4D-TBO: nowe podejście do przewidywania trajektorii samolotu

Jak czterowymiarowe dane dotyczące trajektorii mogą przyczynić się do osiągnięcia celów dekarbonizacji lotnictwa.

Transmisja w czasie rzeczywistym czterowymiarowych danych ma niesamowity potencjał, aby znacznie poprawić przewidywanie trajektorii samolotu. Zmniejszając niedokładność obecnych modeli prognozowania zarządzania ruchem lotniczym (ATM) o około 30-40%, projekt Trajectory Based Operations in 4 Dimensions (4D-TBO) pomaga utorować drogę do bardziej zrównoważonego zarządzania przyszłym ruchem lotniczym.

Chociaż istnieje niepewność co do dokładnego harmonogramu powrotu ruchu lotniczego w krótkim okresie, prognozy globalne są jasne: ruch lotniczy w przyszłości będzie coraz gęstszy. W rzeczywistości taka perspektywa rodzi istotne pytania dotyczące przyszłego wpływu przemysłu lotniczego na środowisko. W rezultacie zarządzanie ruchem lotniczym (ATM) staje się coraz ważniejszym – i złożonym – obszarem zainteresowania.

Ale właśnie nastąpiła mała rewolucja w ATM: po dwóch latach eksperymentalnych programów wprowadzenia do eksploatacji i ponad 20 000 lotów wykonanych przez około 90 samolotów A320 sześciu linii lotniczych (Air France, British Airways, EasyJet, Iberia, Novair i Wizzair), projekt 4D-TBO* prowadzony przez firmę Airbus wraz z ponad 15 partnerami w ramach programu badań nad zarządzaniem ruchem lotniczym w jednolitej europejskiej przestrzeni powietrznej (SESAR) dobiega końca. Projekt koncentrował się na analizie transmisji w czasie rzeczywistym czterowymiarowych danych dotyczących trajektorii (szerokość geograficzna, długość geograficzna, wysokość, czas) jako rozwiązania służącego lepszemu informowaniu o operacjach ATM. Wstępne ustalenia są bardzo zachęcające.

„Za tym projektem stoi wysoka stawka” – wyjaśnia Jean-Brice Dumont, wiceprezes wykonawczy Airbusa ds. Technicznych. „Dzięki transmisji czterowymiarowych danych o trajektoriach ATM będzie w stanie ulepszyć, zoptymalizować i lepiej przewidzieć trajektorię lotu samolotu, umożliwiając nam w ten sposób natychmiastowe i konkretne zmniejszenie naszego wpływu na środowisko. Pomoże nam również zaprojektować system ATM przyszłości, przedsięwzięcie, które Airbus podjął wraz z innymi naszymi interesariuszami w programie SESAR ”.

Przewidywanie trajektorii dla ulepszonych operacji ATM

Dwa współczesne scenariusze kontroli ruchu lotniczego ilustrują, jak lepsze przewidywanie trajektorii może mieć pozytywny wpływ na ślad środowiskowy samolotu. Na przykład w okresach dużego natężenia ruchu na lotniskach, takich jak letnie wakacje, kontrolerzy ruchu lotniczego często kierują niektóre statki powietrzne zgodnie z procedurą przylotową, aby lepiej zorganizować kolejkę przylotów na terenie terminalu. W innym przykładzie kontrola naziemna często żąda, aby statek powietrzny rozpoczął zniżanie przed optymalnym puntem rozpoczęcia zniżania (TOD) – czyli punktem, w którym rozpoczyna się planowane zniżanie do podejścia – z powodu braku dokładnej widoczności optymalnej trajektorii samolotu.

"Dzięki transmisji czterowymiarowych danych o trajektoriach ATM będzie w stanie ulepszyć, zoptymalizować i lepiej przewidywać trajektorię lotu samolotu, umożliwiając nam w ten sposób natychmiastowe i konkretne zmniejszenie naszego wpływu na środowisko" – mówi Jean-Brice Dumont, wiceprezes wykonawczy Airbusa ds. Technicznych.

W tych scenariuszach samolot musi albo lecieć dłużej, albo wycofać się ze swojej optymalnej trajektorii, co wymaga większego zużycia paliwa, a co za tym idzie, zwiększa emisje CO2. W rzeczywistości, lecąc z prędkością 220 węzłów na 10 tys. stóp, A320 Neo zużywa 25 kg paliwa na minutę lub 100 kg przez cztery minuty. Ponadto scenariusze te mogą powodować opóźnienia przylotów, zakłócać odloty i zwiększać obciążenie pracą zarówno kontrolerów, jak i pilotów.

Jednak przesyłając kompletne, aktualne informacje o swojej trajektorii, statek powietrzny może wysyłać bezcenne dane do kontroli ruchu lotniczego, które są niezbędne do lepszego podejmowania decyzji. Rezultatem jest bardziej wydajne i lepiej skoordynowane zarządzanie zoptymalizowanymi trajektoriami statków powietrznych, co doprowadzi do ogólnego zwiększenia bezpieczeństwa operacji ruchu lotniczego.

Wspomagany przez system zasilany tą wiedzą, kontroler w poprzednich dwóch scenariuszach będzie w ten sposób w stanie zażądać precyzyjnej regulacji prędkości przelotowej samolotu, aby uniknąć zmiany kierunku na wzorzec oczekiwania w obszarze lotniska i umożliwić optymalne TOD – działanie co doprowadzi do zmniejszenia emisji CO2. Konkretnie, oszczędność paliwa może wynieść do 10 kg lub równowartość około 32 kg CO2, jeśli samolot obniży się z optymalnego TOD. W przeliczeniu na cały rok dla europejskiej floty odrzutowej liczącej około 5500 samolotów, oszczędności mogą sięgać nawet 65 000 ton paliwa.

Etapowe wprowadzenie do użytku 4D-TBO w latach 2020

Według Jean-Brice, główną zaletą rozwiązania 4D-TBO jest jego potencjał drastycznego zmniejszenia niedokładności modeli przewidywania trajektorii dostępnych do tej pory w centrach kontroli. Jednak dzięki ulepszonej kalibracji przy użyciu dokładnych danych ze statku powietrznego te nowe algorytmy dowiodły swojej zdolności do zmniejszania niedokładności modeli prognozowania przestrzeni powietrznej o około 30–40%.

„Podsumowując: poprawiona dokładność czterowymiarowych prognoz trajektorii zmniejsza marginesy przy wykrywaniu sprzecznych trajektorii i skutkuje mniejszą liczbą alertów dla kontrolerów” – wyjaśnia. „Zmniejsza to potrzebę interwencji kontrolera i oznacza, że ​​możemy latać jak najbliżej wstępnie zidentyfikowanej optymalnej trajektorii lotu. W rezultacie możemy czerpać wszystkie korzyści z lepszych osiągów samolotu pod względem ochrony środowiska, bezpieczeństwa i pojemności ”.

Oczekuje się, że w 2021 roku funkcja 4D-TBO będzie stopniowo wprowadzana do użytku w kilku krajach europejskich (tj. we Francji, Szwajcarii, na Węgrzech, w Bułgarii, Polsce, Hiszpanii) w ramach przyszłego projektu SESAR PJ38 ADSCENSIO*. Będzie to wymagało opracowania scentralizowanej wspólnej platformy danych dotyczących trajektorii.

ATM jest częścią składową programu „Dekarbonizacja” firmy Airbus, mającego w szczególności na celu zmniejszenie emisji CO2 o 50% od chwili obecnej do 2050 r. oraz opracowanie pierwszych bezemisyjnych samolotów komercyjnych do 2035 r.

* Projekty te otrzymały dofinansowanie od wspólnego przedsięwzięcia SESAR w ramach programu badań naukowych i innowacji „Horyzont 2020” Unii Europejskiej na podstawie umów o dotację nr 731818 (DIGITS) i nr 101017626 (ADSCENSIO).