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Schreiter, K.; Müller, S.; Luckner, R.; Manzey, D. (2016). Verbesserung von Flugpräzision und
Arbeitsbeanspruchung bei manuellen RNP-Anflügen durch Vorgaberegler und Anzeigen für den
Energiewinkel (nxControl). In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress
(Artikelnr. 420163). Bonn: Deutsche Gesellschaft für Luft-und Raumfahrt-Lilienthal-Oberth e.V.
Schreiter, K.; Müller, S.; Luckner, R.; Manzey, D.
Verbesserung von Flugpräzision und
Arbeitsbeanspruchung bei manuellen RNP-
Anflügen durch Vorgaberegler und
Anzeigen für den Energiewinkel
(nxControl)
Published versionConference paper |
VERBESSERUNG VON FLUGPRÄZISION UND
ARBEITSBEANSPRUCHUNG BEI MANUELLEN RNP-ANFLÜGEN
DURCH VORGABEREGLER UND ANZEIGEN FÜR DEN
ENERGIEWINKEL (nxControl)
K. Schreiter∗, S. Müller+, R. Luckner∗, D. Manzey+, Technische Universität Berlin
∗Institut für Luft- und Raumfahrt, +Institut für Psychologie und Arbeitswissenschaft
Zusammenfassung
Mit steigenden Präzisionsanforderungen bei immer komplexeren Flugtrajektorien erhöht sich die Arbeitsbeanspruchung
der Piloten im manuellen Flug besonders bei der Ansteuerung von Triebwerken und Bremsklappen. Die konventionelle
Steuerung über Hilfsparameter wie Triebwerksdrehzahl bzw. Hebelstellung erlaubt keine exakte Vorhersage der Zustands-
änderung. Stattdessen muss abgewartet und die Eingaben gegebenenfalls angepasst werden. Ergänzend zu bestehen-
den Vorgaberegelungen im Cockpit (z.B. am Sidestick bzw. Steuerhorn) wurde deshalb im DFG-Vorhaben nxControl
für die Steuerung von Triebwerken und Bremsklappen ein Vorgaberegler entwickelt, der das Lastvielfache in Flugbahn-
richtung nxals Kommandowert verwendet (nxController). Das x-Lastvielfache ist synonym zum Gesamtenergiewinkel
und wird direkt durch Schub- und Widerstandskraft aber auch durch Wind beeinflusst. Dieser Parameter gibt Auskunft
über die Stärke der Zustands- bzw. der Gesamtenergieänderung, weshalb ein direkter Zusammenhang zwischen erwar-
teter Reaktion und Eingabe hergestellt wird. Der nxController soll somit ermöglichen, im manuellen Flug hohe Präzisi-
onsanforderungen mit geringer Arbeitsbeanspruchung zu erfüllen. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, bestehend aus
Eingabehebel und Anzeigeelementen in den primären und sekundären Anzeigen des Cockpits, zur Ansteuerung und
Überwachung soll zudem das Energiebewusstsein erhöhen. Das Gesamtsystem wurde in einen Forschungssimulator
integriert und in verschiedenen Studien evaluiert. Dieser Beitrag stellt das nxControl-System mit Fokus auf dem Vor-
gaberegler und die Evaluationsergebnisse bei Standard-ILS-Landeanflügen ohne Störungen sowie anspruchsvoller und
steiler RNP-Landeanflüge vor. Die Ergebnisse der Studien zeigen, dass die Versuchspersonen nach kurzem Training mit
dem System die gestellten Aufgaben mit der geforderten Präzision erfüllen können. Beim RNP-Landeanflug sind zudem
Verbesserungen in der Flugpräzision bei verringerter Arbeitsbeanspruchung durch das nxControl-System zu beobachten.
Das System verspricht somit, manuelles Fliegen unter hohen Präzisionsansprüchen bei akzeptabler Beanspruchung zu
ermöglichen.
Nomenklatur
Abkürzungen
CAS kalibrierte Fluggeschwindigkeit
EAS äquivalente Fluggeschwindigkeit
EPR Triebwerksdruckverhältnis
FL Flugfläche
ILS Instrumentenlandesystem
MSL Meereshöhe
MMS Mensch-Maschine-Schnittstelle
N1 Fan-Drehzahl
PFD primäre Fluganzeige
RMSE quadratisch gemittelter Fehlerwert
RNP geforderte Navigationsgenauigkeit
SPL Bremsklappen
THR Schub
TLX Task Load Index
Symbole
AAuftrieb
αAnstellwinkel
ΔAbweichung von der Referenz
δHebelstellung
EEnergie
ηKAusschlag der Hochauftriebshilfen
FSchubkraft | Übertragungsfunktion
gErdbeschleunigung
GGewichtskraft
γBahnwinkel
HHöhe
iZeitschritt
KProportionalfaktor
kLaufvariable
LA Hebelaktivität
LP Hebelposition
LT Hebelschwelle
NStichprobengröße
nLastvielfaches | Probengröße
pÜberschreitungswahrscheinlichkeit
SD Standardabweichung
skomplexer Frequenzparameter
σSchubeinstellwinkel
TZeitkonstante
tZeit
VGeschwindigkeit
WWiderstandskraft
xZustandsparameter
ZZustand
Indizes
BBremsklappen
com Kommando
EEnergie
err Fehler
FSchub
Kinertial
kbahnfestes Koordinatensystem
TSchubregler
tZeitschritt
tot total
WWind
xLängsrichtung
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DocumentID: 420163
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1 EINLEITUNG
An den zukünftigen Luftverkehr werden hohe Anforderun-
gen gestellt, um das wachsende Luftverkehrsaufkommen
zu bewältigen (siehe z. B. Flightpath 2050 [1]). Vor allem
das Erfliegen von komplexen Flugtrajektorien unter einem
hohen Maß an Präzision wird als Möglichkeit gesehen, den
Luftraum besser auszunutzen und Staffelungsabstände zu
verringern. Im vollautomatischen Flugbetrieb ist dies be-
reits erfüllbar. Jedoch ist manuelles Fliegen nicht nur bei
kurzfristig nötigen Bahnänderungen oder gar dem Aus-
fall des Autopiloten weiterhin notwendig. Auch zur Auf-
rechterhaltung der Flugfertigkeiten ist der stetige Einsatz
des manuellen Flugs unabdingbar, wie ein Safety Alert
for Operators der FAA deutlich macht [2]. Allerdings er-
zeugen die hohen Anforderungen an die Präzision des
zukünftigen Luftverkehrs hohe Arbeitsbelastungen im ma-
nuellen Flug. Eine mögliche Lösung dieses Konflikts liegt
in der Verwendung von Vorgabereglern, wie sie bereits
für die Lageregelung über die aerodynamischen Stellflä-
chen eingesetzt werden (z. B. nzControl Law bei Airbus
Flugzeugen [3]). Statt der konventionellen Steuerung der
Stellflächenausschläge können die Piloten die physikali-
sche Auswirkung kommandieren und werden damit durch
die Veränderung der Flugeigenschaften bei Stabilisierung
und Ausgleich von Störungen unterstützt, bleiben aber als
„Regler“ eingebunden (in-the-loop). Diese Art der Unter-
stützung wird jedoch bisher nur für die aerodynamischen
Stellflächen und damit die schnellen Lagebewegungen des
Flugzeugs eingesetzt. Triebwerksschub und Bremsklap-
pen werden im manuellen Flug konventionell gesteuert.
Die Auswirkungen von Eingaben müssen durch Drehzahl,
Druckverhältnisse o.ä. bzw. der Hebelstellung eingestellt
und durch Zustandsänderung im Display antizipiert wer-
den. Jedoch sind die Reaktionen auf Eingaben davon ab-
hängig, welcher Flugzustand momentan herrscht. Zudem
beeinflussen die Schubzugabe bzw. Widerstandserhöhung
den Energiehaushalt. Diese Zusammenhänge müssen von
den Piloten aus Änderungen von Geschwindigkeit und Hö-
he selbst ermittelt werden. Daher handelt es sich um ein
komplexes Steuerkonzept, was unter hohen Präzisionsan-
sprüchen hohe kognitive und motorische Anforderungen
stellt. In [4, 5] wurde das nxControl-System vorgestellt, wel-
ches durch einen Vorgaberegler für das Lastvielfache in
Flugbahnrichtung nxdie Steuerung von Schub und Wi-
derstand unterstützt. Eine angepasste Mensch-Maschine
Schnittstelle (MMS) erleichtert die Steuerung und Überwa-
chung des nxControl-Systems sowie der Energiezustands-
änderung des Flugzeugs. In der in [5] beschriebenen Stu-
die wurde das nxControl-System bereits in kurzen Flugsze-
narien getestet und der konventionellen manuellen Steue-
rung gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass es für
die teilnehmenden Piloten nach kurzer Trainingszeit mög-
lich war, die gegebenen Aufgaben mit dem nxControl-
System mit gleichbleibender Präzision aber verringerter
Schubhebelaktivität durchzuführen. In diesem Beitrag wer-
den sowohl das weiterentwickelte nxControl-System als
auch zwei weitere Studien vorgestellt, welche die Einflüs-
se des nxControl-Systems einerseits bei einem Standard-
Landeanflug mit Instrumentenlandesystem (ILS) und ande-
rerseits bei einem sehr anspruchsvollen Landeanflug unter
Required Navigation Performance (RNP) Bedingungen zei-
gen. Ziel ist es den manuellen Flug auch unter den hohen
Anforderungen des zukünftigen Luftverkehrs zu ermögli-
chen.
2 DAS SYSTEM nxCONTROL: VORGABEREG-
LER UND MENSCH-MASCHINE-SCHNITT-
STELLE
In heutigen mit Sidestick gesteuerten Passagierflugzeugen
wird im manuellen Flug das vertikale Lastvielfache nzfür
die Regelung der Nickbewegung verwendet. In Verbindung
mit dem Schub können Fluggeschwindigkeit oder Bahnnei-
gungswinkel eingestellt werden. Dabei werden die Trieb-
werke über ein Drehzahlkommando angesteuert. Der re-
sultierende Triebwerksschub wirkt sich auf das Lastvielfa-
che nxaus, wobei die Stärke der Reaktion vom momen-
tanen Flugzustand abhängt. Alternativ zur konventionellen
Triebwerkssteuerung soll das nxControl-System direkt auf
das longitudinale Lastvielfache nxzurückgreifen, das in
heutigen Konzepten nicht als Kommandogröße verwendet
wird. Mit diesem Vorgabeparameter kann der Pilot die Än-
derungen der Gesamtenergie (Summe potentieller und ki-
netischer Energie) kommandieren. Mit dem nz-Kommando
des Sidesticks entscheidet der Pilot, ob die Energieände-
rung in Bahnneigungswinkel und/oder Fluggeschwindigkeit
umgesetzt werden soll.
2.1 Flugmechanischer Hintergrund
Die flugmechanischen Beziehungen, die das Lastvielfache
nxbeschreiben sind grundlegend und können in der Litera-
tur unter verschiedenen Bezeichnungen gefunden werden,
z. B. in [6–8]. Bekannte Bezeichnungen sind neben Last-
vielfaches in Längsrichtung auch spezifischer Schubüber-
schuss, Steigpotential, Beschleunigungspotential, spezifi-
sche Energieänderung und Gesamtenergiewinkel.
Das Gesamtlastvielfache ntot ist definiert als das Verhält-
nis aller äußeren Kräfte zur Gewichtskraft. Es entspricht
damit auch der Gesamtbeschleunigung des Flugzeugs be-
zogen auf die Erdbeschleunigung [9]. Der Zusammen-
hang zwischen Beschleunigung und äußeren Kräften er-
gibt sich aus den flugmechanischen Bewegungsgleichun-
gen, die beispielsweise nach dem zweiten Newton’schen
Axiom aufgestellt werden. Für das longitudinale Lastvielfa-
che in Flugpfadrichtung nxk,tot ergeben sich aus der Wi-
derstandsgleichung (x-Kraft-Gleichung) im Bahnachsen-
system folgende gleichwertige Zusammenhänge (Annah-
me symmetrischer Flug: Schiebewinkel β=0
◦, Hänge-
winkel Φ=0
◦, Azimutänderung ˙χ=0
◦/s):
nxk,tot =1
G[Fcos(α+σ−αW)
−Wcos αW+Asin αW]
(1)
=˙
VK
g+sinγ.
(2)
Für die weitere Betrachtung wird vereinfachend angenom-
men, dass der Schubeinstellwinkel σdem Anstellwinkel α
entspricht und der Windanstellwinkel αWklein ist. Im Hori-
zontalflug gleicht zudem die Auftriebskraft Ader Gewichts-
kraft G:
nxk,tot =F−W
G+sinαW=˙
VK
g+sinγ.
(3)
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Einerseits beschreibt Gleichung (3) die Abhängigkeit von
den äußeren Einflüssen Schub Fund Widerstand Wbe-
zogen auf die Gewichtskraft Gsowie dem Windanstellwin-
kel αW. Andererseits sind auch die Einflüsse der Bewe-
gungsgrößen Bahnbeschleunigung ˙
VK, bezogen auf die
Erdbeschleunigung g, und Bahnwinkel γerkennbar. Glei-
chung (3) lässt die möglichen Steuer- und Störgrößen er-
kennen: Schub und Widerstand können über Triebwerks-
drosselgrad δF, Bremsklappen δBund Hochauftriebshil-
fen ηKaktiv beeinflusst werden, während der Windeinfluss
störend auf nx(der erweiterte Index wird im Folgenden ver-
kürzt) wirkt. Für das nxControl-System werden die Trieb-
werke und Bremsklappen als Stellorgane verwendet. Die
Eingaben eines Piloten an diesen Stellorganen verändern
die Schub- und Widerstandskraft jedoch nicht linear. Sie
sind davon abhängig, welcher Flugzustand momentan vor-
herrscht. Bild 1 zeigt qualitativ die Abhängigkeit von Schub
und Widerstand von der äquivalenten Fluggeschwindigkeit
VEAS, sowie von den Stellelementen. Gleicht die Schub-
kraft den Widerstand aus, bleibt die momentane Geschwin-
digkeit konstant (ohne Windeinfluss) und entspricht der Ge-
schwindigkeit am Schnittpunkt der beiden Kurven (Trimm-
punkt Z1).
VEAS
W, F
F
W
įF
įB
ȘK
x
x
Z1
Z2
BILD 1: Abhängigkeiten von Schub Fund Widerstand W
von den Stellgrößen Schubhebel δF, Bremsklappenhebel
δBund Klappenstellung ηKsowie der äquivalenten Flug-
geschwindigkeit VEAS;Z1und Z2markieren getrimmte
Zustände für zwei verschiedene Schubhebelstellungen
Wird der Schub Fdurch δFoder der Widerstand Wdurch
δBverändert, entsteht eine Differenz, wie sie im Bild bei-
spielhaft durch die verschobene Schubkurve (gestrichel-
te Linie) dargestellt ist. Nach Gleichung (3) kann diese
Differenz in eine Geschwindigkeitsänderung oder in eine
Bahnwinkeländerung umgesetzt werden. Wird die Bahn
durch den Piloten oder zusätzliche Regler (z.B. nz-Regler)
gehalten, wird der Überschuss in Beschleunigung umge-
setzt, die sich mit steigender Geschwindigkeit und damit
wachsendem Widerstand (oberhalb Fahrt minimalen Wi-
derstands) allmählich verringert. In diesem Fall wird durch
die Schub- bzw. Widerstandsänderung ein neuer Trimm-
punkt Z2erreicht, der sich erst nach einer vergleichsweise
langen Zeit einstellt.
Um ausgehend von einem Trimmpunkt Z1die Flugge-
schwindigkeit zu ändern, würde es nach Bild 1 ausreichen,
den Schubhebel auf eine Position zu stellen, die für den
neuen Zustand Z2benötigt würde, und die Höhe mit dem
Höhenruder zu halten. Um eine größere Beschleunigung
zu erreichen, stellen Piloten einen höheren Wert für den
Schubhebel ein, da die Annäherung an den neuen Zustand
sonst nur langsam geschehen würde. Aus dem ursprüng-
lichen Zustandskommando (attitude command) macht der
Pilot somit ein Ratenkommando (rate command). Die Vor-
studie [10] zeigte, wie erwartet, dass Piloten mit den Stell-
elementen Triebwerk und Bremsklappen nicht nur die Ge-
schwindigkeitsänderungen sondern auch Höhenänderun-
gen steuern. Soll eine andere Flughöhe bei gleichbleiben-
der Geschwindigkeit erreicht werden, wird mit Schub die
Steigrate bzw. mit Schub und Bremsklappen die Sinkrate
eingestellt und die Geschwindigkeit indirekt durch die Än-
derung der Längslage mit dem Höhenruder gesteuert, vgl.
auch [11].
Die nichtlinearen Zusammenhänge der Flugzeugbewe-
gung hängen vom Flugzustand ab und sind auch wegen
der zeitverzögerten Reaktion der Triebwerke für die Pilo-
ten nur schwer abschätzbar. Eine von den Piloten einge-
setzte Strategie ist die Verwendung von Blockeingaben an
Schub- und Bremsklappenhebel. Ein Erfahrungswert wird
vorgegeben und entsprechend korrigiert, wenn dieser nicht
zur gewünschten Änderung in Fluggeschwindigkeit oder
Bahnwinkel führt. Zur Unterstützung werden „Pitch-and-
Power“ Tabellen benutzt, welche vorberechnete Eckwerte
für Triebwerksdrehzahl und Längslagewinkel für stationäre
Flugzustände in verschiedenen Höhen und Geschwindig-
keiten beinhalten. Die Stärke der Reaktion des Flugzeugs
auf eine Eingabeänderung ist jedoch weiterhin nur qualita-
tiv durch den Piloten abschätzbar. Das genaue Einstellen
und Halten des gewünschten Flugzustandes erfordert des-
halb meist mehrere Korrekturen. Um den manuellen Flug
präziser bei gleichzeitig geringerer Arbeitsbeanspruchung
durchzuführen, müssen diese Abläufe verbessert werden.
Durch das nxControl-System wird der manuelle Flug dahin-
gehend unterstützt, dass die Eingabeparameter von Trieb-
werksdrehzahl N1 (o.ä.) und Bremsklappenhebelstellung
zu einem physikalisch interpretierbaren Parameter geän-
dert werden, der enger mit der gewünschten Änderung
des Flugzustands zusammenhängt. Zur besseren Nach-
vollziehbarkeit des Lastvielfachen nxdurch die Piloten wird
der Zusammenhang der Geschwindigkeitsänderung und
des Bahnwinkels zur Änderung der kinetischen und po-
tentiellen Energie und somit der Gesamtenergie des Flug-
zeugs hergestellt. Das Lastvielfache nxentspricht dem so
genannten Gesamtenergiewinkel γE, der die Änderung der
Gesamtenergie ˙
Etot bezogen auf Gewicht und Bahnge-
schwindigkeit VKin Grad beziffert:
sin γE=˙
Etot
GVK
=˙
VK
g+sinγ.
(4)
Für die manuelle Steuerung beschreiben die Gleichungen
(3) und (4) die Möglichkeit der Piloten den Energiestatus
des Flugzeugs durch Einstellung von Schub und Wider-
stand mit einer bestimmten Rate zu ändern und dies auf
die Änderung von potentieller und/oder kinetischer Ener-
gie durch das Einstellen des Flugbahnwinkels zu verteilen.
Da diese Größe mit dem Bahnwinkel direkt verglichen wer-
den kann und somit auch Aussagen über die Geschwindig-
keitsänderung zulässt, eignet sie sich als mentales Modell
für das Lastvielfache nxund wird für die Mensch-Maschine
Schnittstelle (MMS) des nxControl-Systems verwendet.
Es sei angemerkt, dass die Piloten eine kalibrierte Flug-
geschwindigkeit (VCAS) überwachen und steuern statt der
bisher betrachteten Bahngeschwindigkeit. Daher basiert
das in den Displays dargestellte und vom Regler verarbei-
tete Lastvielfache nxauf der Fluggeschwindigkeit.
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2.2 nxController: Der Vorgaberegler für Trieb-
werke und Bremsklappen
Die Kommando- und Regelgröße für den nxControl-
ler ist das Lastvielfache nx. Für die Mensch-Maschine-
Schnittstelle (MMS) wird stattdessen der physikalisch
gleichwertige aber besser interpretierbare Energiewinkel
γEverwendet. Mit Triebwerksschub und Bremsklappenwi-
derstand stehen zwei Stellgrößen zur Verfügung. Die Kom-
mandos werden mit einem Control Allocation Gesetz dem
Triebwerk oder den Bremsklappen zugeordnet. In der Lite-
ratur sind zahlreiche Verfahren zu finden (z.B. in [12–14]).
Das nxControl-System wurde in einem pilotenzentrierten
Auslegungsprozess entworfen, weshalb in einer Studie er-
mittelt wurde, wie Linienpiloten mit Schub und Widerstand
den Energiestatus des Flugzeugs steuern [10, 15]. Es wur-
de festgestellt, dass der Schub primär und Bremsklappen
sekundär eingesetzt werden und nicht gemeinsam. Des-
halb wurden im nxController für Triebwerke und Brems-
klappen zwei separate Regelgesetze ausgelegt. Ein logi-
scher Schalter steuert die Verwendung des jeweiligen Re-
gelgesetzes automatisch, muss jedoch vom Piloten freige-
geben werden (siehe Bild 2). Die Triebwerke sind das ak-
tive Stellelement, wenn die Bremsklappen vollständig ein-
gefahren sind. Die Bremsklappen werden vom Regler an-
gesteuert, wenn die Triebwerke im Leerlauf sind und die
Piloten ein Umschalten erlauben. Somit ist das Hauptstell-
element stets der Triebwerksschub.
Die Aufteilung in zwei separate Regelgesetze erlaubt die
isolierte Auslegung für beide Stellelemente. Der Ausle-
gungsprozess wird sowohl durch lineare als auch nicht-
lineare Analysen gestützt. Zur Erstellung einer passen-
den Reglerstruktur werden lineare Modelle der Regelstre-
cke verwendet, mit denen die Übertragungsfunktionen von
Schub und Bremsklappen auf das Lastvielfache nxim
Frequenzbereich erstellt werden können. Für eine kon-
stante Fluggeschwindigkeit können beide Antwortverhalten
durch proportionale Systeme mit reellen Zeitverzögerun-
gen (Schub dritter und Bremsklappen erster Ordnung) be-
schrieben werden. Wird ein Schubüberschuss in Erhöhung
der Fluggeschwindigkeit umgesetzt, muss zusätzlich die
Auswirkung auf den aerodynamischen Widerstand abge-
bildet werden. Der Effekt einer Geschwindigkeitsänderung
auf das Lastvielfache nxwird gut durch ein differenzieren-
des Systemglied mit Zeitverzögerung erster Ordnung (DT1)
wiedergegeben. Die Auslegung beider Regler für Schub
und Bremsklappen erfordert somit jeweils die Betrachtung
zweier Modi – konstante Geschwindigkeit ohne DT1-Glied
und konstante Höhe mit DT1-Glied. Die Übertragungsfunk-
tion des Triebwerksschubs auf das Lastvielfache Fnx,T HR
lautet somit
(5) Fnx,T HR =K
(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)s
T4s+1,
wobei der DT1-Term in der hinteren Klammer steht. Für die
Übertragungsfunktion der Bremsklappen auf das Lastviel-
fache ergibt sich eine analoge Gleichung.
Aufgrund der linearen Modelle und folgender gestellter An-
forderungen wurde die Struktur des Reglers festgelegt. Ei-
ne vorrangige Anforderung ist stationäre Führungsgenau-
igkeit, da Piloten kein System akzeptieren würden, wel-
ches nicht ihre Eingaben realisiert. Daher ist ein integra-
tives Verhalten des Reglers notwendig. Da der Modus kon-
stante Höhe durch den DT1-Term eine zusätzliche Nullstel-
le in das System implementiert, muss diese durch einen
weiteren Integrator eliminiert werden. Integratoren wirken
sich jedoch negativ auf dynamische Stabilität aus, wes-
halb die Wirkung der Integratoren auf den Niederfrequenz-
bereich begrenzt werden sollte. Deshalb besteht der Reg-
ler aus zwei in Reihe geschalteten proportional-integralen
Gliedern (PI) erster Ordnung anstelle zweier Integratoren.
Diese Reglerstruktur ist für beide Stellelemente angewen-
det (siehe Bild 2) und die resultierende Übertragungsfunk-
tion des Schubreglers FTHR
com,nx,err ist in Gleichung (6)
angegeben.
FTHR
com,nx,err =KT
T1Ts+1
s
T2Ts+1
s
(6)
Bild 3 zeigt die Sprungantworten des Lastvielfachen im
konventionellen Fall einer Schubhebeleingabe sowie mit
nx-Vorgaberegler, wenn der Schubüberschuss in Ge-
schwindigkeitsänderung umgesetzt wird. Der Kommando-
wert Δnx,com beträgt 0,1bzw. im konventionellen Fall
ΔN1, was anfangs auch ein Δnx=0,1bewirkt. Der
wachsende Fehler im anliegenden Lastvielfachen nxmit
steigender Geschwindigkeit im konventionellen Fall wird
durch den nxController mit steigender Triebwerksdrehzahl
ausgeglichen, sodass die Vorgabe eingehalten wird. Dar-
aus resultierend ist auch die Beschleunigung konstant,
was eine präzise Geschwindigkeitssteuerung im Hinblick
BILD 2: Aufbau nxController im geschlossenen Regelkreis
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
0.05
0.1
' nx
[1]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
20
40
' V
[m/s]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-5
0
5
' H
[m]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
50
Time
[
s
]
' N1
[%]
BILD 3: Sprungantwort nach Kommando Δnx,com = 0,1 (ro-
te durchgezogene Linie) mit nxController (blaue durchgezo-
gene Linie) und ohne (schwarze gestrichelte Linie)
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auf Zeiteinschränkungen ermöglicht. Wird der Schubüber-
schuss nicht in Geschwindigkeitsänderung umgesetzt ist
die Sprungantwort ähnlich dem konventionellen Fall. Je-
doch können die Piloten die passende Schubeinstellung für
den gewünschten Bahnwinkel direkt einstellen, statt sich
langsam herantasten zu müssen.
Die vorhandenen Reglerparameter wurden mit dem Soft-
ware Tool MOPS (Multi-Objective Parameter Synthesis)
vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt [16]
ausgelegt. Zur Optimierung wurden neben den genann-
ten linearen Modellen auch ein hochwertiges nichtlinea-
res Simulationsmodell verwendet und in MOPS eingebun-
den. Die Optimierungsparameter wurden als sogenannte
bad/good Kriterien zur Optimierung im Zeit- und Frequenz-
bereich aufgestellt, die sowohl aus den Vorstudien mit Pi-
loten als auch der Modellanalyse entwickelt wurden. Für
die Regelung des Energiezustandes durch Triebwerke und
Bremsklappen gibt es keine standardisierten Reglerkriteri-
en wie etwa bei der Lageregelung. Dies liegt vor allem dar-
an, dass sich die Lageregelung in einem deutlich schnelle-
ren Zeitverhalten widerspiegelt als die Energieregelung (et-
wa Faktor 10). Die typischen Regleranforderungen für die
Lageregelung wurden dennoch als Anhaltspunkte genutzt
zur Aufstellung der Kriterien für den nx-Vorgaberegler. Im
Bildbereich sind die Optimierungsparameter Dämpfungs-
grad der Reglervariable, Dämpfungsgrad der Stellgröße
und Phasenreserve übliche Kriterien. Im Zeitbereich wur-
den Anstiegszeit, Überschwingweite, stationärer Fehler,
maximaler Fehler und mittlerer Fehler der Reglervariablen
bei einer Sprungantwort sowohl im linearen als auch im
nichtlinearen Modell verwendet. Die gewählten Kriterien er-
möglichten einerseits die Vorgabe eines akzeptablen Zeit-
verhaltens, wie es beispielsweise beim C*-Kriterium [17]
für die Lageregelung eingesetzt wird, und andererseits wird
der Frequenzgang des Gesamtsystems charakterisiert. Die
Reglerparameter wurden für verschiedene Geschwindig-
keiten und Höhen mittels globaler Optimierung bestimmt.
Damit werden ähnliche Sprungantworten für gleiche Ein-
gaben erreicht, egal wie der Flugzustand sich ändert.
Da die Reglervariable nxaus der Ableitung der gemes-
senen Fluggeschwindigkeit und des Bahnwinkels ermittelt
wird, werden alle Störungen im Energiezustand, z. B. durch
Konfigurationsänderungen oder Wind, vom Regler verar-
beitet. In diesen Situationen kann die Arbeitsbeanspru-
chung der Piloten gesenkt werden, da die Anpassung der
Eingabe entfällt, wenn einmal der richtige Wert eingestellt
ist. Allerdings wird die Fluggeschwindigkeit mit der Bahn-
geschwindigkeit komplementär gefiltert, um Einflüsse von
Turbulenz auf die Schubruhe zu verringern.
2.3 nxStatus, nxPFD und nxLever: Die Mensch-
Maschine-Schnittstelle
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle im Cockpit dient einer-
seits zur Eingabe und Überwachung der neuen Steue-
rungsart und andererseits zum allgemeinen Verständnis
von Energieänderung und -verteilung im manuellen Flug.
Drei neue Elemente wurden hinzugefügt. In der primären
Fluganzeige (PFD) wurden Zusatzsymbole für Bahnwin-
kel (Kreis mit Mittelpunkt) und Energiewinkel (horizonta-
le Linie) hinzugefügt (bezeichnet als nxPFD, siehe Bild
4(a)), welche somit die Überwachung der Änderung des
Energiezustands und dessen Verteilung auf potentielle und
kinetische Energie erlauben. Durch den Bahnwinkel wer-
den Höhenänderungen deutlich und die Unterschiede zwi-
schen Bahn- und Energiewinkel lassen direkt die Auswir-
kungen auf die Geschwindigkeit erkennen. Diese Informa-
tionen beziehen sich ausschließlich auf den momentan vor-
handenen Zustand und sind auch ohne nxController nutz-
bar. Ähnliche Ansätze zur Integration von Energieinforma-
tionen ins Cockpit wurden z. B. in [18–20] vorgestellt und
werden in einigen Head-Up-Displays eingesetzt [21]. Zu-
dem ist die Darstellung des Bahnwinkels in konventionellen
PFDs standardmäßig möglich und den Piloten bekannt.
Die visuelle Schnittstelle zum nxController bildet das
nxStatus Display, eine vertikale Gradskala im Engine War-
ning Display (siehe Bild 4(b)). Auf der vertikalen Gradska-
la sind der Kommandowert (blaue Fahne), der momen-
tan vorherrschende Wert (grüner Zeiger) sowie die mini-
malen und maximalen Begrenzungen dargestellt. Die Be-
grenzungen stehen für die Leistungsenveloppe und verän-
dern sich entsprechend anliegender Fluggeschwindigkeit
und Höhe sowie der Konfiguration der Hochauftriebshil-
fen und Fahrwerk bei Start- und Landung. Die untere Be-
grenzung teilt sich auf in den minimal möglichen Energie-
winkel bei Leerlaufschub (umrahmtes unteres Band) und
(a) nxPFD: Energie- und Bahnwinkel im künstlichen
Horizont
(b) nxStatus im Engine Warning Display: vertikale
Gradskala für Energiewinkel und Kommando
(c) nxLever: Griff
mit Bremsklap-
penaktivierung
BILD 4: MMS des nxControl-Systems
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den minimalen Energiewinkel bei Leerlaufschub, wenn zu-
sätzlich die Bremsklappen maximal ausgefahren sind (aus-
gefülltes unteres Band). Da die Bremsklappen vom Reg-
ler erst eingesetzt werden, wenn der Pilot dies aktiv er-
laubt, kann der Ist-Wert die erste Begrenzung nur nach
Aktivierung der Bremsklappen unterschreiten. In Bild 4(b)
ist eine Situation gezeigt, in der der Pilot einen minima-
len Wert gewählt hat, der bereits außerhalb der möglichen
Begrenzungen liegt. Der Kommandowert liegt am unteren
Anschlag, während der Ist-Wert das x-Lastvielfachen bei
Leerlaufschub anzeigt, da keine Aktivierung der Brems-
klappen erlaubt wurde. Die Darstellung der Leistungsen-
veloppe wurde auch in [22] vorgeschlagen, wobei hier die
Informationen in einem Vertikaldisplay entlang des Flug-
pfades dargestellt werden. Konzepte zur Darstellung von
Schubgrenzen in Skalendarstellung inklusive Kommando-
und Ist-Wert der Fan-Drehzahl N1 bzw. des Druckverhält-
nisses EPR wurden z. B. in [23] patentiert und im PFD inte-
griert [24]. In den beiden nxDisplays wird das Lastvielfache
in Form des Energiewinkels dargestellt, da der Grad-Wert
direkt mit der Pitch-Skala verknüpft werden kann und somit
das Verständnis erleichtert.
Der nxLever ist die Eingabeschnittstelle, welche entge-
gen der konventionellen Schubsteuerung nur einen He-
bel für alle vorhandenen Triebwerke bereitstellt. Da nur
der Regelparameter nxvorgegeben werden soll, reicht
ein Hebel aus. In Bild 4(c) ist ein Prototyp des Hebel-
griffs dargestellt. Es sind die üblichen Schalter für Auto-
Thrust-Disconnect und Schubumkehr vorgesehen. Zudem
ist ein Schiebeschalter hinzugefügt worden, der zur Akti-
vierung der Bremsklappen dient. Kommandieren die Pilo-
ten eine Energieabnahme, die durch Leerlaufschub nicht
erreicht werden kann, kann dieser Schalter nach hinten
gezogen werden, wodurch die Bremsklappen zur Rege-
lung des kommandierten Wertes verwendet werden kön-
nen. Diese Aktivierung muss erneuert werden, wenn zwi-
schenzeitlich wieder die Triebwerke zur Regelung verwen-
det wurden. Der Hebelweg ist in der Mitte durch eine Raste
geteilt in Energiezu- bzw. -abfuhr. Rastet der Druckstift an
der Unterseite des Griffs in die Mittelstellung ein, bedeutet
dies, dass der momentane Gesamtenergiezustand gehal-
ten werden soll.
3 EVALUATIONSSTUDIEN
Das beschriebene Gesamtsystem wurde in zwei Flugsi-
mulatorstudien evaluiert. Dabei sollte geprüft werden, ob
es die anfänglich gestellten Anforderungen in Hinblick auf
Präzision und Arbeitsbeanspruchung erfüllen kann. Im ein-
zelnen wurde erwartet, dass sich durch die zusätzliche
Energieanzeige, sowie das präzisere Einstellen des benö-
tigten Schubs bei Verwendung von nxControl ein Vorteil
für die Präzision des manuellen Flugs ergibt. Konkret wur-
de angenommen, dass die Piloten vorgegebene Flugpa-
rameter, wie Fluggeschwindigkeit und Höhe präziser ein-
halten können. Zudem wurde angenommen, dass die Pi-
loten durch nxControl entlastet werden und somit die Ar-
beitsbeanspruchung der Piloten im manuellen Flug bei der
Nutzung des nxControl-Systems gegenüber dem konven-
tionellen manuellen Fliegen geringer ist. Speziell wurde
durch die zusätzliche Referenz des Energiewinkels und die
Assistenz des Vorgabereglers inklusive Kommandowert ei-
ne Reduktion der Schubhebelnutzungshäufigkeit erwartet.
Dies wird damit begründet, dass ein direkteres und prä-
ziseres Einstellen des benötigten Schubs möglich ist als
in der konventionellen Schubsteuerung und es damit zu
einer kognitiven und motorischen Entlastung der Piloten
kommt. In der ersten Evaluationsstudie, die zusammen mit
der in [5] beschriebenen Kampagne durchgeführt wurde,
war die Flugaufgabe ein standardmäßiger geradliniger ILS-
Landeanflug auf Frankfurt 25R. An dieser Studie nahmen
11 lizenzierte Verkehrspiloten teil (alle männlich, 2 Kapitä-
ne, 9 First Officer). Sie besaßen alle Airbus A320 Type-
Ratings und waren somit mit den Displays, dem Sidestick
sowie den Fly-By-Wire Control Laws vertraut. Durchschnitt-
lich waren die Teilnehmer 34 Jahre alt (SD =9,2a) mit
einer Spanne von 27 bis 55 Jahren. Die Flugerfahrung
lag zwischen 770 und 14560 Flugstunden, durchschnitt-
lich 4 371 Flugstunden (SD = 4 558,6h).
Eine zweite Evaluationsstudie beinhaltete Flugaufgaben
mit sehr hohen Ansprüchen an die Präzision – ein Lan-
deanflug auf Salzburg mit Required Navigation Performan-
ce RNP 0.1. An dieser Studie nahmen 24 Personen teil,
von denen 10 Kapitäne, 2 Senior First Officer und 12 First
Officer waren. Das Durchschnittsalter lag bei 40 Jahren
(SD =12,6a) in einer Altersspanne von 24 bis 63 Jah-
ren. Die Durchschnittliche Erfahrung der Piloten lag bei
8505 Flugstunden (SD = 7 422,4h) im Bereich von 600
bis 25 000 Flugstunden. Alle Piloten besaßen Airbus Type-
Ratings (20 x A320, 3 x A330/A340, 1 x A380).
Beide Versuche fanden im Festsitzsimulator SEPHIR (Si-
mulator for Educational Projects and Highly Innovative Re-
search) [25] des Fachgebiets Flugmechanik, Flugregelung
und Aeroelastizität (FMRA) an der TU Berlin statt, der mit
Airbus-ähnlichen Displays und Sidestick inkl. Control Laws
ausgerüstet ist. Zum neuen nxControl-System gab es vor
Beginn der Testszenarien ein Training, welches jeweils ca.
1,5 Stunden dauerte. Aus versuchstechnischen Gründen
führten die Versuchspersonen die Versuche vom Kapitäns-
sitz durch, ungeachtet der üblichen Position entsprechend
ihres Ranges. Dennoch wurden die Piloten angehalten sich
so gut wie möglich wie unter realen Flugbedingungen zu
verhalten. Während der Landeanflüge übernahm der Ver-
suchsleiter die Aufgaben des Pilot Monitoring wie z. B.
Eindrehen der Zielwerte an der Autopiloten-Bedieneinheit
(Flight Control Unit, FCU), Ausführen der kommandierten
Konfigurationsänderungen und Ausrufen von üblichen In-
formationen (Call Outs).
3.1 Getestete Systemkonfigurationen
Es wurden zwei Systemkonfigurationen verglichen:
• Konventionelle Ansteuerung von Schub und Brems-
klappen und
• nxControl (nxPFD, nxStatus und nxController).
Eine Zwischenstufe, bei der nur das nxPFD eingesetzt wur-
de, wird in diesem Beitrag nicht weiter dargestellt (sie-
he dazu [26–28]). Die Reihenfolgen der Konfigurationen
wurden ausbalanciert, sodass sowohl Lerneffekte als auch
Ermüdungseffekte über die Versuchsteilnehmer ausgegli-
chen wurden.
Es ist anzumerken, dass in der ersten Studie mit dem ILS-
Anflug ein erster Prototyp des nxControl-Systems getestet
wurde, der von dem in Abschnitt 2 beschriebenen System
abweicht. Zum Einen wurde die nxStatus-Anzeige in einem
Deutscher Luft- und Raumfahrtkon
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6©2016
separaten Display über dem Navigationsdisplay dargestellt
und zum Anderen waren die Reglerparameter noch im Sta-
dium der Vorauslegung und noch nicht optimiert worden.
3.2 Vergleichsparameter zur Evaluation
Zur Bewertung der Effekte durch nxControl auf die Präzi-
sion wurden Flugparameter gewählt, welche für das Ener-
giemanagement vertretend sind: Fluggeschwindigkeit und
Flughöhe sowie Bahnwinkel und Energiewinkel. Da die
Flugaufgabe eine fest vorgegebene Flugbahn mit vorgege-
benen Geschwindigkeiten vorsieht, kann als Maß für die
Präzision die Abweichung der Flugparameter von deren
Vorgaben verwendet werden. Hierfür wurde der quadra-
tisch gemittelte Fehlerwert (Root Mean Square Errors, RM-
SE) des jeweiligen Flugparameters xüber den mit 50 Hz
aufgezeichneten Zeitschritten iverwendet:
(7) RMSE(x)=n
i=1 (xi−xsoll,i)2
n.
Die Arbeitsbeanspruchung wurde sowohl durch subjektive
Befragung als auch über objektive Messungen der Hebel-
bewegung erfasst. Jeden Anflug sollten die Piloten direkt
anschließend mit dem NASA Task Load Index (TLX) [29]
und dessen sechs Subskalen: geistige Anforderungen, kör-
perliche Anforderungen, zeitliche Anforderungen, Leistung,
Anstrengung und Frustration bewerten. Daraus wurde ein
Gesamtwert (TLX Score) ermittelt. Die zusätzliche Gewich-
tung der einzelnen Kategorien aus dem originalen NASA-
TLX wurde aufgrund geringer Aussagekraft weggelassen
[30].
Die Hebelbewegung wurde während der Simulation aufge-
zeichnet. Diese wurde in eine prozentuale Hebelaktivität
überführt, indem die Hebelbewegungen gezählt wurden.
Gezählt wurde dann, wenn die Hebelposition im Abstand
von Δt=2s eine Schwelle LT =0,2cm überschreitet
(0,5 % des gesamten Hebelwegs):
countk=0,if |LPtk−Δt−LPtk|<LT
1,if |LPtk−Δt−LPtk|≥LT
(8)
Die Hebelaktivität LA ist die Summe dieser Hebelbewe-
gungen bezogen auf die Anzahl der Zeitpunkte N=t/Δt:
LA =N
k=1 countk
N.
(9)
Je höher dieses Verhältnis ist, je öfter also Korrekturen der
jeweiligen Einstellungen vorgenommen werden mussten,
desto höher wurde die kognitive und motorische Beanspru-
chung bei der Erfüllung der Flugaufgabe angenommen.
Weiterhin wurden im zweiten Evaluierungsversuch in ei-
nem Debriefing-Fragebogen subjektive Eindrücke zum
nxControl-System erfragt. Einerseits wurde die Nutzbar-
keit (Usability) anhand vorgefertigter Statements und einer
Skala von „Stimme nicht zu“, „Neutral“ und „Stimme zu“ von
den Testpersonen beurteilt (Anlehnung an System Usabili-
ty Scale [31]). Andererseits wurde erfragt bei welchen Dis-
playelementen sich das Scanningverhalten bei hinzu ge-
schaltetem nxControl-System verändert hat (Skala „Selte-
ner“, „Unverändert“, „Häufiger“).
3.3 Flugszenario und Prozedur
3.3.1 ILS-Anflug auf Frankfurt FRA25C
In der ersten Evaluationsstudie lag der Fokus auf der
Durchführbarkeit eines heutigen Standardverfahrens mit
dem nxControl-System. Daher wurde ein ILS-Landeanflug
auf Frankfurt als Flugaufgabe gewählt, der mit einer vorge-
gebenen und an die Versuchszwecke angepassten Flug-
prozedur für Konfigurations- und Geschwindigkeitsände-
rungen durchgeführt werden sollte (siehe Vertikalprofil in
Bild 5). In 20 NM Abstand zur Landeschwelle von FRA25C
begann das Flugszenario in 4000 ft Höhe über Meeres-
höhe (MSL) für einen geradlinigen Landeanflug. Vor dem
Einflug auf den 3° Glide Slope wurden zwei Konfigurations-
und Geschwindigkeitsänderungen durchgeführt, was ei-
nem üblichen Verlauf eines ILS-Anflugs entspricht. Beim
Einflug auf den Glide Slope sollte die Geschwindigkeit ge-
halten werden, was eine präzise Einstellung des Schubs
erforderte. Ein für Frankfurt ungewöhnlicher Verlauf wurde
bei 6 NM vor der Landebahn vorgesehen, da die volle Lan-
dekonfiguration bei gleichbleibender Geschwindigkeit ein-
gestellt werden sollte. Erst bei 5 NM vor der Landeschwel-
le sollte dann die Landegeschwindigkeit eingestellt wer-
den. Solche Abfolgen sind jedoch an anderen Flughäfen,
wie z. B. London Heathrow, durchaus Standard, da die
Landeanflüge somit schneller beendet und die Landebah-
nen stärker ausgelastet werden können. Die angegebenen
Punkte für die Geschwindigkeitsreduktionen sollten als Be-
ginn der Verzögerung genutzt und mit Leerlaufschub aus-
geführt werden. Es herrschte kein Wind, jedoch war die Au-
ßensicht durch Nebel bis zur Entscheidungshöhe erheblich
beeinträchtigt.
3.3.2 RNP-Anflug auf Salzburg SZG33
Als Flugaufgabe der zweiten Studie wurde ein möglichst
komplexes und aus Sicht des Energiemanagements an-
spruchsvolles Landeanflugszenario gewählt, das jedoch
auch manuell nach Rohdaten (Raw-Data) zu erfliegen war.
Dazu wurde die südöstliche RNP-Anflugroute auf Salzburg
SZG33 [32] verwendet, welche durch Täler führt und so-
mit beiderseits durch Gebirge begrenzt wird und zudem
einen steileren Glide Slope aufweist (3,6°) als üblich. Die
Genauigkeitsanforderung von RNP 0.3 (Required Naviga-
tion Performance) für diesen Anflug wurde für die Versu-
che noch verschärft und RNP 0.1 verlangt. Die Ablagen
vom Sollflugpfad wurden mit Hilfe der vom ILS bekannten
Rauten im PFD angezeigt. Ein Dot, der die gegebene Tole-
ranz markiert, entsprach einer lateralen Ablage von 0,1 NM
und vertikal 100 ft. Bild 6 zeigt das Vertikalprofil zusammen
mit Konfigurationszeitpunkten sowie Geschwindigkeitsvor-
gaben anhand der lateralen Abstände zum nächsten Weg-
punkt. Auch hier wurde für vergleichbare Ergebnisse eine
an die Versuchszwecke angepasste feste Anflugprozedur
vorgegeben, an die sich die Piloten möglichst präzise hal-
ten sollten. Diese Prozedur erhöhte den Anspruch an den
manuellen Flug noch weiter, da mit relativ hoher Geschwin-
digkeit und ohne Hochauftriebshilfen in 12000 ft Höhe MSL
auf den Glide Slope übergegangen wurde. Auch die schritt-
weise Konfiguration des Flugzeugs sollte die Belastung der
Piloten bis kurz vor Ende des Anflugs auf einem hohen
Level halten. Vom Beginn des Szenarios bis Wegpunkt
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F1 F2
GD,
F3,
F4
Start: 250 kt
4000 ft MSL
RWY
0
-5
-5
-6
-6
-9
-9
REDGO
-11
-1,7
-13
,
7
-4
-15
-7
-18
decel to
220 kt
d
ece
lt
o
180 kt
decel to
160 kt
decel to
108 kt
Heading
NM to next WP
NM to RWY
249 °
BILD 5: Flugprozedur auf Frankfurt FRA25C im Vertikalprofil über der Distanz zur Landebahn
F1
F4
Start: 220 kt
12000 ft MSL
RWY
0
3
5.3
4
6.3
4
31.0
2
23.6
4
25.6
WS5
15.0
WS3
19.5
decel to
145 kt
decel to
190 kt
decel to
108 kt
NM to next WP
NM to RWY
WS6
2.3
WS4
16.8
WS2
21.6
WS1
27.0
decel to
175 kt F2
F3
GD
5
7.3
10
12.3
329°
Heading 270° 322° 337°
BILD 6: Flugprozedur auf Salzburg SZG33 im Vertikalprofil über der Distanz zur Landebahn
WP2 war ein geradliniger Weg zu erfliegen. Es folgte ei-
ne Linkskurve bis WP3 und nach einem kurzen Zwischen-
stück wurde ab WP4 eine Rechtskurve eingeleitet. Bis zur
Entscheidungshöhe auf 2550 ft MSL folgte ein geradlini-
ger Abschnitt, der kurz vor der Landebahn an WP6 noch
mit einer weniger starken Rechtskurve zum Eindrehen auf
die Landebahnrichtung abgeschlossen wurde. Damit vor-
rangig Fluginstrumente verwendet wurden (head down),
wurde die Sichtweite in der Außensicht durch Nebel stark
reduziert, so dass die Landebahn erst kurz vor Erreichen
der Entscheidungshöhe sichtbar war. Zusätzlich herrschte
ein stetiger 15 Knoten Seitenwind aus 057° (keine Turbu-
lenz), der durch die Kursänderungen zwischenzeitlich vom
Seitenwind auf einen Rückenwind wechselte und somit zu-
sätzlich das Energiemanagement beeinflusste. Die ange-
gebenen Punkte der Geschwindigkeitsänderungen sollten
als Beginn der Verzögerungsphase benutzt werden und al-
le gegebenen Wegpunkte sollten als Überflugpunkte ver-
wendet werden.
Die Anflugprozedur wurde je Systemkonfiguration zweimal
hintereinander durchgeführt, um bei der Auswertung zwi-
schen zwei Versuchen mitteln zu können.
4 ERGEBNISSE
Die Vergleichsparameter der Simulatorstudien wurden sta-
tistisch analysiert und sind in Bild 7 und 8 als Boxplots
dargestellt. Eine Box repräsentiert den Bereich zwischen
den 25 % und 75 % Perzentilen, der durch den Median ge-
teilt wird. Zusätzlich wird der arithmetische Mittelwert durch
einen Stern dargestellt. Die Datenverteilungen wurden zwi-
schen den Systemkonfigurationen paarweise durch t-Tests
analysiert, welche die p-Werte (Wahrscheinlichkeit für zu-
fällige Datenverteilungen) in den Bildüberschriften erge-
ben. Liegt dieser Wert unter dem üblichen Signifikanzni-
veau von α=0,05, kann die statistische Signifikanz der
Mittelwertunterschiede zwischen den Systemkonfiguratio-
nen angenommen werden. [33]
4.1 ILS-Anflug auf Frankfurt
Flugpräzision der Piloten Die Verteilungen der RMSE
in Bild 7(a) bis 7(d) zeigen die Präzisionsparameter aller
Versuchsteilnehmer. Es wird deutlich, dass die Mittelwer-
te der Parameter nur geringfügig und auch nicht statistisch
signifikant variieren. Nur der Energiewinkel, welcher durch
das nxControl-System geregelt wird, zeigt eine Tendenz zu
kleineren Fehlerwerten mit nxControl (nur knapp nicht si-
gnifikant). Der erwartete Effekt der Verbesserung der Prä-
zision mit nxControl ist in diesem Szenario somit nicht zu-
verlässig statistisch nachweisbar.
Arbeitsbeanspruchung Die Hebelaktivität als Maß
der Arbeitsbeanspruchung ist, wie erwartet, mit dem
nxControl-System deutlich und statistisch signifikant ge-
sunken (siehe Bild 7(e)). Es ist jedoch anzumerken, dass
aufgrund technischer Probleme nur bei fünf der Teilnehmer
die Hebelaktivität mit dem nxControl-System aufgenom-
men wurde und daher die Stichprobe für diesen Parameter
niedriger ist als bei den anderen Systemkonfigurationen.
Der NASA-TLX Score (ohne Abbildung) als globales Maß
für die wahrgenommene Arbeitsbeanspruchung in den
unterschiedlichen Bedingungen zeigte keine signifikanten
Unterschiede. Zum Vergleich mit der zweiten Evaluati-
onsstudie sind in Bild 7(f) die Ergebnisse der Unterskala
„Körperliche Anforderung“ dargestellt, die ebenfalls keine
statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Sys-
temkonfigurationen aufweisen.
4.2 RNP Anflug auf Salzburg
Flugpräzision der Piloten Die Boxplots in Bild 8(a) bis
8(d) zeigen die Verteilungen der RMSE aller Versuchsper-
sonen der jeweiligen Präzisionsparameter. Es ist erkenn-
bar, dass der RMSE der Fluggeschwindigkeit im Vergleich
zur konventionellen Konfiguration mit nxControl signifikant
sinkt. Ein vergleichbarer Effekt für den RMSE für die Hö-
he wurde nicht gefunden. Die RMSE der beiden zusätz-
lich im nxPFD dargestellten Parameter Bahnwinkel und
Energiewinkel zeigen unterschiedliche Ergebnisse. Wäh-
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Conv/nxControl: p = 0.45
RMSE VCAS Deviation [kt]
Conv nxControl
(a) RMSE Fluggeschwindigkeit
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Conv/nxControl: p = 0.94
RMSE HSL Deviation [ft]
Conv nxControl
(b) RMSE Höhe
0
0.5
1
1.5
Conv/nxControl: p = 0.12
RMSE Gamma [°]
Conv nxControl
(c) RMSE Bahnwinkel
0
0.5
1
1.5
Conv/nxControl: p = 0.08
RMSE Energy Angle [°]
Conv nxControl
(d) RMSE Energiewinkel
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Conv/nxControl: p = 0.02
Lever Activity Thrust Lever [%]
Conv nxControl
(e) Hebelaktivität
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Conv/nxControl: p = 0.29
TLX Score Physical Demand [%]
Conv nxControl
(f) TLX Score Körperliche Anforderung
BILD 7: Ergebnisse ILS-Anflug auf Frankfurt: Statistische Auswertung der RMSE Werte von Präzisions- und Arbeitsbean-
spruchungsparametern.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Conv/nxControl: p < 0.01
RMSE VCAS Deviation [kt]
Conv nxControl
(a) RMSE Fluggeschwindigkeit
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Conv/nxControl: p = 0.15
RMSE HSL Deviation [ft]
Conv nxControl
(b) RMSE Höhe
0
0.5
1
1.5
Conv/nxControl: p = 0.32
RMSE Gamma [°]
Conv nxControl
(c) RMSE Bahnwinkel
0
0.5
1
1.5
Conv/nxControl: p < 0.01
RMSE Energy Angle [°]
Conv nxControl
(d) RMSE Energiewinkel
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Conv/nxControl: p < 0.01
Lever Activity Thrust Lever [%]
Conv nxControl
(e) Hebelaktivität
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Conv/nxControl: p = 0.02
TLX Score Physical Demand [%]
Conv nxControl
(f) TLX Score Körperliche Anforderung
BILD 8: Ergebnisse RNP-Anflug auf Salzburg: Statistische Auswertung der RMSE Werte von Präzisions- und Arbeitsbe-
anspruchungsparametern.
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nxControl: Ergebnisdiskussion
7
20
22
45
18
3
5
6
22
565
344
11
2
20
17
14 14
3
17
15
Ich denke, dass ich
das nxControl-
System gerne
regelmäßig nutzen
würde.
Ich fand das
nxControl-System
unnötig komplex.
Ich denke, das
nxControl-System
war leicht zu
benutzen.
Ich fand, die
verschiedenen
Funktionen des
nxControl-Systems
waren gut
integriert.
Ich glaube, dass
die meisten Piloten
sehr schnell lernen
würden, mit dem
nxControl-System
umzugehen.
Ich fühlte mich bei
der Nutzung des
nxControl-Systems
sehr sicher.
Ich musste viele
Dinge lernen,
bevor ich mit dem
nxControl-System
arbeiten konnte.
Ich glaube, dass ich
mit dem
nxControl-System
komplexe
Trajektorien (z.B.
RNP) manuell
präzise fliegen
könnte.
Ich glaube, dass ich
mit dem
nxControl-System
komplexe
Trajektorien (z.B.
RNP) manuell mit
geringer
Arbeitsbelastung
fliegen könnte.
Antworthäufigkeit
Stimme nicht zu Neutral Stimme zu
BILD 9: Usability-Fragebogen: Antworthäufigkeit je Frage
nxControl: Ergebnisdiskussion
21
13
2
8
15
6
1
3
10 11
15
7
14
21
01
11
12
4
2
N1 Pitch Center PFD Baro Altitude Vertical Speed Airspeed Heading
Antworthäufigkeit
seltener unverändert häufi
g
er
BILD 10: Scanning-Fragebogen: Antworthäufigkeit je genutztem Display-Element bei nxControl
rend der RMSE des Bahnwinkels in beiden Konfigurationen
gleich bleibt, wurde der Fehler im Energiewinkel durch das
nxControl-System gegenüber dem konventionellen Flug si-
gnifikant gesenkt.
Arbeitsbeanspruchung In Bild 8(e) sind die Boxplots
der Hebelaktivität gezeigt. Wie erwartet reduziert sich die
Hebelaktivität signifikant bei Verwendung des Gesamtsys-
tems im Gegensatz zur konventionellen Schubsteuerung.
Der Gesamt-Score des NASA-TLX (ohne Abbildung) zeigt
keinen signifikanten Effekt bei der Arbeitsbeanspruchung.
Werden jedoch die einzelnen Dimensionen des NASA-TLX
Fragebogens separat ausgewertet, zeigt sich wie erwartet
in der Subskala „Körperliche Anforderungen“ (Bild 8(f)) die
Entlastung in der Simulatorkonfiguration mit hinzugeschal-
tetem nxControl. Die weiteren Dimensionen des TLX zeig-
ten keine signifikant unterschiedlichen Ergebnisse.
Fragebögen Bild 9 zeigt die Fragestellungen und Er-
gebnisse des Usability-Fragebogens, wobei die kumulier-
ten Antworthäufigkeiten je Frage angegeben sind. In je-
der Frage zeichnet sich eine für das nxControl-System po-
sitive Antworttendenz ab. In Bild 10 sind die relevanten
Display-Elemente und die Antworthäufigkeiten des Scan-
ning-Fragebogens bei der Nutzung des nxControl-Systems
veranschaulicht. Es wird deutlich, dass laut Einschätzung
der Piloten Nicklage (Pitch), Vertikalgeschwindigkeit (Ver-
tical Speed), Höhe und Drehzahl N1 seltener gescannt
wurden bei Verwendung des nxControl-Systems. Hinge-
gen nimmt das Scanning des Zentrums des PFDs zu.
4.3 Diskussion der Ergebnisse
Die Ergebnisse der ILS-Anflug-Studie zeigen nur geringe
Effekte durch den Einsatz des nxControl-Systems und de-
cken sich mit den Resultaten der Studie mit kurzen Flug-
aufgaben [5]. Die Präzisionsparameter bleiben für beide
Systemkonfigurationen nahezu gleich und auch die subjek-
tive Wahrnehmung der Arbeitsbeanspruchung ändert sich
kaum. Ausschließlich die Hebelbewegungshäufigkeit zeigt
den erwarteten Effekt der verminderten Arbeitsbeanspru-
chung mit nxControl. Erklärt werden kann dies dadurch,
dass Piloten Schwankungen der aktuellen Werte in einem
gewissen Band tolerieren, damit der Flug nicht durch hoch-
frequente Steuerkommandos unruhig wird. Durch die rela-
tiv geringen Präzisionsanforderungen beim ILS-Anflug be-
stand kein Anreiz die Präzision noch weiter zu verbessern,
weshalb das vermutete Potential des nxControl-Systems
nicht genutzt wurde. Bemerkenswert ist, dass trotz des ge-
ringen Trainings die Ergebnisse mit nxControl gleich denen
waren, die konventionell erflogen wurden. Die Ergebnisse
der anspruchsvolleren RNP-Anflug-Studie zeigen dagegen
die erwarteten positiven Effekte des nxControl-Systems.
So wurden die erwarteten Verbesserungen bei Geschwin-
digkeit und Energiewinkel durch nxControl erreicht. Nur
Höhen- und Bahnwinkelfehler blieben unverändert. Dass
der Höhenverlauf nicht durch nxControl beeinflusst wur-
de, folgt vermutlich aus dem bahnstabilen Regelgesetz
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10©2016
des Sidesticks. Energieänderungen werden dabei vorran-
gig in Geschwindigkeitsänderungen überführt, da das ver-
tikale Lastvielfache nzkonstant gehalten wird. An diesem
Verhalten ändert das nxControl-System nichts, weshalb
auch keine Unterschiede in der vertikalen Bahnbewegung
entstehen können. Da demnach Energieänderungen zu-
nächst auf die Geschwindigkeit wirken, kann der Effekt
durch nxControl am besten in den Geschwindigkeits- und
Energieparametern abgelesen werden. Änderungen in der
Geschwindigkeit können durch die zentralisierte Darstel-
lung mit dem nxPFD schneller und genauer erfasst wer-
den, als es mit einem konventionellen PFD der Fall ist, da
der Speed Trend im PFD träge reagiert und erst ab einem
bestimmten Schwellwert Änderungen darstellt. Damit kön-
nen Piloten einem auftretenden Fehler schneller und ge-
nauer entgegenwirken. Auch die Darstellung des Energie-
winkels bringt zusätzliche Informationen über den Energie-
status ins Cockpit, wodurch ungenaue Schubeinstellungen
schneller erfasst werden. Der nxController verhindert zu-
dem Fehler durch Störungen automatisch.
In beiden Anflugszenarien konnte nxControl die Hebelak-
tivität deutlich und wie erwartet senken. Zwar zeigte sich
im Gesamtwert des NASA TLX kein signifikanter Unter-
schied in der subjektiven Gesamtbeanspruchung zwischen
den Bedingungen, speziell die Werte für die Einschätzung
der körperlichen Anforderungen zeigten aber den erwarte-
ten Effekt. Das zeigt, dass die Möglichkeit der gezielteren
Eingabe am Schubhebel durch die Darstellung des Ener-
giewinkels im nxPFD zu einer Entlastung der Piloten ge-
führt hat, da diese gezielt und nicht durch „blindes Heran-
tasten“, wie im konventionellen Fall, steuern konnten. Da
der Regler zudem Störungen automatisch ausgleicht, ohne
weitere Eingaben zu erfordern, wird zusätzlich die objekti-
ve Belastung gesenkt. Allerdings war dieser Effekt nicht so
groß, die insgesamt wahrgenommene Beanspruchung zu
reduzieren. Im Debriefing merkten die Piloten an, dass das
nxStatus Display zu weit entfernt vom primären Display ist,
wodurch das Scanning des Kommandowertes erschwert
wurde. Der Einbauort war durch die Möglichkeiten im Si-
mulator vorgegeben. In einem zukünftigen Cockpit sollte
das nxStatus Display zentraler platziert werden. Allgemein
wurde das Scanning auf das Zentrum des nxPFD fokus-
siert. Es wird davon ausgegangen, dass die Konfrontation
mit einem neuen System und dem eher kurzen Training ei-
ne erhöhte Arbeitsbeanspruchung im Vergleich zum alltäg-
lichen konventionellen Fliegen hervorruft. Da die Abläufe
und das Verständnis des neuen Systems nach der kurzen
Einweisungszeit nicht so fest verankert sind wie im konven-
tionellen Fall, ist eine gleichbleibende kognitive Arbeitsbe-
anspruchung bei den Flugszenarien aber bereits als positiv
zu werten. Des weiteren könnten die Ergebnisse der First
Officer durch den für sie ungewohnten linken Arbeitsplatz
und dem damit einhergehenden geänderten Parameters-
canning und motorischen Verhalten beeinflusst sein. Es ist
zu erwarten, dass nach ausreichendem Training auch die
Arbeitsbeanspruchung insgesamt abnehmen wird.
5 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT
Das Ziel des nxControl Projektes ist es, ein präzises manu-
elles Fliegen auf anspruchsvollen, gekrümmten Trajektori-
en bei verringerter Arbeitsbeanspruchung zu ermöglichen.
Für dieses Ziel wurde das System ausgelegt. Mit Evaluie-
rungsversuchen wurde nachgewiesen, dass dieses Ziel für
RNP-Landeanflüge erreicht wurde. Die Motivation des Pro-
jektes ergab sich aus dem wachsenden Luftverkehr und
den zusätzlichen Sicherheitsanforderungen, die aus dem
Verlust von Flugfertigkeiten bei übermäßigem Verwenden
des Autopiloten entstehen. Das System soll demzufolge
auch die Sicherheit im Flug erhöhen. Sicherheit adressiert
hier
• das stetige Trainieren der Flugfertigkeiten durch
mehr manuellen Flug,
• die geringe Änderung der Arbeitsabläufe durch ein
weiteres System wie nxControl gegenüber dem kon-
ventionellen Flug, um die grundlegenden Flugfertig-
keiten nicht zu beeinflussen und
• die Verbesserung des Energiebewusstseins und der
Energiesteuerung.
Die Ergebnisse zeigen, dass die manuelle Steuerung ins-
besondere bei anspruchsvollen aber auch bei Standard-
Szenarien durch nxControl weniger Arbeitsaufwand er-
fordert. Zudem konnte bei dem anspruchsvolleren RNP-
Szenario eine Verbesserung der Präzision erreicht wer-
den. Somit wäre häufigeres manuelles Fliegen auch zu-
künftig trotz hoher Präzisionsanforderungen möglich. Die
prinzipiellen Armbewegungen zum Zu-/Abführen von Ener-
gie am nxLever gleichen der konventionellen Schubsteue-
rung, wodurch die Arbeitsabläufe kaum beeinflusst werden.
Da Energiestörungen vom Regler automatisch ausgegli-
chen werden, ändert sich die Steuerstrategie gegenüber
der konventionellen. Auch die Änderung des Scanning-
Patterns weg von grundlegenden Parametern wie Trieb-
werksdrehzahl und Längslagewinkel hin zu den physika-
lisch aussagekräftigen Parametern Bahn- und Energiewin-
kel verändern die übliche Arbeitsweise. Wie sich diese
Veränderung auf die Flugfertigkeiten auswirken, ist noch
kritisch zu hinterfragen, da bei einem Ausfall des Sys-
tems wieder auf die konventionellen Abläufe zurückgegrif-
fen werden müsste. Da die nxDisplays zusätzliche Informa-
tionen zu Energieentwicklung und -verteilung liefern, sind –
auch bei Degradierung auf konventionelle Steuerung – ei-
ne gezielte Energievorgabe und eine schnelle Reaktion auf
Störungen möglich. Insgesamt kann festgehalten werden,
dass das nxControl-System im intakten Fall sowohl Sicher-
heit als auch Präzision des manuellen Flugs erhöht. Wie
ein Ausfall des Systems oder wichtiger Komponenten des
Systems diese Parameter beeinflusst, ist offen und wird zu-
künftig adressiert.
DANKSAGUNG
Diese Arbeit entstand im Rahmen des Projektes nxControl,
welches durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG), GZ: LU 1397/3-1, MA 3759/3-1, gefördert wird.
Die Autoren möchten den Piloten danken, die sich für die
Versuche zur Verfügung gestellt haben, und der Vereini-
gung Cockpit e.V., die bei deren Mitgliedern für die Flug-
simulatorstudie geworben hat. Desweiteren gilt ein großer
Dank B. Boche, D. Bieniek, A. Kaden, I. Karakaya und M.
Schaumburg, die durch ihre Unterstützung wesentlich zur
erfolgreichen Versuchsdurchführung beigetragen haben.
Deutscher Luft- und Raumfahrtkon
g
ress 2016
11©2016
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