso del espacio aéreo. De este modo, la UE y los EEUU (a través de SESAR y NextGen respectivamente) han asentado las bases para una nueva gestión del tráfico aéreo (ATM). Con ello, se pretende aumentar la capacidad de aeropuertos y rutas aéreas, otorgando mayor flexibilidad al uso del espacio aéreo sin comprometer la seguridad de los usuarios. Desde un punto de vista puramente técnico, la clave de este cambio de modelo está en el conocimiento de la posición de cada aeronave en cada instante. En este sentido, la tendencia en ATM es el uso de ADS-B como fuente principal de posicionamiento. Sin embargo, debido a que este sistema está basado en la difusión de la posición obtenida a través de GPS, es necesario un sistema de seguimiento independiente. Actualmente, la intención es migrar del radar secundario de vigilancia (SSR) a la multilateración de área extensa (WAM), con el fin de mejorar la integridad de la posición para aplicaciones en ruta. Aprovechando el rápido despliegue de ADS-B, se pretende reutilizar sus estaciones base para WAM. Cada estación base que recibe el mensaje ADS-B de la aeronave envía conjuntamente la medida del tiempo de llegada (TOA) de dicho mensaje al centro de tráfico aéreo. La posición de la aeronave se obtiene mediante multilateración, cuya técnica consiste en utilizar las medidas de TOA de un mismo mensaje ADS-B obtenidas en las distintas estaciones base. El objetivo es estimar la posición de cada aeronave con la mayor precisión posible. Para poder diseñar el sistema que permite alcanzar este objetivo, son dos los aspectos básicos a estudiar. Por una parte, la identificación y posterior caracterización de los errores (tanto sistemáticos como aleatorios) que afectan a la medida de TOA. Por otra parte, es necesario el estudio de los sistemas de seguimiento, basados en versiones sofisticadas del filtro de Kalman (IMM, UKF). Una vez establecidos estos dos pilares, la presente tesis doctoral propone un sistema que permite efectuar el seguimiento de las aeronaves, corrigiendo los efectos de las principales distorsiones que afectan a la medida de TOA: la refracción troposférica y el error de sincronismo. La mejora en la precisión de la localización ha sido evaluada mediante simulación de escenarios hipotéticos. ABSTRACT The ever-growing demand in the air transportation and the new military intervention scenarios, are generating a need to optimize the use of the airspace. This way, the EU and the USA (through SESAR and NextGen respectively) have set the ground to overhaul the current air traffic management. The intention is to enhance the capacity of airports and air routes, providing greater flexibility in the use of airspace without jeopardizing the security of the end-users. From a technical perspective, the key for this change lies in the knowledge of the aircraft position. The trend in Air Traffic Management (ATM) is to rely on ADS-B as the main source for aircraft positioning. However, this system is based on the aircraft’s self-declaration of its own (often GPS-based) navigation solution. It is therefore necessary to have an independent surveillance system. Nowadays, the intention is to gradually migrate from Secondary Surveillance Radar (SSR) towards Wide Area Multilateration (WAM) in order to enhance surveillance integrity for en-route applications. Given the fast deployment of ADS-B, the aim is to use its base stations for WAM. Each station sends the Time of Arrival (TOA) of the received ADS-B messages to the air traffic center (ATC). The aircraft position is obtained through multilateration, using the TOA of the same message measured by each station. The aim is to accurately estimate the position of each aircraft. Knowledge from two key areas has to be gathered prior to designing such a system. It is necessary to identify and then characterize the errors (both systematic and random) affecting the TOA measurements. The second element is the study of tracking systems based on sophisticated versions of the Kalman filtering (e.g. IMM, UKF). Based on this knowledge, the main contribution of this Ph.D. is an aircraft tracking system that corrects the effects of the main errors involved in the TOA measurement: tropospheric refraction and synchronization issues. Performance gains in positioning accuracy have been assessed by simulating hypothetical WAM scenarios.

Impacto en la seguridad operacional por la introducción de nuevos procedimientos en cabina debido a la implantación de futuros conceptos de separación entre aeronaves en la fase de vuelos en ruta

A menudo, la fase del vuelo en ruta sobre áreas de baja densidad de tráfico, se desarrollan en espacios aéreos de alta cota, en los que el servicio de vigilancia es deficiente o simplemente no existente. En este tipo de espacio aéreo garantizar las separaciones entre aeronaves desde el segmento terrestre requiere de procedimientos adecuados a los medios disponibles y que, en general, desembocan en la utilización de unas mínimas de separación muy grandes. En este tipo de espacio aéreo, se ha planteado desde distintos organismos la posibilidad de delegar la responsabilidad de la separación a la aeronave, desarrollando ésta las funciones necesarias para poder asumir tal responsabilidad sin disminuir los umbrales de seguridad. Para que la aeronave pueda asumir la responsabilidad de la separación es necesario dotar a las tripulaciones de nuevos medios técnicos y procedimientos operacionales, los cuales trabajando de forma continua y automática permitan el desarrollo seguro del vuelo en esas circunstancias. El planteamiento de algunos de estos sistemas embarcados así como su validación desde el punto de vista de su aceptación por las tripulaciones es el objetivo del trabajo de investigación realizado y cuyos resultados se presentan en esta tesis. El sistema que se propone trata de resolver los riesgos con los tráficos circundantes garantizando la auto‐separación en vuelo de crucero, evitando y resolviendo conflictos. La aeronave que detecta un riesgo/conflicto negocia una propuesta de solución con la aeronave “intrusa”, una vez la propuesta ha sido negociada, el piloto confirma la maniobra a realizar por la aeronave, la aeronave radiodifunde un mensaje con las intenciones de la maniobra, seguidamente el piloto automático maniobra el avión para implementar la solución y el director de vuelo muestra al piloto la maniobra que se está realizando. ABSTRACT The flight in route phase over areas of low traffic density is usually performed in high altitude airspace, in which the surveillance system is deficient or simply nonexistent. In this type of airspace, to guarantee the separation between aircrafts from the ground, adequate procedures are required to be used with the available systems, and this generally leads to the use of high separation minima. Also, in this type of airspace, it has been discussed by several organizations the possibility of delegating the responsibility of the aircraft separation to the aircraft itself, it carrying out the necessary functions to take on such responsibility without lowering the safety threshold. In order for the aircraft to take on the responsibility of the separation, it is necessary to provide the crew with new technical means and operational procedures, which will result in safe flight under those circumstances. The discussion of some of these systems and their validation from the point of view of acceptance by the crews is the objective of this achieved research work, the findings of which are presented here. The proposed system assists in the surveillance providing the autopilot with information to guarantee the self‐separation with the surrounding in flight traffic, avoiding and solving conflicts. The aircraft which detects the risk/conflict starts a negotiation with the intruder aircraft for finding a conflict resolution, then the pilot of the aircraft approves the solution maneuver and the aircraft broadcasts a message with the maneuver which will be executed. The autopilot maneuvers the aircraft to execute the solution, the evolution of which is shown in the proposed system display and the flight director.

Desarrollo de un modelo de riesgo de colisión en espacios aéreos de área terminal

El transporte aéreo es un sector estratégico para el crecimiento económico de cualquier país. La estabilidad y el desarrollo de este modo de transporte tienen un pilar fundamental en una operación segura, especialmente cuando las previsiones indican escenarios de crecimiento continuo del tráfico aéreo. La estimación del riesgo y, por tanto, del nivel de seguridad de un entorno operativo se ha basado en métodos indirectos como puede ser la cuantificación y análisis de los reportes voluntarios de incidentes o el uso de modelos de riesgo de colisión enfocados a escenarios operativos parciales, como puede ser un espacio aéreo oceánico. La operación en un área terminal de maniobra es compleja, con distintos flujos de tráfico de arribada y salida a uno o varios aeropuertos, con cambios frecuentes en el rumbo y velocidad de las aeronaves y con instrucciones tácticas del control de tráfico aéreo para secuenciar y separar las aeronaves El objetivo de la presente Tesis es complementar los actuales métodos de monitorización de la seguridad que presentan sus limitaciones, con el desarrollo de un modelo de riesgo de colisión para áreas terminales de alta densidad que se base en datos objetivos como son las trazar radar de las aeronaves y que tenga en cuenta la complejidad de la operación en un área terminal. Para evaluar el modelo desarrollado se ha implementado una herramienta prototipo en MATLAB© que permite procesar un número masivo de trazar radar para un escenario de área terminal y calcular un valor del riesgo de colisión para el escenario analizado. El prototipo ha sido utilizado para estimar la probabilidad de colisión para distintos escenarios del área terminal de Madrid. El uso de trazas radar permite monitorizar el nivel de riesgo de escenarios reales de manera periódica estableciendo niveles de alerta temprana si se detecta que el valor de riesgo se desvía en exceso, pero también permite evaluar el nivel de riesgo de diseños de espacio aéreo o de nuevos modos de operación a partir de las trazas radar obtenidas en las simulaciones en tiempo real o acelerado y actuar en fases tempranas de los proyectos. ABSTRACT The air transport is a strategic sector for the economic growth of any country. The stability and development of the transport mode have a fundamental pillar in a safe operation, especially when long-term forecasts show scenarios of continuous growth in air traffic. Risk estimation and therefore the level of safety in an operational airspace has been based on indirect methods such as the quantification and analysis of voluntary reports of safety incidents or use of collision risk models focused on partial or simple operational scenarios such as an oceanic airspace. The operation on a terminal maneuvering area is complex, with different traffic flows of arrival and departure at one or more airports, with frequent changes in direction and speed of aircraft and tactical instructions of air traffic control to sequence and separate aircraft. The objective of this Thesis is to complement existing methods of monitoring safety that have their limitations, with the development of a collision risk model for high-density terminal areas that is based on objective data such as aircraft radar tracks and taking into account the complexity of the operation in a terminal area. To evaluate the developed model a prototype tool was implemented with MATLAB© that can process massive numbers of radar tracks for a terminal area scenario and computing a collision risk value for that scenario. The prototype has been used to estimate the probability of collision for different scenarios of the terminal area of Madrid. The use of radar tracks allows to monitor the level of risk of real scenarios periodically establishing levels of early warning when the risk value deviates too much, but also to assess the risk level of airspace designs or modes of operations from the radar tracks obtained in real or fast time simulations and act in the early stages of projects.

A Ground-Truth Video Dataset for the Development and Evaluation of Vision-based Sense-and-Avoid systems

The importance of vision-based systems for Sense-and-Avoid is increasing nowadays as remotely piloted and autonomous UAVs become part of the non-segregated airspace. The development and evaluation of these systems demand flight scenario images which are expensive and risky to obtain. Currently Augmented Reality techniques allow the compositing of real flight scenario images with 3D aircraft models to produce useful realistic images for system development and benchmarking purposes at a much lower cost and risk. With the techniques presented in this paper, 3D aircraft models are positioned firstly in a simulated 3D scene with controlled illumination and rendering parameters. Realistic simulated images are then obtained using an image processing algorithm which fuses the images obtained from the 3D scene with images from real UAV flights taking into account on board camera vibrations. Since the intruder and camera poses are user-defined, ground truth data is available. These ground truth annotations allow to develop and quantitatively evaluate aircraft detection and tracking algorithms. This paper presents the software developed to create a public dataset of 24 videos together with their annotations and some tracking application results.

Análisis de algoritmos para posicionamiento de aeronaves mediante respuestas SSR utilizando recepción omnidireccional

El transporte aéreo constituye un sector estratégico para el crecimiento económico de cualquier país. El sistema de gestión de tráfico aéreo ATM tiene como objetivo el movimiento seguro y eficiente de las aeronaves dentro del espacio aéreo y de los aeropuertos, siendo la seguridad, en la fase táctica, gestionada por el servicio de control de la circulación aérea. Mediante los procesos de control el tráfico aéreo es vigilado a través de sensores, regulado y guiado de forma organizada y segura. Es precisamente sobre la vigilancia donde se enfoca el contenido de la tesis, en el desarrollo de nuevos conceptos que proporcionen información de vigilancia de ‘bajo coste’ basados en las señales existentes proporcionadas por la infraestructura actual de radar secundario y por los sistemas de posicionamiento basados en satélite que utiliza la ADS-B. El conocimiento y acceso en tiempo real a las trayectorias de las aeronaves es un elemento de valor añadido no sólo para la provisión de los servicios de control de tránsito aéreo, sino para todos los actores del transporte aéreo o de la investigación, siendo uno de los elementos clave en el concepto operacional de los dos grandes proyectos tecnológicos, SESAR en Europa y NextGen en EE.UU.. En las últimas décadas el control de la circulación aérea en espacios aéreos de media y alta densidad de tráfico se ha basado en tecnologías complejas que requieren importantes infraestructuras como son el radar primario de vigilancia (PSR) y el radar secundario de vigilancia (SSR). La filosofía de los programas SESAR y NextGen siguiendo las directrices de la OACI es la de alejarse de las tecnologías basadas en tierra para evolucionar hacia nuevas tecnologías más dinámicas basadas en satélite como la ADS-B. Pero hasta que la implementación y operación de la ADS-B sea completa, existirá un período de transición que implica la coexistencia de aeronaves equipadas o no con ADS-B. El objetivo de la presente Tesis es determinar las metodologías y algoritmos más adecuados para poder hibridar las dos tecnologías descritas anteriormente, utilizando para ello un receptor de bajo coste con antena estática omnidireccional, que analice todas las señales presentes en el canal que comparten el SSR y ADS-B. Mediante esta hibridación se podrá obtener la posición de cualquier aeronave que transmita respuestas a interrogaciones SSR, en cualquiera de sus modos de trabajo, o directamente mensajes de posición ADS-B. Para desarrollar los algoritmos propuestos, además del hardware correspondiente, se han utilizado las aplicaciones LabVIEW para funciones de adquisición de datos reales, y el software MATLAB® para el desarrollo de algoritmos y análisis de datos. La validación de resultados se ha realizado mediante los propios mensajes de posición ADS-B y a través de las trazas radar proporcionadas por la entidad pública empresarial ENAIRE. La técnica desarrollada es autónoma, y no ha requerido de ninguna otra entrada que no sea la recepción omnidireccional de las señales. Sin embargo para la validación de resultados se ha utilizado información pública de las ubicaciones de la red de estaciones SSR desplegadas sobre territorio español y portugués y trazas radar. Los resultados obtenidos demuestran, que con técnicas basadas en superficies de situación definidas por los tiempos de llegada de las respuestas, es posible determinar con una precisión aceptable la posición de las estaciones SSR y la posición de cualquier aeronave que responda mediante el Modo A a éstas. ABSTRACT Air transport is a strategic sector for the economic growth of any country. The air traffic management system (ATM) aims at the safe and efficient movement of aircraft while operating within the airspace and airports, where safety, in the tactical phase, is managed by the air traffic control services. Through the air traffic control processes, aircraft are monitored by sensors, regulated and guided in an organized and safe manner. It is precisely on surveillance where this thesis is focused, developing new concepts that provide a 'low cost' surveillance information based on existing signals provided by currently secondary radar infrastructure and satellite-based positioning systems used by ADS-B. Having a deeper knowledge and a real-time access to the trajectories of the aircraft, is an element of added value not only for the provision of air traffic control services, but also for all air transport or research actors. This is one of the key elements in the operational concept proposed by the two large scale existing technological projects, SESAR in Europe and NextGen in the US. In recent decades, air traffic control in medium and high traffic density areas has been based on complex technologies requiring major infrastructures, such as the primary surveillance radar (PSR) and secondary surveillance radar (SSR). The philosophy of SESAR and NextGen programs, both following the guidelines of ICAO, is to move away from land-based technologies and evolving into some new and more dynamic satellite-based technologies such as ADS-B. Nevertheless, until the ADS-B implementation and operation is fully achieved, there will be a transitional period where aircraft with and without ADS-B equipment will have to coexist. The main objective of this thesis is to determine those methodologies and algorithms which are considered more appropriate to hybridize those two technologies, by using a low cost omnidirectional receiver, which analyzes all signals on the SSR and ADS-B shared channel. Through this hybridization, it is possible to obtain the position of any aircraft answering the SSR interrogations, in any of its modes of operation, or through the emission of ADS-B messages. To develop the proposed algorithms, LabVIEW application has been used for real-time data acquisition, as well as MATLAB software for algorithm development and data analysis, together with the corresponding hardware. The validation of results was performed using the ADS-B position messages and radar tracks provided by the Public Corporate Entity ENAIRE The developed technique is autonomous, and it does not require any other input other than the omnidirectional signal reception. However, for the validation of results, not only radar records have been used, but also public information regarding the position of SSR stations spread throughout the Spanish and Portuguese territory. The results show that using techniques based in the definition of positioning surfaces defined by the responses’ times of arrival, it is possible to determine with an acceptable level of accuracy both the position of the SSR stations as well as the position of any aircraft which transmits Mode A responses.

Bases y procesos de certificación de sistemas aéreos no tripulados

El objetivo de la tesis es el de crear unas bases de certificación para sistemas aéreos remotamente pilotados teniendo en consideración los siguientes requisitos: 1) La base ha de tener una estructura similar a la existente para los aviones tripulados. De esta manera se favorecerá una futura convergencia entre las bases de certificación según las misiones realizadas y las tecnologías empleadas por aviones tripulados y pilotados a distancia vayan convergiendo. La CS 23 y FAR 23 van a ser modificadas en profundidad en un futuro inmediato. Se ha considerado la redacción de la nueva normativa propuesta. 2) Los requisitos han de considerar los cambios definidos por las autoridades que gestionan el espacio aéreo. En Europa es SESAR JU quien gestiona el proceso. 3) Los organismos reguladores de la aviación están emitiendo consejos y recomendaciones para permitir la operación de los RPAS en el espacio aéreo no segregado. Asimismo han establecido unos principios fundamentales en los que han de basarse las bases de certificación. Se analizarán los documentos publicados al respecto por OACI, FAA y EASA que han aumentado significativamente en 2015. 4) Los altos niveles de seguridad alcanzados por la aviación han sido principalmente conseguidos gracias a la existencia de unas bases de certificación que se han actualizado frecuentemente considerando la experiencia en el diseño y la operación. Esta experiencia en los RPAS es reducida pero puede aportar importante información de seguridad. ABSTRACT The Goal of the Thesis is to create a certification specification for remotely piloted systems (RPAS). The methodology used for the development of the standard considers the following constrains: 1. The Base shall be defined in a similar way as the standards used for manned aircraft of the same category. This procedure will make possible a future merging of the standards for manned and unmanned system. It is foreseen that the missions performed and the technology used will be similar in a near future. CS23 and FAR 23 are going to be completely modified in a near future. The changed proposed will also be considered. 2. The standards developed must consider all the changes that are being defined by the air traffic management authorities around the globe. In Europe the program is being managed by SESAR Joint Undertaking. 3. The regulatory organizations are providing technical advice and recommendations in order to permit the operation of the RPAS in non-segregated airspace. There has been a big amount of documentation issued in the last year by ICAO, EASA and FAA. The standards developed should consider and implement these requirements. 4. The high safety record obtained by the manned aviation has been mainly due to the continuous update of the certifications standards based on the experience. The experience in the design and operation of RPAS is reduced but can already provide important safety information.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.