Leistungsbasierte Flugnavigation

Die leistungsbasierte Navigation (englisch: performance based navigation, PBN ist ein Begriff der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation und bezeichnet ein Navigationskonzept, mit dem sich die erforderliche Navigationsleistung eines Flugzeuges und der Flächennavigationssysteme hinsichtlich der Genauigkeit, Integrität, Verfügbarkeit, Kontinuität und Funktionalität perfektioniert werden soll. Ausschlaggebende Größen sind dabei der bestimmte Luftraum und die beabsichtigten Verläufe.
Die Ziele der PBN sind es, die Flächennavigation und die erforderliche Navigationsleistung global zu vereinheitlichen und dementsprechend die unterschiedlichen Nuancen der Navigation zu begrenzen.
Gemäß der ICAO-Definition versteht man unter der leistungsbasierten Navigation „die Flächennavigation auf der Grundlage der Leistungsanforderungen an Flugzeuge, die entlang eine Route passieren, Instrumentenanflugverfahren oder eines bestimmten Luftraumes“.
PNB legt Leistungsanforderungen für Flugzeuge, die in kontrollierten Flugstrecken, in der Nähe von Terminals oder in einem bestimmten Luftraum navigieren. Mit Unterstützung der ICAO sollen unterschiedliche regionale Bestimmungen für Flächennavigationsverfahren und erforderliche Navigationsleistung in PBN vereinheitlicht werden.

Allgemeines

Historisch gesehen wurden Navigationsanforderungen auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Sensoren (Navigationsbaken oder Wegpunkte) beschrieben. Eine Anforderung, die zusätzliche Voraussetzungen für die Überwachung der Navigationsleistung an Bord des Flugzeuges stellt, gehört zu den Anforderungen der erforderlichen Navigationsleistung (englisch: required navigation performance, RNP). Andernfalls wird von der Flächennavigation (area navigation, RNAV) gesprochen.
Leistungsanforderungen werden in der Navigationsbeschreibung festgelegt, welche auch die Wahl der Navigationssensoren und der Ausstattung bestimmt, mit denen die erforderliche Leistung erzielt werden soll. Die Navigationsbeschreibung stellt Anwendungsleitlinien bereit, damit die globale Angleichung beschleunigt wird.
Gemäß PNB richten sich allgemeine Navigationsanforderungen zuerst an den betrieblichen Gegebenheiten. Behörden der Zivilluftfahrt werden dann weitere Optionen hinsichtlich der verfügbaren Technologien und Navigationsdiensten aus. Die ausgewählte Lösung sollte für die Behörde im Gegensatz zu der an den operativen Anforderungen orientierten Variante am kostengünstigsten sein. Die Technologie kann sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln, ohne dass die Vorgänge an sich überarbeitet werden sollen, solange die notwendige Leistung durch das RNP- oder RNAV-System unterstützt wird.

PNB bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Verfahren:

Reduziert die Notwendigkeit und die Kosten für die Wartung sensorengestützter Routen und Verfahren. Zum Beispiel, die Verschiebung eines einzelnen Drehfunkfeuers kann sich auf vielen Verfahren wie Anflugkontrolle oder Fehlanflug auswirken. Neue sensorspezifische Methoden einzuführen, würde zusätzliche Kosten verursachen und der schnelle Zuwachs an verfügbaren Navigationssystemen würde diese Routen und Verfahren bald unerschwinglich machen.
Vermeidet die kostspielige Notwendigkeit für die Entwicklung von sensorspezifischen Verfahren bei jeder neuen Entwicklung von Navigationssystemen. Der Ausbau von Sattelitennavigationssystemen soll auch der Vielfalt der RNP- und RNAV-Systeme zugutekommen. Das ursprüngliche globale Navigationssatellitensystem, dessen Einsatz und Integration werden ständig weiterentwickelt.
Ermöglicht eine effizientere Nutzung des Luftraumes (Routenwahl, Treibstoffeffizienz und Lärmschutz).
Verdeutlicht, wie RNAV-Systeme verwendet werden
Erleichtert die Betriebsgenehmigungsverfahren für Zivilluftfahrtbehörden durch eine Reihe von weltweit einheitlichen Navigationsanforderungen.

Innerhalb eines Luftraums ist PNB von Kommunikation, Überwachung, Flugverkehrskontrolle, verfügbaren Navigationshilfen sowie funktionaler und betrieblicher Leistungsfähigkeit betroffen. Ein weiteres Kriterium ist das Vorhandensein anderer, nicht RNAV-Navigationsmittel und somit das Maß an Redundanz.

Auswirkung auf den Luftraum

Typischerweise werden Mindestabstände bei der Staffelung mittels Sensoren bestimmt. Unter PBN werden diese Abstände anhand von rohen Daten aus verschiedenen Navigationshilfen berechnet. PBN erfordert ein Flächennavigationssystem, in dem unverarbeitete Navigationsdaten integriert sind, um die Positionierungs- und Navigationsfunktion zu erfüllen. Die Luftraumplaner studieren den Teil der Navigationsspezifikationen, wo die Parameter des RNAV-Systems beschrieben sind. Solche Faktoren wie Genauigkeit, Integrität, Verfügbarkeit und Kontinuität fließen ebenfalls in die Berechnung mit ein.
In einem kontrollierten Luftraum soll die Methode der erwarteten Navigationsleistung besser für die Festlegung der Mindeststaffelung und Streckenabständen geeignet sein, als die Flächennavigation. Die Überwachungs- und Alarmierungsfunktionen an Bord stellen einen Risikoschutz dar und können somit die Abwesenheit der Flugverkehrsüberwachungsdienste kompensieren.

Überwachung und Warnung

Die Leistungsüberwachung und Alarmierung an Bord sind die zwei wichtigsten Komponenten des PBN-Konzeptes. Sie stellen fest, ob ein Navigationssystem das erforderliche Sicherheitsniveau erreicht. Dies betrifft sowohl laterale als auch longitudinale Navigation.
RNP-Systeme verbessern die Integrität der Vorgänge. Dadurch können Flugstrecken enger zueinander festgelegt werden. Auch erlaubt die Integrität die Verwendung von ausschließlich Flächennavigationssystemen in einem bestimmten Luftraum. Der Einsatz von RNP-Systemen bietet daher signifikante Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Betriebsabläufe und Effizienz.
Den RNAV-Systemen liegen bestehende Lufttüchtigkeitskriterien zugrunde. Anhand expliziter und weit ausgelegter Anforderungen müssen sie eine Funktion oder eine Leistung demonstrieren. Während die nominale RNAV-Leistung sehr gut sein kann, wird sie durch die Variabilität der Systemfunktionalität und der relativen Flugleistung charakterisiert. RNP-Systeme stellen ein Mittel dar, um diese Wechselhaftigkeit zu verringern und sicherzustellen, dass der Flugbetrieb zuverlässig, wiederholbar und vorhersehbar ist.

„An Bord“ bedeutet ausdrücklich, dass die Beobachtung und Warnung an Bord des bestimmten Flugzeuges und nicht anderswo (zum Beispiel bodengestützte Technik oder Überwachung durch Flugverkehrskontrolle) stattfinden. Das System sucht nach flugtechnischem Versagen (englisch: flight technical error, FTE) und Fehlern des Navigationssystems (englisch: navigation system error, NSE). Andere Fehlerarten werden als vernachlässigbar angesehen.
Der Begriff „Überwachung“ bezieht sich auf die Beobachtung der Flugzeugleistung in Bezug auf die Fähigkeit, Ortungsfehler zu erkennen und dem eingegebenen Pfad zu folgen.
Die „Warnung“ oder „Alarmierung“ stützt sich auf die Überwachung: wenn das Navigationssystem des Flugzeuges nicht erwartungsgemäß funktioniert, wird die Cockpit-Crew gewarnt.

Spezifische Funktionen der Navigationssysteme

Leistungsbasierter Flugbetriebt beruht auf der Fähigkeit des Systems, zuverlässige, wiederholbare und vorhersehbare Flugrouten zu erstellen, um die Kapazität und die Effizienz der Abläufe zu erhöhen. Die Implementierung setzt nicht nur die Funktionen voraus, die traditionell die RNAV-Systeme erfüllten, sondern auch kann auch weitere spezifische Methoden umfassen.
Das System muss in der Lage sein, auf einer kurvigen Flugbahn mit festgelegtem Radius zu funktionieren. Dies soll mit derselben Genauigkeit ablaufen, wie bei geradlinigen Flugbahnen. Zwei Varianten des Vorgehens gibt es für Anflug- und Terminal-Verfahren sowie für Streckenverfahren.
Das RNAV-System verwertet Informationen über die Geschwindigkeit des Flugzeuges, Neigungswinkel, Änderungen der Windrichtung und des Kurswinkels über Grund, um eine Drehung in der Flugbahn zu berechnen, welche reibungslos von einem Bahnsegment in den nächsten übergeht. Die Parameter, die den Radius der Drehung beeinflussen, können, jedoch, je nach Flugzeugtyp, Geschwindigkeit und Wind unterschiedlich sein, sodass der Punkt, an dem die Drehung beginnt sowie deren Bereich ebenfalls variieren können.
Flächennavigationssysteme erleichtern das Verfahren der Warteschleife, indem die Flugrichtung und die Zeit der Drehung sowie die Zeit des Geradeausfluges abgegrenzt werden und das Verlassen der Warteschleife vorbereitet wird. Neue Generationen von RNP-Systemen ermöglichen einen nahtlosen Eingang in die Warteschleife. Dadurch kann der geschützte Luftraum um den Bereich der Warteschleife reduziert werden.
Mit den RNAV-Systemen können Piloten einen lateralen Versatz von bis zu 20 NM von der definierten Flugroute festlegen. Wenn diese Option im RNAV-System aktiviert ist, wird das Flugzeug die definierte Flugroute verlassen und einen Versatz unter einem Winkel von 45° oder weniger abfangen. Wird die Option wieder ausgeschaltet, so kehrt das Flugzeug auf dieselbe Art und Weise auf die Flugroute zurück. Die Verschiebungen sind notwendig, um Kollision in der Luft, Turbulenzen oder Windeffekte zu vermeiden.

Es ist zu erwarten, dass zukünftige Navigationsmodelle einen mehrdimensionalen Raum darstellen, obwohl es noch schwierig ist, Zeitskalen und Betriebsbedingungen zu definieren. Folglich muss die Leistungsüberwachung und Warnung weiterhin auf der vertikalen Ebene weiterentwickelt und longitudinale und lineare Prozesse harmonisiert werden. Spezifische Anforderungen an Anflug- und Landeverfahren werden zukünftig in dem PBN-Konzept inbegriffen sein.

Vorteile

Umweltfreundlichkeit:
- Reduziert Emissionen von Treibhausgasen durch Treibstoffeinsparung
- 3,19 Kilogramm Emissionen weniger pro 1 Kilogramm Kraftstoffeinsparung, erreicht durch kürzere und vertikal optimierte Flugrouten
- Schätzungen der Internationalen Lufttransport-Organisation zufolge, sollen durch die Implementierung der PBN-Systeme weltweit bis zu 13 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden.
- Ermöglicht einen Sinkflug aus großen Höhen bei minimalen Schubeinstellungen
- Konsistente, präzise Wege können mit Rücksicht auf lärmempfindliche Gegenden gelegt werden
- Durch optimierte Flugprofile kann der Lärmpegel weiter gesenkt werden
- Ermöglicht geringere und leisere Schubwerte
Verbesserung der Sicherheit:
- Verringert das Risiko von „Controlled flight into terrain“-Unfällen, bei denen voll funktionsfähige Flugzeuge von Piloten unbewusst gegen den Boden oder ein Hindernis gesteuert werden.
- Bietet sehr präzise laterale und vertikale Flugrouten
- Ermöglicht konsistente, vorhersehbare und stabilisierte Anflüge
- Flugzeuge landen entsprechend der Mittellinie der Landebahn und immer mit der gleichen Konfiguration und Geschwindigkeit
- Reduziert Abweichungen durch widrige Wetterbedingungen
- Ermöglicht es den Flugzeugen, auch bei Schlechtsichtbedingungen den Flughafen zuverlässig zu erreichen
Optimale Betriebskosten und Rentabilität:
- Reduziert Brennstoffabfälle durch kürzere Flugstrecken, optimierte Sinkflugverfahren und weniger Abweichungen
- Ermöglicht direktere und enger benachbarte Flugrouten, wodurch Treibstoffeffizienz erhöht und die Varianz in der Flugzeit verringert wird
- Schafft neue Marktchancen dadurch, dass Gegenden mit problematischen Landschaft und Wetter erreicht werden können
- Ermöglicht bessere Entwicklungschancen für Fluggesellschaften, da Emissionswerte auf der ganzen Welt begrenzt werden
- Ermöglicht ein gewisses Maß an Präzisionsanflug ohne teure Bodeninfrastruktur
- Erhöht die Zufriedenheit und Loyalität der Kunden, indem Verspätungen reduziert werden
Erhöhte Luftraumkapazität
- Erhöht die Verkehrskapazität durch effizientere Flugrouten und glattere Abläufe
- Reduziert Konflikte im Luftraum zwischen zwei benachbarten Flughäfen, eingeschränkten Fluggebieten oder anderen Luftraumbereichen mit Sondernutzungsrechten.

Siehe auch