TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Institut für Luft- und ... · TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Institut für Luft- und Raumfahrt Marchstr. 12 10587 Berlin Prof. Dr.-Ing. G. Hüttig

TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLINInstitut für Luft- und Raumfahrt

Marchstr. 12 10587 BerlinProf. Dr.-Ing. G. HüttigTel.: (030) 314-22462Fax.: (030) 314-24459

Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben:

„Untersuchung der Arbeitssituation im Cockpit modernerVerkehrsflugzeuge bei Einführung neuer Informations-

verarbeitungs- und -darstellungsmöglichkeiten“

Az.: Hu 345/4-2

Bearbeitungszeitraum:Juni 1993 - Dezember 1997

Mitarbeiter:Dipl.-Psych. A. Tautz (1993-97)Dipl.-Ing. A. Hotes (1993-95)Dipl.-Ing. G. Anders (1996-97)

cand.-Ing. A. Lanfer (1996-97)

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung............................................................................................................3

2 Einleitung, Themenstellung und Erkenntnisstand .......................................................4

2.1 Einleitung ....................................................................................................................4

2.2 Themenstellung...........................................................................................................4

2.3 Erkenntnisstand zu Beginn des Berichtszeitraumes....................................................5

3 Forschungseinrichtung ....................................................................................................8

4 Vorgehensweise, angewandte und entwickelte Methoden .........................................10

5 Durchgeführte Arbeiten ................................................................................................13

5.1 Vorversuch ................................................................................................................135.1.1 Konzeption..................................................................................................................... 13

5.1.2 Durchführung................................................................................................................. 14

5.1.3 Ergebnisse...................................................................................................................... 15

5.2 Entwicklung des Experimental Navigation Display (eND) ......................................17

5.3 Entwicklung und Integration des ATC Message Display .........................................19

5.4 Implementierung eines ATC-Confirm Knopfes........................................................20

5.5 Crew-Procedure.........................................................................................................205.5.1 Kategorisierung der Flugsicherungsanweisungen......................................................... 20

5.5.2 Definition der Crew-Procedure ..................................................................................... 21

5.6 Hauptversuch ............................................................................................................225.6.1 Konzeption..................................................................................................................... 23

5.6.2 Durchführung der ersten Evaluierungsuntersuchung .................................................... 28

5.6.3 Ergebnisse aus der ersten Evaluierungsuntersuchung................................................... 29

5.7 Entwicklung und Integration von neuen Data-Link Funktionalitäten.......................33

5.8 Hauptversuch mit integriertem Data-Link Gesamtsystem ........................................37

6 Gesamtevaluierung ........................................................................................................38

6.1 Ergebnisse .................................................................................................................38

6.2 Kompensation für Party-Line Effekt.........................................................................44

7 Ausblick ..........................................................................................................................47

8 Veröffentlichungen im Berichtszeitraum.....................................................................49

8.1 Veröffentlichungen ...................................................................................................49

8.2 Vorträge.....................................................................................................................49

8.3 Studien- und Diplomarbeiten, Dissertationen...........................................................50

9 Literatur..........................................................................................................................51

10 Anhänge ........................................................................................................................52

1 Zusammenfassung

Das Untersuchungsziel dieses Forschungsprojektes war die Optimierung der Mensch-

Maschine-Schnittstelle im Cockpit für den Teilbereich der Informationsdarstellung und

-verarbeitung für zukünftige Anforderungen in kooperativen Systemen der Flugsicherung

und Flugführung. Im Gegensatz zur derzeitigen Flugpraxis, in der Flugsicherungs-

anweisungen über Sprechfunk übermittelt werden, sollte eine zukünftige alternative

Verfahrensweise untersucht werden, bei der Flugsicherungsinformationen digital via eines

Data-Link zwischen Bord und Boden ausgetauscht werden. Dazu wurden zunächst die

Möglichkeiten der alternativen Informationsumsetzung, -darstellung und -aufnahme

analysiert. Daraus folgte ein Konzept zur schrittweisen Implementierung und Evaluierung

von Data-Link Funktionen im Cockpit.

Im ersten Entwicklungsschritt wurden die bisher verbalen Flugsicherungsinformationen

durch eine alphanumerische Darstellung im Cockpit des Airbus A340 Simulators ersetzt.

Dazu wurde ein experimentelles Navigation Display (eND) mit integriertem Air Traffic

Control (ATC) Display zur Anzeige kurzfristiger Anweisungen entwickelt, implementiert

und in ersten Simulatorversuchen evaluiert. In weiteren Entwicklungen wurde auch das

Flight Management System (FMS) und dessen Bedienschnittstelle MCDU (Multi-purpose

Control and Display Unit) um Data-Link Funktionen erweitert, so daß neben der

Bearbeitung von taktischen Flugsicherungsanweisungen nun auch gesamte Flugpläne auf

strategischer Ebene ausgetauscht und verhandelt werden konnten. Außerdem konnten

bisherige Flugsicherungsanweisungen wieder abgerufen und die aktuellen Wetterinforma-

tionen auf der MCDU eingesehen werden.

Die Auswirkung der integrierten Data-Link Umgebung auf die Arbeitssituation im Cockpit

im Vergleich zur herkömmlichen Sprechfunksituation wurde in 15 realitätsnahen

Versuchen mit 30 erfahrenen Piloten im A340 Full Flight Simulator untersucht.

Das hier vorgeschlagene und implementierte Konzept zur Integration von Data-Link im

modernen Glas-Cockpit kann aufgrund der Ergebnisse der Gesamtevaluation insgesamt als

sehr positiv eingeschätzt werden. Unter Berücksichtigung der Routineunterschiede bei der

vergleichenden Untersuchung zwischen herkömmlichen Sprechfunk und dem neuen Data-

Link Szenario zeigen die Ergebnisse bezüglich der Workload-Messung, der Crew-Pro-

cedure, der Einbindung der neuen FMS Funktionalitäten und der Pilotenangaben aus den

Interviews, daß das hier vorgeschlagene Konzept eine vielversprechende Möglichkeit von

Data-Link im modernen Glas-Cockpit darstellt.

2 Einleitung, Themenstellung und Erkenntnisstand

2.1 Einleitung

Das System Flugzeug wird durch technische Weiterentwicklungen immer komplexer. Dies

beeinflußt u. a. die Anforderungen an die Informationsdarstellung im Cockpit maßgeblich

und erfordert insbesondere die Darstellung vernetzter Informationsstrukturen, um die

Flugführungsaufgabe möglichst effektiv zu erfüllen.

2.2 Themenstellung

Das Ziel des Forschungsprojektes war die Untersuchung der Veränderung der Arbeits-

situation der Piloten bei Einführung neuer Formen der Informationsverarbeitung und

-darstellung im Cockpit unter Berücksichtigung anthropotechnischer Aspekte. Unter der

Annahme, daß der Sprechfunk bei der routinemäßigen Durchführung eines Fluges

zukünftig durch Data-Link Funktionen ersetzt wird und nur noch im Bedarfsfall oder in

kritischen Situationen verwendet wird, sollte im Cockpit eines Airbus A340

Flugsimulators untersucht werden, inwieweit sich die Arbeitsbeanspruchung der Cockpit

Crew in Abhängigkeit der meist visuellen Flugsicherungsinformation verändert.

Eine zunächst wesentliche Fragestellung betraf dabei die mögliche Positionierung einer

Air Traffic Control (ATC) Anzeige im Cockpit, wo Flugsicherungsanweisungen

dargestellt werden können. Im ersten Ansatz sollte das Electronic Flight Information

Systems (EFIS) im Hauptblickfeld beider Piloten als geeigneter Anzeigenort untersucht

werden.

Der herkömmliche Sprechfunkverkehr zwischen Lotsen und Pilot ist international

festgelegt und erfolgt in der Regel nach einer eindeutig definierten Phraseologie, von der

nicht abgewichen wird. Dies bildete eine gute Ausgangsbasis für die Entwicklung einer

visuellen Darstellung von Kontrollanweisungen.

Um einerseits die Piloten im Umgang mit Data-Link im Cockpit zu unterstützen und

andererseits auch Möglichkeiten auszunutzen, die der heutige Sprechfunk nicht bietet,

sollten die visuell dargestellten Flugsicherungsanweisungen gespeichert und später wieder

eingesehen werden können. Dazu war es nötig, einen Bordcomputer in den Verarbei-

tungsprozeß der Flugsicherungsdaten einzubinden. Für diesen Computer sollte dann eine

geeignete Schnittstelle entwickelt und evaluiert werden, die den Umgang mit Data-Link

Funktionalitäten unterstützt.

Außerdem sollten diese erweiterten Data-Link Funktionalitäten auch das Verarbeiten von

langen Texten (z. B.: Wetterdaten = ATIS) sowie eine Verhandlung von Flugplandaten

zischen Bord und Boden ermöglichen.

Neben der Darstellung von Flugsicherungsanweisungen würde insbesondere die Möglich-

keit zum Austausch von Flugplänen eine wesentliche Veränderung im Cockpit darstellen.

Aus diesem Grund sollte sich bei der Entwicklung dieser Informationsdarstellungs- und

-verarbeitungsmöglichkeiten bezüglich Farbgebung und Menüführung an der vorhandenen

Mensch-Maschine-Schnittstelle orientiert werden.

Ein bekanntes Problem mit Data-Link und dem dadurch wegfallenden Sprechfunk ist der

ebenfalls fehlende ‘Party-Line Effekt’. Die für Piloten wichtigen Informationen über

andere Luftfahrzeuge in der Umgebung, die über die offene Frequenz mitgehört werden

können (Party-Line Informationen), entfallen bei Data-Link. Im Zusammenhang mit den

Simulatorversuchen sollte dieses Problem anhand einer visuellen Darstellung des

umgebenden Luftverkehrs analysiert und die mögliche Kompensation des Problems

evaluiert werden.

2.3 Erkenntnisstand zu Beginn des Berichtszeitraumes

Internationale Planungsaktivitäten im Rahmen des FANS Komitees (Future Air

Navigation Systems) beziehen sich auf zukünftige Systemkonzepte und Technologien für

die Bereiche 'Communication, Navigation and Surveillance (CNS)' sowie 'Air Traffic

Management (ATM)' des zivilen Luftverkehrs. Demnach müssen zukünftige

Avioniksysteme in ihrer Funktionalität den Forderungen an fortschrittliche ATM

Konzepte, wie sie in den Programmen von FANS/FEATS und EATCHIP Phase IV

vorgeschlagen wurden, gerecht werden. Einen wesentlichen Anteil hat dabei eine

automatisierte Bord/Boden-Kommunikation und Verhandlungsführung zwischen

Luftfahrzeug und ATC Stationen. Verschiedene Studien wurden in den letzten Jahren in

Europa und den Vereinigten Staaten unternommen, um die Integration des FMS in ein

fortschrittliches ATC System und die Realisierung der genannten neuen Funktionalitäten

zu untersuchen. Im Rahmen des ‘Programme for Harmonized ATM Research in

Eurocontrol (PHARE)’ wurde dazu ein experimentelles Flight Management System

(EFMS) entwickelt, das neben den oben genannten Charakteristiken noch über eine

automatische 4D-Flugführung sowie einen automatisierten Datenaustausch

verschiedenster Informationen verfügt.

Hinsichtlich der Bord/Boden-Kommunikation veröffentlichte im Jahre 1988 das FANS

Komitee die Ergebnisse der eingesetzten Arbeitsgruppen 'Secondary Surveillance Radar

Improvements and Collision Avoidance System Panel' (SICASP), 'Aeronautical Fixed

Service Systems Planning for Data Interchange Panel' (ASP), 'Aeronautical Mobile-

Satellite Service Panel' (AMSSP). Demnach sieht das zukünftige Konzept für die mobile

Kommunikation in der Luftfahrt die Anwendung von Aeronautical Mobile Satellite

Service für Sprache/Daten, VHF für Sprache/Daten und Sekundärradar Mode S für

Datenübertragung vor. Die Sprach-/Datenkommunikation auf der Basis digitaler

Modulationstechnik gewährleistet durch die Anwendung des OSI-Konzeptes (Open

Systems Interconnection) die Interoperabilität der Avioniksysteme mit den bodenseitigen

Kommunikationseinrichtungen einschließlich ergänzender Bord/Boden-

Kommunikationssubsysteme. Im Rahmen von eigenständigen Projekten der

EUROCONTROL, z. B. EASIE- (Enhanced Air Traffic Management and Mode S

Implementation in Europe) und PHARE-(Programme for Harmonized Air Traffic

Management Research in EUROCONTROL) Programm erfolgt die Untersuchung der

Bord/Boden-Datenkommunikation unter Anwendung von Data-Link auf der Basis von

SSR Mode S und Satelliten/VHF-Systemen.

Das zukünftige Betriebskonzept für die Durchführung der Flugsicherungsdienste in der

Bundesrepublik Deutschland, genannt CATMAC (Cooperative Air Traffic Management

Concept), folgt den Empfehlungen von FANS/FEATS und wurde von der Bundesanstalt

für Flugsicherung (BFS) im Mai 1990 vorgestellt. Das neue Betriebskonzept sieht die

Bord/Boden-Datenkommunikation für den wechselseitigen Informationsaustausch als

unerläßlich an. In einem BFS/Lufthansa-Pilotprojekt wurde 1990 begonnen, die Anwen-

dung des VHF Data-Links (AIRCOM-System) für die Übertragung von Flugsicherungs-

meldungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird seit einigen Jahren an verschiedenen

internationalen Flughäfen (z. B. Paris, Charles de Gaules) damit begonnen, Strecken-

freigaben mittels digitalem Data-Link zum Luftfahrzeug zu senden und dort im

bordeigenen Drucker auszudrucken. Nach anfänglichen Problemen, insbesondere mit der

Zuverlässigkeit des Systems sowie mit den nach Meinung der Piloten zu langen

Antwortzeiten, findet das System nun auch Zustimmung auf Pilotenseite.

Wie in verschiedenen Konferenzen und Fachtagungen aufgezeigt (DGLR Fachausschuß-

sitzung Anthropotechnik 1989 und 1991; AGARD-MMS-Workload Konferenz Orlando

1988), besteht ein großer Bedarf, die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) den

kognitiven Anforderungen der Piloten anzupassen. Die Einführung innovativer Displays

und hochautomatisierter Systeme erfordert Empfehlungen und die Definition von

Standards für die Auslegung der MMS im Cockpit moderner Verkehrsflugzeuge.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die internationalen und nationalen Aktivitäten

sich auf die CNS und ATM Problematik konzentrieren, wobei die Nutzung neuer

verfügbarer Avioniksysteme wie das Differential Global Positioning System (DGPS) /

Inertial Navigation System (INS) sowie Enhanced Vision Systems (EVS) und ihre

Einbindung in eine fortschrittliche FMS Umgebung bisher nur ansatzweise diskutiert bzw.

untersucht wurden. Weiterhin ist die Anwendung der Bord/Boden-Datenkommunikation

für Flugsicherungsanweisungen und insbesondere die Aufbereitung und Visualisierung der

Daten im Cockpit nur ansatzweise berücksichtigt worden, so daß dringend benötigte

Richtlinien noch nicht festgelegt werden konnten.

3 Forschungseinrichtung

Die Implementierung neuer Systeme in ein hochautomatisiertes Cockpit und die

anschließende Analyse der veränderten Mensch-Maschine-Schnittstelle erfordern ein

möglichst realistisches Untersuchungsumfeld. Der vom Zentrum für Flugsimulation Berlin

GmbH betriebene Airbus A340/A330 Full Flight Flugsimulator am Institut für Luft- und

Raumfahrt der Technischen Universität Berlin entspricht mit 6 DOF (Degrees of Freedom)

Bewegungssystem und einem Wide Visual Display den Anforderungen gemäß Level D der

FAA (Federal Aviation Authority) und wird zum Training für Verkehrspiloten genutzt.

Darüber hinaus verfügt der Simulator über eine für die speziellen Belange der

universitären Forschung und Lehre konzipierte Forschungserweiterung SRF (Scientific

Research Facility; siehe Abb. 1). Diese besteht im wesentlichen aus einem Display

Development Computer, Audio- & Videorecordern, einer Test Bench für Avionik sowie

einem Research Host Computer.

Abb. 1: Forschungseinrichtung, SRF

Zusätzlich zur Flugzeug- und Flugzeugsystemsoftware existiert eine nahezu identische

Nachbildung der original FMS Flugzeughardware. Die nachprogrammierte Avionik-

Software (für FMS und Autopilot), die im Quellcode verfügbar ist und für Forschungs-

anwendungen modifiziert werden kann ermöglicht insbesondere die Entwicklung von

zukünftigen Mensch-Maschine-Schnittstellen. Zusammen mit der Experimental Data Unit

(EDU) zur detaillierten Aufzeichnung realistischer Flugszenarien ist das zur Verfügung

stehende SRF Simulationssystem eine einmalige Forschungseinrichtung zur umfassenden

Untersuchung der veränderten Arbeitssituation im Cockpit.

Die Netzwerkauslegung des Rechnersystems ermöglicht wahlweise den Betrieb des A340

Simulators in einer Trainings- oder Forschungskonfiguration. Durch die zusätzliche

Avionik-Softwaresimulation der SRF ist ein Parallelbetrieb von zwei Simulationen

möglich, wobei die SRF stand-alone (ohne Cockpit) als Entwicklungs- und Testumgebung

dient.

Ein weiteres Forschungsinstrument der TU Berlin ist das ISCAN Headhunter System, das

die Aufzeichnung des Blickverhaltens von Piloten mit einer hohen Genauigkeit

ermöglicht.

4 Vorgehensweise, angewandte und entwickelte Methoden

Ziel der Arbeiten war die Entwicklung, Implementierung und Evaluierung eines Data-Link

Konzepts zum Austausch von Flugsicherungsinformationen zwischen Bord und Boden.

Entwicklung und Integration eines ATC Displays in das bestehende Cockpit desAirbus A340 zur visuellen Darstellung von taktischen Flugsicherungsanweisungen:

Vorversuche wurden durchgeführt, in denen 5 Piloten unter Verwendung der herkömm-

lichen Kommunikationsmedien (VHF) einen Routineflug im Simulator von München nach

Salzburg und zurück absolvieren mußten. Bei diesem Routineflug wurde das

Blickverhalten der Piloten analysiert und die optimale Position zur Integration der

visuellen Flugsicherungsanweisungen festgelegt. Die am Vorversuch teilnehmenden

Piloten wurden im Interview zu möglichen Integrationsorten und Darstellungsarten

befragt.

Aufgrund der Ergebnisse des Vorversuches und der durchgeführten Interviews wurde das

Navigation Display zur Integration des ATC Displays ausgewählt. Um diese Integration zu

ermöglichen, wurde mit Hilfe der Entwicklungssoftware TIGERS® in Kombination mit

speziellen TERABIT® RGB Monitoren das Original ND des Airbus A340 nachgebildet.

Diese Nachbildung des ND war um ca. 10% verkleinert, um am oberen Displayrand Raum

für die visuelle Darstellung von Flugsicherungsanweisungen zu schaffen.

Die Anweisungen wurden in Form eines alphanumerischen Textes in Verbindung mit

einer entwickelten Symbolik realisiert und mit Hilfe von FORTRAN-Programmen in das

Gesamtsystem eingebunden.

Für die anschließenden Simulatoruntersuchungen wurde eine neue Crew-Procedure

entwickelt, die das Bearbeiten von Flugsicherungsanweisungen mit dem erweiterten ND

genau definiert.

Evaluierung des ATC Display unter Data-Link Bedingungen im Vergleich zuSprechfunkbedingungen:

Mit dem Airbus A340 Simulator wurden 9 Hauptversuche durchgeführt. Daran nahmen 18

erfahrene Airbus A320/A340 Piloten (je ein Kapitän und ein Erster Offizier) teil, die den

Standardflug von München nach Salzburg und zurück zu fliegen hatten. Wie in der

Realität, wurde zu Beginn des Versuches ein Briefing mit der jeweiligen Crew durchge-

führt, in dem alle wesentlichen Aspekte der Flugdurchführung erörtert wurden (Strecken-

führung inklusive Standard Instrument Departures (SID) und Standard Arrival Routes

(STAR), Wetter, Beladung, Kraftstoff, etc.). Die Rollenverteilung im Flug entsprach dem

üblichen Crew Coordination Conzept, d. h. jeder der teilnehmenden Piloten flog eine

Flugstrecke als Pilot Flying (PF) und die andere Strecke als Pilot-Non-Flying (PNF).

Jede der teilnehmenden Crews wurde zufällig einem der beiden Simulationsbedingungen

zugeordnet, so daß ca. je die Hälfte der Crews die Flugsicherungsanweisungen auditiv via

VHF oder visuell über das neu entwickelte ATC Display erhielt. Bei der Data-Link

Bedingung wurde im Rahmen des Briefings mit den Piloten zusätzlich die neu entwickelte

Crew-Procedure besprochen und anschließend fand im Cockpit eine kurze Übungsphase

mit dem ATC Display statt. Sowohl die Streckenführung, als auch die übermittelten ATC

Anweisungen waren bei beiden Versuchsbedingungen identisch.

Um die Beanspruchung während des Versuches messen zu können, mußte sich jeder Pilot

nach jeder Flugstrecke einer Befragung zur Erhebung des NASA Task Load Index (TLX)

unterziehen. Nach Abschluß des Versuches im Simulator wurde ein Interview mit einem

Gedächtnistest durchgeführt. Zusätzlich wurden Flugbetriebsparameter und

Bedienaktionen aufgezeichnet, Videoaufnahmen gemacht und eine

Blickbewegungsmessung durchgeführt.

Entwicklung und Integration erweiterter Data-Link Funktionalitäten:

Zur Implementierung des gesamten Data-Link Konzepts war es nötig, einen Bordcomputer

in den Datenverarbeitungsprozeß einzubinden. Hierfür eignete sich das Flight

Management System (FMS) und dessen Anzeige- und Bedienschnittstelle MCDU (Multi-

purpose Control and Display Unit) aus vielerlei Hinsicht. Einerseits ist das FMS ein sehr

flexibles System innerhalb der automatischen Flugführung und die Piloten sind mit dem

System vertraut. Andererseits existiert für den Simulator eine Softwareversion des FMS,

so daß eine Manipulation der FMS Funktionen sowie die Änderung bzw. Erweiterung der

MCDU Anzeigen und Bedienoptionen möglich war.

Die Softwaremodule des A340 FMS wurden so weiterentwickelt, daß unter Verwendung

der MCDU eine erweiterte Kommunikation mit dem Boden via Data-Link möglich ist.

Dies kann im Hintergrund (z. B.: Übertragung meteorologischer und flugzeugspezifischer

Daten), auf strategischer Ebene (Austausch von Trajektorien) oder auf taktischer Ebene

geschehen (Bearbeitung der kurzfristigen Flugsicherungsanweisungen mit der MCDU).

Des weiteren wurde die Forschungseinrichtung am Simulator genutzt, um eine einfache

ATC Bodenstation zu entwickeln. Das Simulationssystem wurde so ergänzt, daß über ein

Workstation-Terminal Zugriff auf geeignete Simulationsparameter bestand. So konnte das

Simulationsszenario von außerhalb des Cockpits kontrolliert und die Bord-Boden Kom-

munikation via Data-Link simuliert werden.

Schließlich wurde die Crew-Procedure zur Bearbeitung von Flugsicherungsanweisungen

erweitert, um die Möglichkeiten von FMS und MCDU mit einzubeziehen.

Evaluierung des gesamten Data-Link Systems im A340 Simulator:

Nach der Integration der erweiterten Data-Link Funktionalitäten wurden 6 weitere Haupt-

versuche mit 12 erfahrenen Piloten durchgeführt. Dabei lag der gleiche Standardflug von

München nach Salzburg und zurück zu Grunde. Neben den neu implementierten Data-

Link Funktionen und der dadurch möglichen Flugplanverhandlung zwischen Bord und

Boden blieben alle Randbedingungen und Datenerhebungsmethoden während der

Versuchsdurchführung unverändert.

5 Durchgeführte Arbeiten

Der Schwerpunkt der Arbeiten in der ersten Projekthälfte lag neben der Definition,

Planung, Durchführung und Auswertung des Vor- und des Hauptversuches, in der

Entwicklung des um die Darstellung von Flugsicherungsanweisungen erweiterten

experimentellen Navigation Displays (eND) sowie in der Definition einer geeigneten

Crew-Procedure für die praktische Anwendung von Data-Link im Cockpit.

In der zweiten Projekthälfte wurde das FMS und die MCDU im Simulatorcockpit um

weitere Data-Link Funktionen ergänzt, so daß bisherige Flugsicherungsanweisungen

abrufbar, die aktuellen Wetterinformationen einsehbar und auch langfristige Flugplan-

verhandlungen möglich wurden. Schließlich konnte auch das komplett integrierte Data-

Link System in Hauptversuchen evaluiert werden.

5.1 Vorversuch

Der Vorversuch diente dem Test der Versuchsumgebung Simulator sowie der Exploration

von Informationaufnahme und Blickverhalten der Piloten im Cockpit. Das Ziel war es,

empirische Daten zu erheben, um die optimale Position eines experimentellen ATC

Displays zur Darstellung von alphanumerischen Flugsicherungsanweisungen im Cockpit

zu ermitteln.

5.1.1 Konzeption

Als Versuchspersonen dienten Airbus A320-Piloten mit einer durchschnittlichen

Erfahrung von 8.000 Flugstunden. Im Vorversuch wurden ausschließlich Standardflüge

von München nach Salzburg und zurück unter Verwendung herkömmlicher VHF-

Kommunikation durchgeführt. Während des Vorversuches wurde das Blickverhalten eines

der beiden Piloten aufgezeichnet. Darüber hinaus fand eine Aufzeichnung wesentlicher

Flugbetriebsparameter und einiger Parameter der FCU statt. Im Anschluß an den

Simulatorversuch wurde mit den Piloten eine Beanspruchungsmessung nach NASA TLX

(Hart and Staveland, 1988) sowie ein Interview zur Symbolik und Darstellungsmöglichkeit

von Flugsicherungsanweisungen (ATC Messages) durchgeführt. Der Vorversuch diente

auch der Erprobung von herkömmlichem VHF-Sprechfunkverkehr in der

Simulatorumgebung und des gewählten Flugszenarios.

5.1.2 Durchführung

Vor jedem Versuch wurde ein Pre-Departure Briefing der Crew durchgeführt, in dem alle

wichtigen Aspekte der Flugdurchführung erörtert wurden. Danach folgte die Flugvorberei-

tung (Pre-Flight) der Crew im Simulator an der Position 143 des Flughafens München.

Das Simulationsszenario begann schließlich mit der Freigabe zum Push-Back durch die

Bodenkontrolle. Es folgte das Taxi Out zur Startbahn, wobei während des Rollens die

Streckenfreigabe von ATC übermittelt wurde. Der Hin- und Rückflug zwischen München

und Salzburg war entlang definierter Departure-, ATS- (Air Traffic Service) und Arrival-

Routen geplant und umfaßte alle gewöhnlichen Flugphasen von Take Off, Climb, Cruise,

Descent, Approach und Landing. Der Turn Around und die erforderliche Flugvorbereitung

für den Rückflug erfolgte in Salzburg auf der Landebahn ohne ein Taxiing zwischen Bahn

und Gate.

Die im Vorversuch verwendete Phraseologie bei der Kommunikation zwischen Cockpit

und ATC sowie die Streckenführung von München nach Salzburg und zurück wurde für

den Hauptversuch nur geringfügig verändert und kann Abb. 7 bis Abb. 10 oder Anhang 9

bis Anhang 12 entnommen werden.

Insgesamt wurden fünf Flugversuche von München nach Salzburg und zurück durch-

geführt, wobei ISA Standard Wetterbedingungen vorherrschten. Als einzige Abweichung

von den „operationellen Standardbedingungen“ wurde kurzzeitig der Autopilot vom

Instruktor nicht funktionsfähig geschaltet. An den Vorversuchen nahmen fünf Piloten teil,

die alle A 320 Piloten eines kommerziellen Luftfahrtunternehmens sind. Zu diesem

Zeitpunkt war es nicht möglich, erfahrene A340 Piloten für diese Versuche zu gewinnen.

Die Ähnlichkeit vom Cockpitlayout und den Standard Operating Procedures zwischen

A320 und A340 erschien aber dennoch groß genug, um erste Daten für einen möglichen

Einsatz eines ATC Message Displays zu sammeln.

Während dieser Flugversuche wurden von einem der Piloten (abwechselnd vom PNF bzw.

PF) die Blickbewegung mit Hilfe des ISCAN-Systems aufgezeichnet (siehe Abb. 2). Nach

jeder Landung wurde jeweils bei beiden Piloten eine Beanspruchungsmessung nach

NASA-TLX durchgeführt, um so Erkenntnisse hinsichtlich der subjektiven

Beanspruchung zu erhalten.

Alle wichtigen Flugparameter wurden während des gesamten Flugszenarios an der SRF

aufgezeichnet (z.B. geographische Koordinaten, Fluggeschwindigkeit TAS, rel. Turbinen-

drehzahlen der Triebwerke, Sidestickausschläge, etc.). Die Gesamtdauer der

Simulatorflüge je Crew betrug ca. 100 Minuten. Im Anschluß an den Simulatorversuch

wurden mit den Piloten Interviews zur Symbolik und der grundsätzlichen

Darstellungsmöglichkeit von Flugsicherungsanweisungen im Cockpit hinsichtlich

Darstellungsort und -art durchgeführt, um die grundsätzliche Meinung der Piloten zu

diesem Thema festzustellen. Weiterhin wurde das Ausmaß der Belastung erfragt, die durch

den Einsatz des Blickbewegungsmeßsystems enstand.

Abb. 2: Cockpitaufnahme mit ISCAN System

5.1.3 Ergebnisse

Um die Simulatorflüge zu analysieren, wurde jeder Flug in fünf Flugphasen aufgeteilt

(Take Off, Climb, Cruise, Descent, Landing). Die Auswertung der Blickbewegungsdaten

erfolgte bezüglich 9 verschiedener Displays bzw. Blickzonen (Primary Flight Display

=PFD, Navigation Display =ND, Flight Control Unit =FCU, MCDU, Schubhebel,

Flugkarte, Engine/Warning & System Display, Außensicht, Sonstige Blickzonen).

Zur weiteren Analyse der Blickbewegungen wurden Fixationszeiten, Blickzyklenanzahl

und die Blickzyklenzeit ermittelt. Die Fixationszeit ist dabei die Zeit, während der der

Pilot einen Objektbereich fixiert ohne einen Sektor von ca. 1 cm2 zu verlassen. Ein

Blickzyklus wurde hier als die Anzahl von Blickzonen bzw. Displays definiert, die der

Pilot erfaßt, ohne ein Display ein zweites Mal innerhalb des Blickzyklus zu scannen. Zum

Beispiel würde eine Blickfolge von PFD - ND - PFD (kleinster möglicher Zyklustyp) einer

Blickzyklenanzahl von 3 gleichkommen. Die Blickzyklenzeit ist dabei die Zeitspanne, die

zwischen zwei wiederkehrenden Blickzonen gemessen wurde. Die Blickzyklenzeit einer

Blickzonenabfolge von PFD - ND - PFD wurde von dem Verlassen der ersten Blickzone

(PFD) bis zum Beginn der wiederkehrenden Blickzone (PFD) gemessen. Beispielsweise

würde eine Blickfolge PFD (650ms) Übergang (100ms) ND (1200ms) Übergang (150ms)

PFD (900 ms) eine Blickzyklenzeit von 1450 ms ergeben.

Take

Off

Clim

b

Cru

ise

De

sce

nd

Ap

pro

ach

3

3,1

3,2

3,3

3,4

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Clim

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pro

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Abb. 3: Durchschnittliche Blickzyklenanzahl je Flugphase

Abb. 3 zeigt die durchschnittliche Blickzyklenanzahl in den verschiedenen Flugphasen.

Dabei erkennt man einen deutlichen Unterschied zwischen Start bzw. Landung und den

drei anderen Flugphasen. Der Gesamtmittelwert über alle Flugphasen hinweg ist 3,6 Blick-

zyklen. Da die kleinste mögliche Blickzyklenanzahl bei 3 liegt, ist der ermittelte Wert sehr

gering, besonders in den Flugphasen Start und Landung.

Ein ähnliches Ergebnis zeigt die Abb. 4: Durchschnittliche Blickzyklenzeiten je

Flugphase. Nur im Reiseflug (Cruise) ist eine relativ hohe Blickzyklenzeit gemessen

worden.

Die Belastung, die durch den Einsatz des ISCAN Blickbewegungsmeßsystems enstand,

wurde nach übereinstimmenden Aussagen der Piloten als gering eingeschätzt. Jedoch

wurde insgesamt gefordert, die Tragezeit auf das notwendige Mindestmaß zu beschränken

und insbesondere zwischen den jeweiligen Flügen eine kurze Tragepause einzuplanen.

Die Anwendung des NASA-TLX Verfahrens zur Bestimmung der subjektiv empfundenen

Beanspruchung wurde in den Vorversuchen als Indikator für die Nutzbarkeit des

gewählten Flugszenarios für den Hauptversuch genutzt. Die Gesamtergebnisse des TLX

Verfahrens aus diesem Vorversuch lagen im Durchschnitt bei 8,2 bei einer Streuung von

1,63. Die höchsten Einzelbewertungen waren „Erbrachte Leistung“ und „Geistige

Anforderung“. Diese Ergebnisse zeigen, daß das gewählte Szenario für einen

Hauptversuch als durchaus geeignet zu bewerten ist.

Take

Off

Clim

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Cru

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De

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Abb. 4: Durchschnittliche Blickzyklenzeiten je Flugphase

Bei Betrachtung der Ergebnisse des Vorversuches ist die Frage nach dem Ort zur

Integration des Experimentellen ATC Display wie folgt beantwortet worden:

Nach den vorliegenden Ergebnissen, besonders aufgrund der geringen Blickzyklenanzahl

und Blickzyklenzeit, sowie der Pilotenaussagen der Interviews erschien es als eine

mögliche Lösung, ein ATC Message Display in das vorhandene ND im A340 zu

integrieren. Insbesondere sollten damit die Informationen im primären Sichtbereich der

Piloten dargestellt und die Head-Down Zeit nicht durch eine Einführung eines ATC

Message Displays erhöht werden. Zudem weisen die taktischen

Flugsicherungsanweisungen zum großen Teil engen Bezug zum Inhalt des ND auf.

5.2 Entwicklung des Experimental Navigation Display (eND)

Da der Simulator auf standardmäßiger Flugzeug-Hardware aufbaut und somit die Manipu-

lation des echten Navigation Displays (ND) nicht möglich ist, wurde mit der Entwicklung

eines eigenständigen experimentellen Navigation Displays (eND) begonnen, welches im

idealen Fall identisch zum realen Hardware-ND des Airbus A340 erscheinen sollte. Daher

war gefordert, alle bekannten Darstellungsmodi (Rose-, Arc-, Plan-Mode) sowie alle

zusätzlichen Funktionen (Zoom, Einblendung von Flughäfen, NDB’s, VOR’s, Constraints

und sonstigen Waypoints, etc.) zu realisieren. Die Einstellung des gewünschten Dar-

stellungsmodus sollte dabei über die herkömmliche Schnittstelle, der Flight Control Unit

(FCU) am Glareshield erfolgen.

Die Entwicklung des pseudorealistischen eND’s wurde größtenteils unter Verwendung der

grafischen Entwicklungssoftware TIGERS® der kanadischen Firma CAE durchgeführt. So

wurden auf dem Display Development Computer die dynamischen graphischen Elemente

des eND entwickelt und definiert. Unter Nutzung einer Ethernet Verbindung wurden die

komplexen Display Dateien dann im Research Computer weiterverarbeitet.

Ein Problem stellte die Darstellung des aktuellen Flugplans auf dem eND dar, da unter

TIGERS® die hierfür notwendigen Softwaremodule zur Generierung aktiver Anzeigen

nicht verfügbar waren. Dies konnte durch die Implementierung eines unter der Program-

miersprache C entwickelten Softwaremoduls ausgeglichen werden, das während der Ver-

suche auf dem Research Computer im Hintergrund lief und den aktuellen Flugplan

inklusive aller notwendigen Elemente (VOR’s, Waypoint’s, Constraints, etc) auf das eND

zeichnete.

Auf dem Research Computer wurden nun die eigenen Zeichenmodule in C sowie die

mittels der TIGERS® Software entwickelten Display Dateien in die Simulation

eingebunden. (Für die Arbeiten an diesem Forschungsprojekt wurde eine eigene

Softwarekonfiguration erstellt, die aus der MASTER Simulationskonfiguration abgeleitet

wurde). Nach dem Laden der Display Dateien auf sogenannte High Resolution Graphic

Cards (HRGC) der SRF Test Bench war für die Versuche ein nahezu reales Navigation

Display vorhanden(vergl. Abb. 1: Forschungseinrichtung, SRF), welches anschließend um

die Darstellung der Flugsicherungsanweisungen ergänzt werden konnte. Jeweils zwei

Graphikkarten treiben dabei einen RGB Monitor im Master/Slave Betrieb.

Da die HRGC Grafikkarten der SRF Test Bench ein RGB Videosignal generieren, war es

für die Integration der neu entwickelten Graphikdisplays (2 eNDs) erforderlich, die

original Bildschirme im Cockpit (CRT’s) durch spezielle RGB Monitore der Firma

TERABIT® zu ersetzen. Der Austausch dieser Monitore im Cockpit war in sehr kurzer

Zeit möglich (15 Minuten inklusive dem Laden der Software).

5.3 Entwicklung und Integration des ATC Message Display

Für die Darstellung der verschiedenen ATC Anweisungen wurde ein experimentelles

Navigation Display mit allen bestehenden Funktionen nachgebildet. Im Rahmen der

Entwicklungen erwies sich die Verkleinerung des ND um ca. 10% als ausreichend, und

ermöglichte die Integration eines ca. 2 cm hohen und über die gesamte Bildbreite des ND

verlaufenden ATC Displays. In der nebenstehenden Abb. 5 ist beispielhaft das eND mit

einer eingeblendeten ATC Anweisung zu erkennen.

Abb. 5: Experimentelles Navigation Display mit integriertem ATC Display

Das Design des ATC Displays sieht die gemischte Darstellung von einem Symbol im

linken Bildviertel und einer alphanumerischen Darstellung im restlichen Bereich vor. In

Ergänzung hierzu wurde auf Anregung der Piloten im Textbereich rechts unten ein kleiner

Kasten eingeblendet, in dem kodiert die aktuelle Flugsicherungskontrollstelle, mit der

gerade Funkkontakt besteht, abzulesen ist.

Bei Einblendung einer neuen Flugsicherungsanweisung wurde jeweils ein kurzer Signalton

im Cockpit generiert. Darüber hinaus begann die Anzeige der ATC Meldung nach ca. 6

Sekunden zu blinken. Im Fall der Bestätigung der Flugsicherungsanweisung wechselte die

Anzeigenfarbe der Meldung von gelb auf grün und nach ca. 6 Sekunden wurde die

gesamte Nachricht vom eND gelöscht (siehe hierzu Anhang 2 oben).

Zur Realisierung der speziellen eND Systemfunktionen wurden verschiedene Hilfs-

programme unter FORTRAN entwickelt, die in die Systemkonfiguration zur graphischen

Darstellung auf den RGB Monitoren eingebettet wurden. Diese Unterprogramme wurden

mit Hilfe eines FORTRAN Pre-Compilers in die synchronen Prozesse der Simulation

implementiert und waren auf der höchsten Iterationsebene angeordnet. Voraussetzung für

die Funktionsfähigkeit der FORTRAN Unterprogramme war jedoch, daß die benötigten

Variablen vorher in die CDB (Common Data Base) der SRF eingefügt wurden, um dem

System während der Simulation „bekannt“ zu sein.

5.4 Implementierung eines ATC-Confirm Knopfes

Um eine Bestätigung von Flugsicherungsanweisungen im Cockpit zu ermöglichen, sollte

unter Data-Link Bedingungen ein ATC-Confirm Knopf vorhanden sein. Auch hierfür

konnten die Vorteile der SRF genutzt werden, Cockpitfunktionen durch den Zugriff und

Manipulation der CDB Variablen zu verändern. Schließlich wurde der ‘Chrono-Button’

am Glareshield als ATC-Confirm Button umdefiniert. Für jeden Piloten ist dieser Knopf

vorhanden und direkt neben der ‘Master Warning’/‘Master Caution’ gelegen auch gut zu

erreichen. Die Lage und Beschriftung des ATC-Confirm Knopfes im Cockpit zeigt das

Bild im Anhang 1: Veränderte Mensch-Maschine-Schnittstelle Cockpit.

5.5 Crew-Procedure

Die Verwendung des um die Flugsicherungsanweisungen erweiterten Navigation Displays

unter Data-Link Bedingungen bedeutete eine Veränderung der Arbeitssituation im

Cockpit. Dies machte die Definition einer geeigneten Prozedur zur veränderten

Vorgehensweise notwendig.

Ziel der Definition einer neuen Crew-Procedure war die Festlegung der Verfahrensabläufe

beim Eintreffen bzw. beim Bestätigen oder Ablehnen einer von ATC übermittelten

Anweisung. Hierbei sollte das Zusammenspiel zwischen Pilot-Flying (PF) und Pilot-Non-

Flying (PNF) eindeutig strukturiert werden, um Mißverständnisse möglichst auszu-

schließen. Zu beachten war dabei die Rollenverteilung im Cockpit gemäß ‘Crew Coordi-

nation Concept’.

5.5.1 Kategorisierung der Flugsicherungsanweisungen

Bei der Konzeption dieser Crew-Procedure mußte zunächst zwischen verschiedenen Arten

möglicher Flugsicherungsanweisungen unterschieden werden. Dabei wurde eine

Kategorisierung nach der vorgegebenen Reaktionstruktur erarbeitet (s. Abb. 6), wonach

drei Arten von Flugsicherungsanweisungen zuzüglich zur „Wetterinformation“ ATIS

unterschieden werden müssen.

ATC-Anweisungenohne Aktionsbedarfdurch den Piloten

ATC-Anweisungen mitsofortigemAktionsbedarf

ATC-Anweisungen mitverzögerter Aktion

ATIS

ATC sendetAnweisung

Anweisung erscheint auf demND



„ATIS av. on printer“erscheint auf dem ND

Read-Out derM essage durch PNF

PNF liest den Text derAnweisung laut vor :„ATC-Message : ...“



PNF liest den Text derAnweisung nach demAusdruck auf dem Printerlaut vor:„ATIS-* : ...“ ... undfüllt die Data Take OffSheet aus.

Bestätigung desRead-Outs undEntscheidung durchden PF

Bestätigung d. Anweisung :PF bestätigt dem PNF dieAnweisung mit „ATC-Message confirmed“

Ablehnung d. Anweisung :PF lehnt die Anweisunggegenüber dem PNF ab mit„ATC-Message refused“





PF bestätigt dem PNF dieATIS mit „ATIS *received“

Bestätigung oderAblehnung derAnweisunggegenüber ATC

Bestätigung = > ATC:PNF bestätigt die Anweisungdurch Drücken des Push-Buttons

Ablehnung = > ATC:PNF betätigt nicht den Push-Button sondern setzt sichüber VHF mit ATC inVerbindung





Bestätigung derverzögerten Aktion :

Bestätigung = > ATC:PNF bestätigt das Eintretendes aktuellen Ereignisses„herkömmlich“ unterVerwendung von VHF

Abb. 6: Kategorisierung und Phraseologie von ATC Anweisungen

5.5.2 Definition der Crew-Procedure

Für die Bearbeitung von Flugsicherungsanweisungen, die via Data-Link ins Cockpit

gesendet werden, wurde eine Crew-Procedure entwickelt, die sowohl dem ‘Pilot-Non-

Flying’ (PNF), der bisher aktiv den Sprechfunk durchgeführt hat, als auch dem ‘Pilot-

Flying’ (PF), der den Sprechfunk mithören konnte, den Inhalt der Anweisung bewußt

machen soll.

Wie bereits im Kapitel 5.3 beschrieben, ertönt beim Eintreffen einer ATC Meldung im

Cockpit ein Gong, um die Aufmerksamkeit der Piloten auf die Nachricht zu lenken.

Gemäß der aus Abb. 6 zu entnehmenden definierten Phraseologie meldet der PNF den

Eingang einer neuen Anweisung mit der Phrase „ATC Message:...“ und liest dann den

dargestellten Text vor. Daraufhin entscheidet der PF, ob die Anweisung bestätigt oder

abgelehnt werden soll mit den Phrasen „ATC Confirm!“ oder „ATC Refuse!“. Im Fall der

Bestätigung drückt der PNF den ATC-Confirm Knopf am Glareshield, wodurch die

Piloten sowohl den Empfang der Message als auch die Bestätigung der Anweisung im

Sinne von WILCO (= „I will comply“) zum Ausdruck bringen. Die Farbe der ATC-Message

wechselte dann von gelb auf grün und hört auf zu blinken.

Im Fall einer Ablehnung der Flugsicherungsanweisung wird kein Knopf gedrückt und der

PNF muß sich wie bisher mittels Sprechfunk bei der zuständigen Bodenkontrollstelle

melden. Auch für Crew Requests oder Notfälle besteht weiterhin die Möglichkeit einer

Sprechfunkkommunikation.

5.6 Hauptversuch

Der Hauptversuch diente der empirischen Evaluation der Neuentwicklungen in der realen

Testumgebung des Airbus A340 Simulators. Diese Versuche wurden unter drei

verschiedenen Bedingungen durchgeführt:

Vergleichsszenario: ‘Sprechfunk’

Dieses Szenario entspricht der heutigen Flugpraxis. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist

das original Airbus A340 Simulatorcockpit und die Kommunikation mit der Flugsicherung

erfolgt mit Sprechfunk. Versuche mit diesem Szenario liefern die Vergleichswerte für die

anderen beiden Szenarien.

Übergangsszenario: ‘Data-Link (nur eND)’

Das eND wurde im Cockpit implementiert und Flugsicherungsanweisungen konnten von

einer simulierten Bodenstation zum Simulator gesendet werden. Die auf dem eND

angezeigten Anweisungen konnten mit dem ATC-Confirm Knopf am Glareshield bestätigt

werden.

Zielszenario: ‘Data-Link (eND & FMS)’

Im dritten Szenario wurde das gesamte Data-Link System im Cockpit implementiert, so

daß während des Versuchs neben dem eND auch die erweiterten Funktionen von MCDU

und FMS zur Verfügung standen.

Das im folgenden vorgestellte Versuchskonzept wurde zunächst für die vergleichende

Untersuchung zwischen Sprechfunk und Data-Link (nur eND) Bedingungen entwickelt

und angewendet. In weiteren Versuchen wurde dieses Konzept aber auch für die

empirische Evaluation der um Data-Link Funktionalitäten erweiterten FMS und MCDU

verwendet (vergl. Kapitel 5.8).

5.6.1 Konzeption

Der den Evaluationsuntersuchungen zu Grunde liegende Rahmen war ein Hin- und

Rückflug im A340 Simulator auf der Strecke München - Salzburg. Jeweils zwei Airbus

A320/A340 erfahrene Piloten (Kapitän und Erster Offizier) bildeten eine Crew. Zunächst

wurden im gleichen Verhältnis Versuche unter Verwendung herkömmlicher Sprechfunk

Kommunikation sowie unter Nutzung des integrierten ATC Displays durchgeführt.

Für den Hin- und Rückflug wurde jeweils eine Streckenführung ausgewählt, die sich

möglichst an den in Luftfahrtkarten veröffentlichten Departure-, ATS- und Arrival-Routen

orientiert. Diese Strecke sollte aber auch während des Simulatorflugs viele Möglichkeiten

der ATC Kommunikation zwischen Boden und Bord bieten. Durch Wahl einer langen

Streckenführung war es beispielsweise möglich, ‘GO DIRECT ...’ Anweisungen auszu-

sprechen, die eine Abkürzung des Flugwegs darstellen. Der Überflug einer Landesgrenze

(Deutschland - Österreich) ermöglichte einen zusätzlichen Frequenzwechsel durch den

Eintritt in einen anderen Kontrollbezirk. Der komplette Flug mit den Flugphasen Take Off,

Climb, Cruise, Descent, Approach und Landing (kein Holding oder Go Around)

beinhaltete alle notwendigen operativen Anweisungen und Freigaben.

Wie der Abb. 7 oder Anhang 9 entnommen werden kann, wurde der Hinflug so konzipiert,

daß in München mit einem Start auf der Bahn 26R begonnen wird. Der Flug führt dann

entlang der Standard Instru-

ment Departure Route (SID)

ALB1N über das NDB Mike

zum VOR Allersberg (ALB)

und anschließend über die

VORs Bayreuth (BAY), Ro-

ding (RDG), Linz (LNZ) und

Salzburg (SBG) auf den ILS-

Anflug der Bahn 16 des Flug-

hafens Salzburg (LOWS).

Während des Flugs wird diese

Strecke erst durch eine Flug-

planänderung (statt BAY -

RDG - LNZ - SBG nun BAY -

MBG - SBG) und dann durch

die ‘GO DIRECT MBG’ Anwei-

sung abgekürzt.

Initiierter Flugplan gemäß Operational Flight Plan<EDDM-MIQ-ALB-BAY-RDG-LNZ-SBG-SBG-SU-LOWS>

ATC Flugplanänderung via Data-Link<..-ALB-BAY-MBG-SBG-SBG-SU-LOWS>

Weitere Flugplanabkürzung durchATC-Anweisung „GO DIRECT MBG“

Andere Departure oder Arrival Routen

Abb. 7: Streckenführung des Hinflugs

Als Planungsgrundlage für diesen Flug erhalten die Piloten während des Briefings einen

Operational Flight Plan (OFP), der während des Pre-Flights im Cockpit in das Flight

Management System eingegeben wird und die Grundlage der automatischen Flugführung

ist. Abb. 6 zeigt beispielhaft den OFP des Hinfluges von München nach Salzburg:

Die beiden operationellen Flugpläne für

Hin- und Rückflug zwischen Salzburg

und München sind Anhang 7 und

Anhang 8 zu entnehmen.

Neben den Wegpunktnamen beinhaltet

der OFP Planungsdaten, die äquivalent

der FMS Flugplandaten sind (Entfer-

nung zwischen 2 Wegpunkten sowie

berechnete Uhrzeit, Höhe und Ge-

schwindigkeit an jedem Wegpunkt).

Außerdem sind auf dem OFP die vor-

ausberechneten Gewichts-, Beladungs-

und Treibstoffdaten vermerkt.

Der Rückflug von Salzburg nach München soll mit dem Start auf der Bahn 34 beginnen

und dann entlang der Standard Instrument Departure Route (SID) TRAUN1V über das

NDB Salzburg (SI) zur Intersection Traunstein (TRAUN) und anschließend über die

VORs Eurach (EUR) und Kempten (KPT) entlang der Standard Arrival Route (STAR)

KPT1R über Betos, das TACAN München (MUN) zum IAF Milldaorf (MDF) führen, so

daß schließlich der ILS Anflug auf die Bahn 26L in München (EDDM) erfolgen kann

(vergleiche Abb. 9 oder Anhang 10).

OFP No. Dep. EDDMFlight No. L 112 Dest. LOWSDate __.__.____ Slot _______Time ___.___

LOAD ZFW LW TOWEST 30000 155000 MAL 181000 253500PLN 30000 155000 PLN 159900 166400

TIME POSITION DIST LVL TAS

00:00 EDDM26R T/O

4

00:04 MIQ 17 135 270

1 3

00:05 T O C 20 160 270

6 38

00:11 ALB 58 160 273

4 27

00:15 ERL 85 160 273

5 27

00:20 BAY 112 160 273

11 67

00:31 RDG 179 160 273

14 79

00:45 LNZ 258 160 273

2 15

00:47 T / D 273 160 273

7 36

00:54 SBG 309 152 272

4 13

00:58 LOWS16 322 15

TRIP 6500 00:58CONT 300 00:03ALTN 2800 00:30HOLD 2800 00:30PLNOF 11400 02:01

ALB1N

ILS16

Abb. 8: Beispiel für Operational Flight Plan

Andere Departure oderArrival Routen

Initiierter Flugplan gemäßOperational Flight Plan<LOWS-SI-TRAUN-TULSI-EUR-KPT-BETOS-MUN-MDF-EDDM26L>

ATC Flugplanänderung viaData-Link<..-TULSI-EUR-BETOS-MAH-12DMS-EDDM08R>

Weitere Flugplanabkürzung durchATC-Anweisung „GO DIRECT BETOS“

Abb. 9: Streckenführung des Rückflugs (Salzburg - München)

Während des Flugs wird auch diese Strecke erst durch eine Flugplanänderung (statt EUR -

KPT - Betos - MUN - MDF - ILS26L nu EUR - BETOS - MAH - ILS 08R) verändert und

dann durch die ‘GO DIRECT BETOS’ Anweisung abgekürzt.

Das konzipierte Versuchsszenario beinhaltete nicht nur die vorgegebene Streckenführung,

sondern auch eine festgelegte Kommunikation zwischen Bord und Boden. Gemäß den

Betriebsverfahren zur Durchführung des Sprechfunkverkehrs wurde ein Ablaufplan

erstellt, in dem alle Anweisungen und Freigaben der Flugsicherung zusammengestellt

wurden, die während des Taxi Out in München und in den einzelnen Flugphasen entlang

der Flugstrecke relevant sind. Ein Auszug dieses Ablaufplans für den Sprechfunk während

der Versuche ist in Abb. 10 beispielhaft dargestellt.

Während der Versuche unter Data-Link Bedingungen (mit eND) wurde der Sprechfunk

durch lesbare Flugsicherungsanweisungen ggf. in Verbindung mit einem redundanten

Symbol ersetzt. Der vergleichbare Auszug des Ablaufplans für die auf dem eND

sichtbaren Flugsicherungsanweisungen während der Versuche mit Data-Link ist in Abb.

11 beispielhaft dargestellt. Die Abbildung zeigt auch den Text der

Flugsicherungsanweisung, der während der Data-Link Versuche mit erweiterten FMS

Funktionen auf der MCDU zu sehen ist (Vorgriff auf Kapitel 5.7).

Zeitpunkt: Wer: Sprechfunk:

gegen Ende des Crew request ATIS:

Flight Planning: GND L112, good afternoon, ATIS is available on printer

nach Fl.Planning: Crew request engine start / push

GND L112, start up and push back is approved

nach Engine Start: Crew request taxi:

GND L112, taxi to holdingposition runway 26R(ight) via taxiway W(hisky) 1 N(ovember) 1 &

während TAXI: GND L112, your SQUWAK is 4515

während TAXI: GND L112, Clearance available, ready to

während TAXI: Crew ready to copy:

GND L112, you're cleared to Frankfurt, departure route TANGO 1 F(oxtrott), clearance expires in

während TAXI: Crew reject clearance:

GND L112 sorry, you're cleared to Salzburg, dep. route Allersberg 1 N(ovember), clearce exp. in

während TAXI: GND L112, contact Munich TOWER on 118.70, have a nice

!noch vor Holdpos!

nach GND->TWR: Crew contact Munich TOWER:

!noch vor Holdpos! TWR L112, good afternoon, line up and wait runway 26R(ight), report when ready for departure

nach: Crew ready for departure:

TWR L112, cleared for Take Off runway 26R(ight), wind is 300 5kts,

Pre-Flight

TaxiOut

Abb. 10: Auszug des Ablaufplans für den Sprechfunkverkehr im Hauptversuch

Zeitpunkt Darstellung der ATC Message auf dem eND: ..auf der MCDU:

gegen Ende des ATIS AVAILABLE ON MCDU <READ: ATIS EDDM INF

Flight Planning: EDDM INF B EDDMGND

nach READ:ATIS & START UP/PUSH BACK APPROVED <CFRM: START UP/PUSHB K Flight Planning: EDDMGND APPROVED

nach Engine Start: TAXI TO HOLDING POS RWY 26R <CFRM: TAXI HPOS RWY26R VIA TWY W1 N1 N EDDMGND VIA TWY W1 N1 N

während TAXI: SQUAWK 4515 <CFRM: SQUAWK 4515

EDDMGND

während TAXI: CLEARANCE AVAILABLE <CFRM: CLEARANCEV IL EDDMGND

während TAXI: CLEARED TO EDDF DEPARTURE ROUTE TGO1F <CFRM: CLEARED TO

CLEARANCE EXPIRES +15 EDDMGND DEP ROUTETGO1F

während TAXI: CLEARED TO LOWS DEPARTURE ROUTE ALB1N <CFRM: CLEARED TOLOWS CLEARANCE EXPIRES +15 EDDMGND DEP ROUTELB1N

während TAXI: CONTACT EDDM TOWER ON 118.70 <CFRM: CONTACT EDDMTOWER!noch vor Holdpos! EDDMGND ON 118.70

nach GND->TWR: LINE UP AND WAIT <CFRM: LINE UP AND

!noch vor Holdpos! EDDMTWR

vor|an Holdpos: REPORT READY FOR TAKE OFF <CFRM: REPORT READYFOR EDDMTWR ←SEND: TAKE OFF

MCDUPre-Flight

TaxiOut

Abb. 11: Auszug des Ablaufplans für Flugsicherungsanweisungen via Data-Link im Hauptversuch

Während der Versuche unter Sprechfunk- und Data-Link-Bedingungen wurde das Blick-

verhalten eines der beiden Piloten aufgezeichnet. Darüber hinaus fand, wie beim Vorver-

such, eine Aufzeichnung relevanter Flugbetriebsparameter wie geographische

Koordinaten, Altitude, True Air Speed, Drehzahlen und Abgastemperaturen der

Triebwerke sowie einiger Parameter der FCU statt. Als Nebenaufgabe wurden die Piloten

aufgefordert, eine Zeitschätzaufgabe durchzuführen und während des Fluges in einem

Zeitintervall von einer Minute eine vorher festgelegte Taste, den hierfür funktionsseitig

„abgeschalteten“ Rain Repellent Button am Overhead Panel zu betätigen. Im Anschluß an

jeden einzelnen Flug wurde mit den Piloten eine Beanspruchungsmessung nach NASA

TLX durchgeführt. Nach Abschluß beider Flugaufgaben (Hin- und Rückflug) wurde jeder

Pilot einzeln einem Interview über den Versuchsablauf, seine subjektiven Einschätzungen

und mögliche zukünftige Verbesserungen unterzogen. Ein wesentlicher Bestandteil des

Interviews war das Recall-Experiment, in dem so genau wie möglich die Kommunikation

zwischen Bord und Boden wiedergegeben werden sollte.

Vor den Versuchen mit Data-Link hatten die Piloten in einer ca. 5 Minuten langen

Trainingsphase Zeit sich mit dem System und der neuen Crew-Procedure vertraut zu

machen. Nach dem Versuch beantworteten sie einen Fragebogen zur Bewertung des

implementierten Systems.

5.6.2 Durchführung der ersten Evaluierungsuntersuchung

Die erste Untersuchung aus dem Hauptversuch umfaßte die Evaluierung des Übergangs-

szenarios (Data Link nur eND). Dazu wurden in dieser ersten Untersuchung Versuche

unter Data-Link und Sprechfunk Bedingungen (Übergangs- und Vergleichsszenario)

durchgeführt.

Vor dem Simulatorversuch wurde im Vorbereitungsraum ein Pre-Departure Briefing mit

der Crew durchgeführt. Wenn der Versuch unter Data-Link Bedingungen mit dem

entwickelten eND stattfand, folgte im Simulator eine kurze Übungsphase bezüglich der

Anwendung des ATC Displays im Cockpit gemäß der neuen Crew-Procedure (vergl.

Kapitel 5.5.2). In diesem Fall wurden die Anweisungen der Flugsicherung gemäß Abb. 11

im integrierten ATC Display auf dem eND in Form von Symbolen und Schriften angezeigt

(vergl. Abb. 5). Andererseits wurde in ca. 50% der Hauptversuche der herkömmliche

Sprechfunk zum Austausch von Flugsicherungsinformationen verwendet.

In Analogie zur Vorgehensweise beim Vorversuch, wurde im Hauptversuch an Position

143 des Flughafens München mit dem Pre-Flight und der Flugplaneingabe durch die

Piloten begonnen. Nach der Freigabe durch die Bodenkontrolle erfolgte dann der Push-

Back und das Taxi Out bis zum Line-Up auf der Startbahn 26R, wobei während des

Rollens die Streckenfreigabe durch die Flugsicherung visuell bzw. auditiv übermittelt

wurde. Danach folgte der Flug entlang der konzipierten Strecke. Die Bord-Boden

Kommunikation fand dabei soweit wie möglich gemäß des vordefinierten Ablaufplans

statt, um bei der späteren Auswertung der Versuche einen Vergleich zu ermöglichen.

Insgesamt wurden neun Flugversuche durchgeführt, wobei ISA Standard Wetter-

bedingungen vorherrschten. Als einzige Abweichung von den „operationellen Standard-

bedingungen“ wurde beim Flug von München nach Salzburg vom ersten Kontakt mit

München Radar in ca. 1500 ft über Grund bis zum Erreichen der Reiseflughöhe (FL160)

und beim Rückflug vom Erreichen der Reiseflughöhe in FL150 bis zum Wegpunkt Eurach

(EUR) kurzzeitig der Autopilot vom Instruktor nicht funktionsfähig geschaltet.

Beide Piloten waren angewiesen worden, vom Take Off bis zum Aufsetzen einen Zeitraum

von einer Minute abzuschätzen und dies durch Betätigung des Rain Repellent Buttons

bzw. des Kommunikationsschalters am Side-Stick aufzuzeichnen. Darüber hinaus fand

während des gesamten Versuches die Aufzeichnung verschiedener Flugbetriebsparameter

statt (s. o.). Nach jeder Landung wurde jeweils bei beiden Piloten eine

Beanspruchungsmessung nach NASA-TLX durchgeführt. Im Anschluß an den

Simulatorversuch wurden mit den Piloten Interviews wie beschrieben durchgeführt.

5.6.3 Ergebnisse aus der ersten Evaluierungsuntersuchung

Die Ergebnisse der Messungen der subjektiven empfundenen Beanspruchung zeigen, daß

Flüge, während denen die übliche VHF Kommunikation benutzt wurde (Vergleichs-

szenario), als weniger belastend eingeschätzt wurden als Flüge, bei denen ein ATC

Message Display (Übergangsszenario: Data-Link mit eND) verwendet wurde.

ATC-Display VHF-Comm.0

2

4

6

8

10

12

TL

X G

esam

terg

ebn

is

ATC-Display VHF-Comm.

Abb. 12: Gesamtbewertung des NASA TLX

Die Gesamtwerte, die unter den experimentellen Bedingungen im NASA TLX gefunden

wurden, zeigt Abb. 12. Der Unterschied zwischen dem Vergleichsszenario unter VHF

Bedingung und dem Übergangsszenario unter Data-Link Bedingungen mit ATC Display

ist bezogen auf den Gesamtwert des NASA TLX signifikant (t = 2.29, df = 31, p < 0.05).

Bei der Analyse der unterschiedlichen Einzelfaktoren des TLX (siehe Abb. 13) zeigt sich,

daß die Unterschiede im Gesamtwert zum größten Teil durch die Faktoren „Geistige

Anforderung“ und „Zeitliche Anforderung“ erklärt werden.

Ze

itlic

he

An

ford

eru

ng

An

stre

ng

un

g

Erb

rach

teL

eis

tun

g

Fru

stra

tion

Ge

istig

eA

nfo

rde

run

g

Kö

rpe

rlic

he

An

ford

eru

ng

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

TL

X E

rgeb

nis

Ze

itlic

he

An

ford

eru

ng

An

stre

ng

un

g

Erb

rach

teL

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tun

g

Fru

stra

tion

Ge

istig

eA

nfo

rde

run

g

Kö

rpe

rlic

he

An

ford

eru

ng


Abb. 13: Einzelfaktoren des NASA TLX

Für den Faktor „Zeitliche Anforderung“ wurde eine signifikanter Unterschied gefunden

(F = 4.37, df = 1, p < 0.05). Bei allen anderen Faktoren waren die Unterschiede nicht

signifikant.

Im Gegensatz zur subjektiven Wahrnehmung der Piloten, den Faktor „Zeitliche An-

forderung“ betreffend, war die Zeitdauer, die tatsächlich zum Umgang mit der ATC

Anweisung benötigt wurde, im Übergangsszenario mit ATC Display geringer als im Ver-

gleichsszenario mit Sprechfunk. Im Durchschnitt brauchten die am Versuch

teilnehmenden Crews 2.75 Sekunden weniger, um eine Flugsicherungsanweisung via

Data-Link und ATC Display (eND) zu bearbeiten als herkömmlich mittels Sprechfunk.

Die Berechnung der Zeitspanne umfaßte bei beiden Bedingungen den Austausch der

Flugsicherungsinformation (Erhalten der Anweisung und Bestätigen dieser) sowie die

meist erforderliche Reaktion der Piloten (Ausführen der Anweisung).

Zur Analyse der Zeitdauer, die die Piloten unter beiden experimentellen Bedingungen zum

Umgang mit der ATC Anweisung benötigen, wurden drei typische häufig verwendete

ATC Anweisungen ausgewählt: „REPORT.., CONTACT.., GO DIRECT..“.

Durch die Anweisung „REPORT..“ wird der Pilot angewiesen einen bestimmten Wegpunkt

anzusagen, sobald dieser passiert wird. Die Nachricht „CONTACT..“ weist den Piloten an,

mit einer angegebenen ATC Station Kontakt aufzunehmen. Durch die Message „GO

DIRECT..“ erhält der Pilot die Anweisung seinen Flugplan in Richtung eines bestimmten

Wegpunktes zu ändern.

Für diese drei Typen von ATC Anweisungen wurde die Zeitdauer verglichen, die zur

vollständigen Bearbeitung der Anweisung benötigt wurde. Die durchschnittliche Zeitdauer

zur Bearbeitung der Flugsicherungsanweisungen ist in Abb. 14 gezeigt.

Report... Contact.. Godirect...

0

2

4

6

8

10

12

14

Du

rch

sch

n. Z

eit

[s]

Report... Contact.. Godirect...


Abb. 14: Durchschnittlicher Zeitaufwand der Messages

Die Unterschiede zwischen den beiden Versuchsbedingungen sind nicht signifikant, außer

bei der „REPORT..“ Anweisung (F = 5.43, df = 1, p < 0.05).

Zur Analyse der Ergebnisse der Zeitschätzungen als Nebenaufgabe (siehe Abb. 15) wurde

ein Zeitschätzindex (Hart, 1975) gebildet, der die Regelmäßigkeit und Genauigkeit der

Zeitschätzung abbildete. Die Werte zeigen, daß im Sprechfunk Szenario die Zeit-

schätzungen etwas genauer waren, der Unterschied ist aber nicht signifikant.


42,5

43

43,5

44

44,5

45

45,5

Zei

tsch

ätzi

nd

ex


Abb. 15: Zeitschätzindex

Die Ergebnisse im Recall-Test nach Abschluß jedes einzelnen Simulatorflugs wurden in

einem Index zusammengefaßt. Dabei wurden für jede vollständig und korrekt wieder-

gegebene ATC Anweisung 2 Punkte vergeben. Jede nur teilweise erinnerte Anweisung

erhielt 1 Punkt, eine nicht erinnerte Anweisung 0 Punkte. Die Mittelwerte dieses

Wiedergabe Indexes sind in Abb. 16 dargestellt. Unter Data-Link Bedingungen mit ATC

Display läßt sich ein höherer Wiedergabe Index finden, als im Vergleichsszenario unter

Sprechfunk Bedingungen.


1,05

1,1

1,15

1,2

Rec

all-

Ind

ex


Abb. 16: Durchschnittliche Werte des Recall-Index

In den Interviews mit den Piloten zu ihren Einschätzungen bezüglich des neu entwickelten

und integrierten ATC Displays, äußerten diese, daß sie Probleme zum größten Teil im

Zeitbedarf und mit der Crew-Procedure sehen. Da beide Piloten eine ankommende

Anweisung lesen, sollte es nicht nötig sein, diese nochmals laut zu wiederholen. Die

Antwort des zweiten Piloten, ob er die Anweisung annimmt oder verweigert, sollte die

nötige Aufmerksamkeit sicherstellen. Zusätzlich empfanden die Piloten die neue ATC

Display Crew-Procedure belastender als die herkömmliche VHF Kommunikation.

Alle teilnehmenden Piloten gaben an, daß das vorliegende ATC Message Display eine

sinnvolle Möglichkeit darstellt, in Zukunft Flugsicherungsanweisungen ins Cockpit zu

übertragen. Allerdings wurde eine Weiterentwicklung bezüglich einer Integration in das

Flight Management System des Airbus A340 und die Möglichkeit einer Zurückstellung

von Anweisungen gewünscht.

Die Ergebnisse dieser ersten Evaluierung des vorliegenden experimentellen ATC Message

Displays zeigen, daß die subjektiv empfundene Beanspruchung der Piloten unter Data-

Link Bedingungen mit ATC Display (eND) als signifikant höher eingeschätzt wurde, als

unter herkömmlichen Sprechfunk Bedingungen (VHF). Dabei waren vor allem die

Einzelfaktoren „Zeitliche Anforderung“ und „Geistige Anforderung“ sowie

„Anstrengung“ relevant. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die teilnehmenden

Piloten eine ungleich größere Routine im Sprechfunk besitzen als im Umgang mit dem

neuen ATC Display und der ebenfalls neuen Crew-Procedure, kann der Unterschied in der

subjektiv empfundenen Anforderung und Anstrengung zum größten Teil auf diesen

Routineunterschied zurückgeführt werden. Daher wurde auch die zeitliche Anforderung

mit ATC Display höher eingeschätzt, als objektiv gemessen. Im Gegensatz zu den

subjektiven Einschätzungen der teilnehmenden Piloten war die durchschnittliche

Zeitspanne für eine VHF Kommunikation länger als der Austausch von

Flugsicherungsinformationen unter Data-Link.

Die Ergebnisse aus der Zeitschätzaufgabe und aus den Recall Tests weisen keine

signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Versuchsbedingungen auf. Tendenzen

beim Zeitschätz-Index zugunsten der VHF Bedingung und Tendenzen beim Recall-Index

zugunsten der Data-Link Bedingung mit ATC Display lassen hier auch keine Beurteilung

der Ergebnisse zugunsten einer der beiden Versuchsbedingungen zu.

Insgesamt war die Einstellung der Piloten zum Versuch im Szenario ‘ATC Data Link (nur

eND)’ durchweg positiv. Bei den Versuchen mit dem neu entwickelten ATC Displays

konnte durchweg eine neutrale Einstellung der Piloten bis hin zu einer äußerst positiven

Resonanz auf die Form der Präsentation der Flugsicherungsanweisungen im Cockpit

festgestellt werden.

5.7 Entwicklung und Integration von neuen Data-Link Funktionalitäten

Um den Data-Link nicht nur auf taktischer Ebene zum Austausch von kurzfristigen

Flugsicherungsanweisungen zu nutzen, ist es notwendig, neben eND und „ATC Confirm“

Knöpfen im Cockpit das FMS und dessen Bedienschnittstelle MCDU in den bordseitigen

Datenverarbeitungsprozeß miteinzubeziehen (siehe Abb. 17). Eine Datenkommunikation

im Hintergrund (z. B.: meteorologische und flugzeugspezifische Daten) oder auch auf

strategischer Ebene (Austausch von Trajektorien) wird somit möglich.

Abb. 17: Data-Link Gesamtsystem (FMS & MCDU mit eND)

Die auf dem Research Host Computer der SRF vorhandene Avionik Softwaresimulation

des A340 FMS wurde so weiterentwickelt, daß nun unter Verwendung der MCDU eine

erweiterte Kommunikation mit dem Boden via Data-Link möglich ist.

Die bestehende Menüstruktur der MCDU wurde dafür um die neue Hauptseite ‘ATC MENU’

und andere untergeordnete Seiten (‘LAST ATC MSGS’ und ‘LAST ATIS’) erweitert. Gemäß der

den Piloten vertrauten MCDU Bedienphilosophie werden die Hauptmenüseiten über

Mode-Knöpfe an der MCDU aufgerufen. Daher wurde auch die bestehende Bedienstruktur

der MCDU erweitert und ein noch nicht belegter Mode-Knopf wurde als ‘ATC’ Mode-

Knopf definiert. Somit kann die neue Hauptseite ‘ATC MENU’ durch Drücken des MCDU

‘ATC’ Mode-Knopfes aufgerufen werden.

Anhang 1 zeigt die „Veränderte Mensch-Maschine-Schnittstelle Cockpit“. Einschließlich

eND sind nun folgende Data-Link Funktionen mit dem System möglich:

- Aktuelle Flugsicherungsanweisungen können entweder durch Drücken des ATC-

Confirm Knopfes oder an der MCDU bestätigt werden.

- Flugsicherungsanweisungen, die eine verzögerte Reaktion der Crew erfordern (z. B.

Reports), können später mit der MCDU beantwortet werden, ohne bis dahin das eND

ATC Display zu blockieren.

- Alle erhaltenen Flugsicherungsanweisungen werden gespeichert und können jederzeit

zusammen mit dem Status der Bearbeitung eingesehen werden.

- Das aktuelle Wetter (ATIS) wird automatisch empfangen und kann auf der MCDU

eingesehen werden.

- Vom Boden gesendete Trajektorien zur langfristigen Flugplanung können mit den

angepaßten Funktionalitäten des ‘Secondary Flight Plans’ auf MCDU und eND als

‘ATC Flight Plan’ dargestellt werden und im Dialog mit der Crew verhandelt werden.

Erreicht eine aktuelle Flugsicherungsanweisungen das Luftfahrzeug, wird der Text sowohl

auf dem eND als auch auf der ‘ATC MENU’ Seite der MCDU angezeigt. Bei Bestätigung der

Anweisung hängt die Systemreaktion und weitere Bearbeitungsoptionen von der Art der

Anweisung ab. Grundlegend wurden diese vier Arten unterschieden (vergleiche Abb. 18:

Flugsicherungsanweisungen auf der MCDU):

a) Normale Anweisung (z. B. erscheint „CLIMB FL 150“ mit entsprechendem Piktogramm

auf dem eND (siehe auch Anhang 2) und ein ‘<CFRM: CLIMB FL 150’ Prompt auf der

MCDU). Unmittelbar nach der Bestätigung der Anweisung ist eine Handlung der Crew

erforderlich (z. B.: Setzen der neuen Zielflughöhe). Der Text auf eND und MCDU wird

für 6 Sekunden grün und verschwindet danach.

b) Reports (z. B.: „REPORT ESTABLISHED“), die zunächst bestätigt werden sollen (im Sinne

von WILCO = I will comply) und dann eine verzögerte Antwort erfordern. Der Text bleibt

auf der MCDU Seite erhalten, aber das Prompt ändert sich entsprechend in ‘<SEND:

REPORT..’ (vergleiche Anhang 3). Erst zu einem späteren Zeitpunkt wird der Report durch

Drücken des MCDU Prompts gesendet.

c) Der Eingang aktueller Wetterinformationen wird auf dem eND mit dem Text „ATIS

AVAILABLE ON MCDU“ und auf der MCDU ‘ATC MENU’ Seite mit „<READ: ATIS“ angezeigt

und sollte bestätigt werden (WILCO). Der Inhalt der ATIS wird durch Drücken des MCDU

Prompts angezeigt (siehe ebenfalls Anhang 3).

d) Eine Flugplanverhandlung, die durch eine Bodenstation initiiert wird, beginnt durch

Anzeige von „F-PLN NEGOTIATION, NEW ATC F-PLN ON MCDU“ auf dem eND und mit dem

‘<DO: F-PLN NEGOTIATION’ Prompt auf der MCDU ‘ATC MENU’ Seite (siehe Anhang 5:

Flugplanverhandlung). Der Verhandlungsprozeß setzt sich bordseitig nach dem Bestätigen

der Nachricht durch Drücken des MCDU Prompts fort. Der gesendete ATC Flugplan wird

dann auf der MCDU und auf dem eND angezeigt und kann bestätigt, abgelehnt oder

modifiziert und später weiter verhandelt werden. Nur der unveränderte ATC Flugplan

(Farbe: magenta) kann bestätigt und damit als aktiver Flugplan (grün) übernommen

werden. Die Farbcodierung orientiert sich an der Airbus Definition, in der grün für ‘non

modifiable, active data’, magenta für ‘constraints’ und blau für ‘modifiable data’

verwendet wird. Dem entsprechend wechselt die Farbe des ATC Flugplans zu blau, sobald

die Crew Änderungen vornimmt. Anstelle der ‘<CONFIRM’ und ‘REJECT>’ Prompts

erscheint dann ein ‘<SEND ATC F-PLN

BACK TO ATC’ Prompt, d. h. die bord-

seitigen Änderungen des ATC Flug-

plans müssen erst von einer Boden-

station bestätigt werden.

Ebenfalls auf der ‘ATC MENU’ Seite

der MCDU befindet sich immer das

‘<LAST ATC MESSAGES’ Prompt (siehe

Anhang 2). Durch Drücken dieses

Prompts erscheint die untergeordnete

MCDU Seite ‘LAST ATC MSGS’ auf der

alle bisher eingegangenen Anweisung-

en zusammen mit dem jeweiligen Sta-

tus der Bearbeitung (confirmed, re-

jected, done) einsehbar sind (ver-

gleiche Abb. 18). Dort befindet sich

ebenfalls ein permanentes Prompt

‘ATIS>’, das jederzeit den Zugang zur

letzten aktuellen Wetterinformation

ermöglicht.

��

A TC M EN U

1L < CF RM :C LI MB F L 15 0 1R

A TC M EN U

1L < CF RM :R EP OR T ES TA B LI SH ED 1R

A TC M EN U

1L < RE AD :A TI S ED DM I N F B 1R

A TC M EN U

1L < DO :F -P LN N EG OT I AT IO N 1R

2L 2R

3L 3R

4L 4R

5L 5R

PRESS 6L < LA ST A TC M ES SA GE S ( 1 9 ) 6R

LA ST A TC M SG S ( 1 9 )

1L R J C T D : C L I M B F L 1 5 0 1R

2L S E N D : R E P O R T E S T A B L I S H E D 2R

3L D O N E : A T I S E D D M I N F B 3R

4L C F R M D : A T C F - P L N 4R

5L - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - 5R

PRESS 6L < RE TU RN E D D M / A TI S> 6R↑↑↑↑ ↓↓↓↓

��

ATC

Abb. 18: Flugsicherungsanweisungen auf der MCDU

5.8 Hauptversuch mit integriertem Data-Link Gesamtsystem

Wie bereits in Kapitel 5.6 beschrieben, wurden Hauptversuche für drei verschiedene

Bedingungen konzipiert: Sprechfunk [=Vergleichsszenario], Data-Link (nur eND)

[=Übergangsszenario] und Data-Link (eND & FMS) [=Zielszenario]. Zuerst wurden

Hauptversuche unter Data-Link Bedingungen (nur mit eND) im Vergleich zu Sprechfunk-

bedingungen durchgeführt. Nachdem das gesamte Data-Link System im Cockpit imple-

mentiert wurde, konnten nun auch Versuche im Zielszenario durchgeführt werden. Die

Konzeption und Durchführung dieser ergänzenden Hauptversuche entsprach den

bisherigen Hauptversuchen unter Data-Link Bedingungen und kann Kapitel 5.6.1 und

5.6.2 entnommen werden.

Während der Versuche im Zielszenario standen neben dem eND auch die erweiterten

Funktionen von MCDU und FMS zur Verfügung, so daß die Kommunikation mit der

Flugsicherung via Data-Link neben der Bearbeitung von taktischen Anweisungen auch

eine Flugplanverhandlung auf strategischer Ebene umfaßte. Die integrierten Data-Link

Funktionalitäten wurden bereits in Kapitel 5.7 beschrieben und sind in Anhang 1 bis

Anhang 5 farbig illustriert.

6 Gesamtevaluierung

Insgesamt nahmen 30 Berufspiloten (Durchschnittsalter: 36,5 Jahre und ∅ 5700

Flugstunden), die vorwiegend Erfahrungen mit den Airbus A320/330/340 Luftfahr-

zeugmustern hatten, an den Untersuchungen teil. Es wurden zunächst 10 Flüge im

‘Sprechfunk’ Szenario, 8 Flüge mit ‘Data-Link (nur eND)’ durchgeführt und evaluiert

(vergl. „Ergebnisse aus der ersten Evaluierungsuntersuchung“, Kapitel 5.6.3). In weiteren

Hauptversuchen wurden dann 12 Flüge im ‘Data-Link (eND & FMS)’ Szenario

durchgeführt (vergl. Kapitel 5.8).

Insgesamt wurde der A340 Full Flight Simulator des ZFB 230 Stunden für

Systementwicklung, -integration und -tests sowie für Versuchsvorbereitung und -durch-

führung genutzt. Davon entfielen 30 Simulatorstunden auf die Vorversuche und 60

Stunden auf die Hauptversuche.

6.1 Ergebnisse

Gemäß der Zielsetzung, die veränderte Arbeitssituation im Cockpit bei Einführung von

Data-Link zu untersuchen, ist für die Ergebnisbetrachtung und die Beurteilung des Data-

Link Gesamtsystems besonders der Vergleich zwischen dem Vergleichs- und dem

Zielszenario von Interesse. Das Übergangsszenarios entsprach lediglich einem zwischen-

zeitlichem Entwicklungsstand. Dennoch sollte schon frühzeitig in der Entwicklungsphase

des Data-Link Gesamtsystems das Teilsystem eND mit integriertem ‘ATC Display’

evaluiert werden, um Erkenntnisse und Verbesserungsvorschläge in den weiteren

Entwicklungen zu berücksichtigen.

Die Gesamtwerte des NASA TLX, die unter den verschiedenen Versuchsbedingungen

gefunden wurden, zeigt Abb. 19.

Sprechfunk Data-Link(nur eND)

Data-Link(eND&FMS)

��

��

��

��

��

��

��

��

��

0

2

4

6

8

10

12

Sprechfunk Data-Link(nur eND)

Data-Link(eND&FMS)

Abb. 19: NASA Task Load Index (TLX)

Der Unterschied zwischen dem ‘Sprechfunk’ und den beiden ‘Data-Link’ Szenarien ist

bezogen auf den Gesamtwert des NASA TLX signifikant (F = 3.58, df =2, p < 0.05).

Dieser signifikante Unterschied ist auf das Übergangsszenario (Data-Link nur mit eND)

zurückzuführen, in dem die Versuchspiloten im Vergleich zum Szenario mit heute

üblicher Sprechfunkkommunikation signifikant höher beansprucht waren (Einzelvergleich

nach Scheffé: p < 0.05). Der für die Gesamtbeurteilung des integrierten Data-Link Systems

wichtige Vergleich zwischen der Kontrollgruppe im ‘Sprechfunk’ Szenario und dem

‘Data-Link (eND & FMS)’ Szenario zeigt keinerlei Unterschiede bezüglich der

subjektiven Beanspruchung.

An

stre

ng

un

g

erb

rach

teL

eis

tun

g

Fru

stra

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An

ford

eru

ng

��Sprechfunk

��Data-Link (nur eND)

��Data-Link (eND&FMS)

Abb. 20: TLX Einzelfaktoren

Die Analyse der TLX Einzelfaktoren (siehe Abb. 20) zeigt, daß die Unterschiede des

Gesamtindex hauptsächlich auf die veränderten Einzelfaktoren ‘geistige Anforderung’,

‘Anstrengung’ (F = 3.44, df =2, p < 0.05) und besonders auf den Einzelfaktor ‘zeitliche

Anforderung’ (F = 5.23, df =2, p < 0.01) zurückzuführen sind. Wiederum sind diese

deutlichen Unterschiede nur auf den Vergleich zwischen dem Übergangsszenario und den

beiden anderen Bedingungen zurückzuführen.

Der Vergleich zwischen dem ‘Sprechfunk’ Szenario mit dem ‘Data-Link (eND & FMS)’

Szenario zeigt auch bei der Analyse der Einzelfaktoren keine nennenswerten Unterschiede.

Dieses Ergebnis bezüglich der subjektiv empfundenen Beanspruchung ist besonders hoch

einzuschätzen, da ein erheblicher Routineunterschied zwischen den alltäglichen Sprech-

funkbedingung und der neuen Data-Link Umgebung besteht.

Im Vergleich zu der subjektiven Einschätzung der ‘zeitliche Anforderung’ wurde die

Zeitdauer analysiert, die tatsächlich im Umgang mit der Flugsicherungsanweisung benötigt

wurde. Dafür wurden drei typische Anweisungen, die während der drei Szenarien

mehrmals vorkamen, ausgewählt: Reports, Frequenzwechsel und einfache

Flugwegänderungen. Durch die Anweisung Report (z. B.: ‘REPORT FL150’ oder ‘REPORT

PASSING WPT’) wird der Pilot angewiesen, ein bestimmtes Ereignis zurückzumelden. Die

Nachricht ‘CONTACT EDDM RADAR ON 127.95’ weist den Piloten an, mit der angegebenen

Kontrollstelle (beispielsweise München Radar) auf der neuen Frequenz Kontakt

aufzunehmen. Durch die Nachricht ‘GO DIRECT WPT’ erhält der Pilot die Anweisung seinen

Flugplan in Richtung des angegebenen Wegpunkts (WPT) zu ändern.

Für diese drei Arten von Flugsicherungsanweisungen wurde die Zeitdauer verglichen, die

zur vollständigen Bearbeitung der Nachricht benötigt wurde. Die durchschnittliche

Bearbeitungsdauer ist in Abb. 21 dargestellt.

Report... Contact... Go Direct...

��

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2

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14

Report... Contact... Go Direct...

��Sprechfunk

��Data-Link (nur eND)

��Data-Link (eND&FMS)

Abb. 21: Bearbeitungsdauer der Flugsicherungsanweisung

Die Unterschiede zwischen den Versuchsbedingungen sind nicht signifikant, außer bei der

„REPORT...“ Anweisung (F = 12.12, df =2, p < 0.01), wobei hierbei der Einzelvergleich

zwischen ‘Sprechfunk’ und ‘Data-Link (mit eND & FMS)’ eine deutliche Verringerung

der Bearbeitungszeit zu Gunsten von Data-Link zeigt.

Insgesamt zeigt sich eine tendenziell geringere Bearbeitungszeit im Umgang mit dem hier

implementiertem Data-Link System bezüglich der ausgewählten Anweisungen.

Durch die Aufzeichnung von Tastaturprotokollen konnten die Zeitanteile der MCDU

Bedienung ermittelt werden. Dabei sind die Zeitanteile und die Verteilung der Bedienung

bezüglich der neuen MCDU Seiten von besonderem Interesse.

Die Aufgabenverteilung im Cockpit zwischen Pilot-Flying (PF) und Pilot-Non-Flying

(PNF) ergibt sich aus dem Crew Coordination Concept wie folgt:

Pilot-Flying (PF): Steuerung des Flugzeuges, Vorausplanung des Flugablaufes, Einhaltung

der vorgeschriebenen Flugverfahren und Befolgung von Anweisungen und Freigaben

der Flugsicherung.

Pilot-Non-Flying (PNF): Unterstützung des PF bei der Bedienung des Flugzeuges,

Unterstützung des PF bei Navigationsaufgaben, Durchführung des Sprechfunkverkehrs

und Überwachung der Flugzeugführung durch den PF.

Bei den Flugaufgaben mit dem Data-Link System entfallen die Aufgaben des PNF

bezüglich der Durchführung des Sprechfunkverkehrs. Diese Aufgaben werden ersetzt

durch die neuen Aufgaben der Bedienung des Data-Link Systems. Bei der Auswertung der

Bedienprotokolle war es daher wichtig, in wie weit die Aufgabenteilung gemäß des Crew

Coordination Concept weiter eingehalten wurde. Abb. 22 und Abb. 23 zeigen die

Zeitdauer bzw. die relative Verteilung des Zeitanteils der neuen MCDU Seiten innerhalb

der Untersuchung (Data Link mit eND und FMS). Diese Zeitanteile sind die

aufsummierten Zeiten, zu denen jeweils eine neue MCDU Seite aufgeschlagen wurde.

EDDM -LOWS

LOWS -EDDM

0100200300400500

sec)

EDDM -LOWS

LOWS -EDDM

Flugweg

MCDU des PNF

MCDU des PF

Abb. 22: Zeitdauer auf den neuen MCDU Seiten

EDDM -LOWS

LOWS- EDDM

0

5

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15

20

25

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(%)

EDDM -LOWS

LOWS- EDDM

Flugweg

MCDU des PNF

MCDU des PF

Abb. 23: Relativer Zeitanteil der neuen MCDU Seiten

Die Ergebnisse der Zeitmessungen aus den Tastaturprotokollen zeigen eindeutig die

Verteilung der Aufgaben zwischen PF und PNF. Der Hauptanteil der Bedienung geschieht

durch den PNF, nur ein kleiner Anteil der Bedienzeit entfällt auf den PF.

Der absolute Zeitanteil und auch der relative Zeitanteil der neuen MCDU Seiten ist relativ

hoch, besonders beim PNF. Im Durchschnitt lag der relative Anteil beim PF bei 2% und

beim PNF bei 21%. Dieser hohe Anteil beim PNF ist auf die Auslegung der neuen MCDU

Seiten zurückzuführen. Bei Anweisungen mit verzögerter Rückmeldung (z.B. Report

Established) wird die Seite ‘ATC Menu’ mit dem Prompt ‘Report...’ meist solange als

oberste Seite auf der MCDU gelassen, bis dieser Report auch abgeschickt werden konnte.

Diese Verfahrensweise führt zu einer geänderten Procedure bezüglich der gewählten

MCDU Seite und ist als nachteilig zu bewerten. Abhilfe könnte ein System schaffen, das

automatisch die Seite mit dem Report Prompt aufruft, wenn der Zustand für die

Absendung des Reports erreicht wird.

Der Fragebogen zur Beurteilung des gesamten integrierten Data-Link Systems beinhaltete

Fragestellungen zur veränderten Arbeitssituation im Cockpit, den neu implementierten

Einzelkomponenten und der praxisgerechten Nutzbarkeit des Systems in der vorliegenden

Form. Abschließend wurden die Piloten gebeten, eine Mängelliste zu erstellen bzw.

Verbesserungsvorschläge zu machen.

Auf die Frage „Falls Sie mit dem Data-Link System ähnlich routiniert wären, wie mit dem

heutigen System (VHF); wie würden sie die Beanspruchung im Vergleich zu der heutigen

Situation beurteilen?“ antworteten 91,7% der Versuchspiloten mit ‘gleich’ oder

‘niedriger’.

Die Auswertung der Antworten bezüglich der implementierten Einzelkomponenten zeigt

ein einheitliches Bild. Insgesamt wurde bei allen 6 Fragen zu Einzelkomponenten deren

Umsetzung zu 73,6% als ‘gut’ bzw. ‘sehr gut’ eingestuft. Dagegen stuften nur 8,3% die

Umsetzung der Komponenten als ‘ausreichend’ oder ‘ungenügend’ ein. Allein bei der

Beurteilung der Crew-Procedure gaben 25% der befragten Piloten das Urteil ‘ausreichend’

ab.

Besondere Bedeutung kommt der Fragestellung zu, wie die Umsetzung des vorgestellten

Gesamtsystems von den am Versuch beteiligten Piloten bei Einführung von Data-Link

beurteilt wird. Abb. 24 stellt die relative Verteilung der Antworten dar. Insgesamt

schätzten 91,7% diese mögliche Umsetzung als ‘befriedigend’ oder besser ein.

sehr gut gut befriedigend ausreichend mangelhaft

��

��

��

��

��

��

��

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��

0

20

40

60

(%)

sehr gut gut befriedigend ausreichend mangelhaft

Abb. 24: Einsatz des Data-Link Systems heute

Zur Analyse der Mängelliste wurden insgesamt 30 Nennungen aufgenommen und

kategorisiert. Insbesondere sind die Nennungen von Bedeutung, die mehrfach genannt

wurden. An erster Stelle der Mehrfachnennungen (9 Nennungen) steht die Besorgnis über

den Wegfall des ‘Party-Line-Effekts’, der das Mithören der Sprechfunkkommunikation

zwischen anderen Luftfahrzeugen und der Bodenstation umfaßt. In 5 Nennungen wurde

die Überlagerung von anderen wichtigen MCDU Seiten durch die neuen Data-Link

MCDU Seiten kritisiert. Je zwei Mal bemängelten Piloten die zusätzliche Belastung des

visuellen Kanals durch die alphanumerische Darstellung von Flugsicherungsanweisungen

sowie die fehlende Möglichkeit, bordseitig Flugsicherungsanfragen über Data-Link

abzusenden.

Insbesondere der kritisierte Wegfall des ‘Party-Line-Effekts’ bei Einführung von Data-

Link sollte nochmals näher untersucht werden. Durch weitere Displayentwicklungen sollte

versucht werden, den Informationsverlust geeignet zu kompensieren. Eine neue Anzeige

der Verkehrslage sollte den Piloten ermöglichen, den umgebenden Luftverkehr gemäß der

jeweiligen Flugphase und den damit verknüpften Aufgabenschwerpunkten zu erfassen.

Dabei müßte auch die Problematik einer zusätzlich erhöhten visuellen Belastung

berücksichtigt werden (siehe Kapitel 6.2).

Die Implementierung des Gesamtkonzeptes sollte eine Abschätzung der durch Data-Link

veränderten Arbeitssituation im Cockpit unter realitätsnahen Bedingungen ermöglichen.

Insgesamt zeigt die vergleichende Evaluation keine negativen Veränderungen der

Arbeitssituation im Cockpit bei Einführung des hier vorgestellten Data-Link Konzeptes.

Sowohl die subjektiv beurteilte Beanspruchung (TLX), die gemessene Bearbeitungsdauer

von Flugsicherungsanweisungen als auch die allgemeine Beurteilung des Gesamtsystems

bzw. der Einzelkomponenten durch erfahrene Piloten zeigen, daß das hier vorgestellte

Konzept eine vielversprechende Möglichkeit zur Implementierung von Data-Link im

modernen Glas-Cockpit darstellt.

6.2 Kompensation für Party-Line Effekt

Bei der Evaluierung des Data-Link Gesamtsystems wurde besonders der Wegfall des

‘Party-Line Effekts’ kritisiert. Bisher konnten Flugsicherungsanweisungen an andere Luft-

fahrzeuge über die offene Sprechfunkfrequenz mitgehört werden. Unter Data-Link

Bedingungen gehen diese sogenannten ‘Party-Line Informationen’ verloren.

Im Rahmen der Entwicklung und Integration des Data-Link Gesamtsystems wurde daher

versucht, durch Nutzung und Weiterentwicklung des vorhandenen experimentellen

Navigation Displays (eND), den Informationsverlust geeignet zu kompensieren.

In einer Untersuchung von Midkiff und Hansmann (1992) wurden die für Piloten

wichtigsten (‘kritischen’) Party-Line Informationen (PLI) je Flugphase ermittelt. Nach der

Unterteilung eines Fluges in typische Flugphasen, wurden zunächst alle relevanten Party-

Line Informationen je Flugphase anhand einer Pilotenbefragung ermittelt. In einem

weiteren Untersuchungsschritt wurden diese relevanten PLI bezüglich Wichtigkeit,

Genauigkeit und Verfügbarkeit bewertet. Die folgende Abb. 25 zeigt je nach Flugphase die

als wichtig (‘kritisch’) eingestuften PLI (Midkiff und Hansmann, 1992):

Flugphase Informationselement

Boden Bewegungen auf der Start-/Landebahn

Taxi-Anweisungen an andere

Lotsenfehler

Start, Steigflug Wettersituation, -änderungen

Streckenberichte anderer, Turbulenzen

Reiseflug Wettersituation, -änderungen

Streckenberichte anderer, Turbulenzen

Sinkflug Verkehrssituation

Wettersituation, -änderungen

Holdingsituation

Endanflug, Landung Verkehrssituation

Wettersituation, -änderungen, Windscherungen

Flugzeuge auf der freigegebenen Landebahn

Fehlanflüge anderer Luftfahrzeuge

Bremsvorgänge

Abb. 25: ‘Kritische’ Party-Line Elemente je Flugphase

Der Vergleich der durchschnittlichen Wertungen aller Informationselemente je Flugphase

zeigte, daß die Elemente im Endanflug am höchsten und im Reiseflug am niedrigsten

bewertet wurden.

In einer weiteren Untersuchung über die Bedeutung des Party-Line Effekts (Midkiff und

Hansmann, 1995) wurden Piloten gefragt, welche Informationen sie während des Flugs als

notwendig erachten, um sich ein Bild der Gesamtsituation (Global Situation Awareness)

zu machen. Dabei ergaben sich anteilig folgende Informationskategorien:

Verkehrssituation (ca. 47%), Wettersituation (ca. 27%), Vorausplanung (ca. 16%) sowie

(unter 10%) Kommunikation, Sicherheit, Kompetenz und Alternativstrecken.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, daß insbesondere Party-Line Informationen

bezüglich der Verkehrssituation in allen Flugphasen als wichtig eingestuft wurden. Als

mögliche Kompensation dieses Informationsverlusts unter Data-Link Bedingungen wurde

eine Darstellung des umgebenden Luftverkehrs entwickelt und in das eND integriert.

Luftfahrzeuge in der Umgebung des eigenen Luftfahrzeugs werden als Kreissymbol mit

Flugnummer und Höhenangabe auf dem Navigation Display eingeblendet und

visualisieren so die Verkehrssituation. Zusätzlich wird der Kurs der umgebenden

Luftfahrzeuge durch einen Pfeil am Kreissymbol wiedergegeben, um eine gewisse

Vorausplanung des Flugs in der sich verändernden Situation durch den Piloten zu

ermöglichen. Anhang 6 zeigt die Umsetzung der Darstellung des umgebenden

Luftverkehrs auf dem eND.

Das Display mit Verkehrsdarstellung wurde im Simulator implementiert und in 5

Versuchen mit 9 erfahrenen Piloten evaluiert. Das Simulationsszenario war ein Anflug auf

die Landebahn 08R in München, der den Piloten bereits aus dem Hauptversuch (siehe

Kapitel 5.6) bekannt war. Der Anflug begann etwa 5 NM südlich von Maisach auf 5000 ft

Höhe und setzte sich über MAH (Maisach) bis zum Erfliegen des Gleitwegs fort. Über

dem Outer Marker (ca. 8 NM vor der Landebahnschwelle) wurde der Simulator angehalten

und die dargestellten Verkehrsinformationen vom eND gelöscht. In der anschließenden

Befragung der Piloten, sollten dann möglichst viele der vorher dargestellten

Verkehrsinformationen wiedergegeben werden (Recall Experiment). Weitere Fragen

bezogen sich auf den Inhalt und die Form der Darstellung - auch im Vergleich zur

Verkehrsdarstellung von TCAS (Traffic Collision Avoidance System).

Zum Zeitpunkt des Recall Tests befanden sich drei umgebende Luftfahrzeuge mit den

Zusatzinformationen über Kurs, Flugnummer und Höhe auf dem Navigation Display. Die

Erinnerung der Piloten an diese Informationen war sehr unterschiedlich und zu 5 bis 53%

korrekt. Auffällig war, daß besonders die grafisch dargebotenen Informationen wie die

Position und der Kurs der Luftfahrzeuge besonders gut wiedergegeben wurde, während die

alphanumerischen Informationen Flugnummer und Höhe weniger gut wiedergegeben

wurden.

Bezüglich der Frage, wie den Piloten anhand der gegebenen Informationen die Luftver-

kehrslage vermittelt werden konnte, antworteten 2/3 der Piloten mit ‘ausreichend’, ‘gut’

oder ‘sehr gut’. 1/3 der Befragten antwortete mit ‘schlechter’ und kritisierten das ‘über-

füllte’ Display, auf dem sich die Informationen - je nach Range-Einstellung - teilweise

überlagerten.

Weitestgehend begrüßt wurde die angezeigte Kursinformation der anderen Luftfahrzeuge.

Auf die Frage „Wie war es Ihnen möglich, eine Voraussage der einzelnen Flugwege zu

treffen?“ antworteten nur zwei von neun Piloten mit ‘schlecht’. Die anderen bewerteten

die Voraussagemöglichkeit als ‘ausreichend’ (2), ‘gut’ (3) und ‘sehr gut’ (2). Dennoch

glaubten insgesamt vier Piloten nicht daran, daß dieses System die Konflikterkennung

unterstützen kann.

In den abschließenden Diskussionen wurde die vorgestellte Darstellung des umgebenden

Luftverkehrs als Kompensation des Party-Line Effektes kontrovers diskutiert. Hauptkritik-

punkt ist die zusätzlich erhöhte visuelle Belastung einer solchen Anzeige bei

gleichzeitigem Wegfall des Sprechfunks. Der Informationsverlust bei Wegfall der Party-

Line kann nicht vollständig kompensiert werden (z. B.: Freigaben anderer Luftfahrzeuge

sind nicht darstellbar). Trotzdem kann die Verkehrsdarstellung einen genauen und

schnellen Überblick über die Verkehrssituation bieten.

Für die Gesamtbeurteilung einer Einführung von Data-Link ist die zusätzlich erhöhte

visuelle Belastung sicherlich ein Bereich, der noch weiterer Forschung bedarf. Die Um-

setzung einer Darstellung des umgebenden Luftverkehrs sollte zunächst als Teilsystem

implementiert und im Vergleich zu TCAS evaluiert werden. Bei der Integration in ein

Data-Link Gesamtsystem sollte dann die resultierenden Zunahme der visuellen

Informationsaufnahme eingehender untersucht werden.

7 Ausblick

Das hier vorgeschlagene Konzept zur Integration von Data-Link in ein modernes Glas-

Cockpit wurde in zwei Entwicklungsschritten konsequent in einem Full Flight Simulator

inplementiert, so daß damit relitätsnahe Untersuchungen in einem Line orientated Flight

Training (LOFT) ermöglicht wurden.

Im ersten Entwicklungsschritt wurden die bisher verbalen Flugsicherungsinformationen

durch eine alphanumerische Darstellung im Cockpit des Airbus A340 Simulators ersetzt.

Dazu wurde ein experimentelles Navigation Display (eND) mit integriertem Air Traffic

Control (ATC) Display zur Anzeige kurzfristiger Anweisungen entwickelt, implementiert

und in ersten Simulatorversuchen evaluiert. In weiteren Entwicklungen wurde auch das

Flight Management System (FMS) und dessen Bedienschnittstelle MCDU (Multi-purpose

Control and Display Unit) um Data-Link Funktionen erweitert, so daß neben der

Bearbeitung von taktischen Flugsicherungsanweisungen nun auch gesamte Flugpläne auf

strategischer Ebene ausgetauscht und verhandelt werden konnten. Außerdem konnten

bisherige Flugsicherungsanweisungen wieder abgerufen und die aktuellen Wetterinforma-

tionen auf der MCDU eingesehen werden.

Die Auswirkung der integrierten Data-Link Umgebung auf die Arbeitssituation im Cockpit

im Vergleich zur herkömmlichen Sprechfunksituation wurde in 15 realitätsnahen

Versuchen mit 30 erfahrenen Piloten im A340 Full Flight Simulator untersucht. Insgesamt

konnten damit erstmalig die Auswirkungen von einer voll integrierten Data-Link

Umgebung auf die Arbeitssituation im Cockpit in realitätsnahen Szenarien untersucht

werden.

Die Untersuchungen bezüglich Workload, Crew-Procedure, der Einbindung der neuen

FMS Funktionalitäten zeigen im Vergleich zu der herkömmlichen Sprechfunksituation

keine nachteiligen Ergebnisse. Bemerkenswert ist dabei, daß diese Ergebnisse aus einem

Vergleich zwischen einer den Piloten sehr vertrauten Routinesituation und einer völlig

neuen Data-Link Situation gewonnen wurden.

Die subjektiven Einschätzungen der Piloten ergaben ein ähnlich positives Bild. Eine Frage

des abschließenden Interviews bezog sich auf die Möglichkeit, dieses System in der

jetzigen Form als Data-Link Umsetzung in das Cockpit zu integrieren. Mehr als 90 % der

beteiligten Piloten beurteilten das System in Hinblick auf diese Fragestellung als

‘befriedigend’ oder besser.

Bei der Detailanalyse der Ergebnisse wurde ein Punkt als besonders beachtenswert

herausgestellt. Durch die Einführung von Data-Link entfällt der Party-Line Effekt und

führt zu einem Verlust von teilweise sehr wichtigen Informationen.

Die Grundlagen für eine Kompensation des Party-Line Effektes wurden innerhalb des hier

dargestellten Forschungsvorhaben untersucht. Einige der fehlenden verbalen

Informationen konnten visualisiert werden. Dazu wurde das vorhandene eND so

weiterentwickelt, daß der umgebende Luftverkehr mit Höhen- und Kursinformation auf

dem Display angezeigt werden kann. Neben einigen Vorteilen resultiert daraus eine

weitere Zunahme der visuellen Informationsaufnahme bei gleichzeitigem Wegfall des

Sprechfunks. Außerdem können andere Party-Line Informationen (z. B. Freigaben) nicht

angezeigt werden. Insgesamt zeigt sich, daß die Kompensation des Party-Line Effektes ein

sehr komplexes Thema ist, das eindeutig weiterer Forschung bedarf.

Insgesamt kann das hier vorgeschlagene Konzept zur Integration von Data-Link im

modernen Glas-Cockpit und dessen Umsetzung im A340 Full Flight Simulator als eine

vielversprechende Möglichkeit zur Integration von Data-Link eingeschätzt werden.

Weitere Forschung zur Entwicklung einer Verkehrslagedarstellung und dessen

Einbeziehung in das vorliegende Data-Link System ist allerdings nötig, um eine Basis zur

realitätsnahen Umsetzung des Systems zu schaffen.

8 Veröffentlichungen im Berichtszeitraum

8.1 Veröffentlichungen

Hüttig, G., Hotes, A. and Tautz, A. (1995): Human Factor Design Considerations for Air

Traffic Control Information Displays in a Modern Glas Cockpit. In: Human Factors

in Aviation Operations, Eds.: Fuller, Johnston, McDonald, Avebury Aviation,

University Press Cambridge, pp 83-89.

Hüttig, G., Hotes, A. and Tautz, A. (1995): Design and Evaluation of an ATC Information

Display in a Modern Glas Cockpit. In: Proceedings of the 6th IFAC Symposium on

Analysis, Design and Evaluation of Man-Machine Systems, MIT, MA, USA.

Hüttig, G., Anders, G., Tautz, A. (1997): ATC Data-Link in an Airbus A340 Cockpit.

Proceedings of the 8th International Symposium on Aviation Psychology, Columbus,

OH, USA.

Hüttig, G., Anders, G., Tautz, A. (1997): Integration und Evaluation eines ATC Data-Link

im Cockpit eines Airbus A340 Simulators. Tagungsband der DGLR Jahrestagung

1997, München

8.2 Vorträge

Hüttig, G., Hotes, A., Tautz, A.: Human Factors Design Considerations for Air Traffic

Control Information Displays in a Modern Glass Cockpit, 21st Conference of the

European Association of Aviation Psychology, Dublin 1994.

Hüttig, G., Hotes, A., Tautz, A.: Visuelle Darstellung von Flugsicherungsanweisungen im

Airbus A340-Cockpit, Vortrag im Rahmen der 32. DGLR Jahrestagung, Fürsten-

feldbruck 1994.

Hüttig, G., Hotes, A., Tautz, A.: Design and Evaluation of an ATC-Display in Modern

Glass Cockpit, 6th IFAC Symposium on Analysis, Design and Evaluation of Man-

Machine Systems, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 1995.

Hüttig, G., Anders, G., Tautz, A.: ATC Data-Link in an Airbus A340 Cockpit. 8th

International Symposium on Aviation Psychology, Columbus, OH, USA 1997.

Hüttig, G., Anders, G., Tautz, A.: Integration und Evaluation eines ATC Data-Link im

Cockpit eines Airbus A340 Simulators. Vortrag im Rahmen der DGLR

Jahrestagung, München 1997

8.3 Studien- und Diplomarbeiten, Dissertationen

Habermann, Michiel. Analyse der Methoden zur Beanspruchungsmessung von Piloten im

modernen Cockpit, Studienarbeit an der Technischen Universität Berlin, Berlin 1994.

El Filali Adib, Y.. Bewertung physiologischer Meßverfahren für die Analyse der

Beanspruchungssituation im modernen Glas-Cockpit, Studienarbeit an der

Technischen Universität Berlin, Berlin 1995.

Valjavec, T.: Darstellung von Flugsicherungsinformationen im modernen Cockpit,

Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin, Berlin 1995.

Munsky, K.: Erstellung eines Bewertungsschemas zur Evaluation und Klassifizierung von

Schulungen im Luftfahrtbereich, Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin,

Berlin 1995.

Stahlberg, C.: Entwicklung und Implementierung eines Navigation-Display zur Integration

von Flugsicherungsanweisungen im Airbus A340-Cockpit, Diplomarbeit an der

Technischen Universität Berlin, Berlin 1995.

Hein, E.: Auswertung von experimentellen Studien zur Auswirkung automatischer

Flugführungssysteme mit digitaler Flugplandatenübermittlung auf die Situations-

erfassung der Verkehrsflugzeugführer, Studienarbeit an der Technischen Universität

Berlin, Berlin 1996.

Lanfer, A.: Entwicklung und Untersuchung einer visuellen Luftverkehrslagedarstellung

auf einem modifizierten Navigation Display, Studienarbeit an der Technischen

Universität Berlin, Berlin 1997.

Paarmann, S.: Analyse des Party-Line-Effekts, Studienarbeit an der Technischen

Universität Berlin, Berlin 1997.

Tautz, A.: Monitoring bei Piloten im modernen Glas Cockpit, Dissertation an der

Technischen Universität Berlin, in Vorbereitung

9 Literatur

Bohr, T. (1990): ATM-Kooperativer Weg in die Zukunft, Symposium Auswirkungen neuer

Technologien auf die Sicherheit im Luftverkehr, TÜV Rheinland.

Hart, S. G. (1975): Time Estimation as a Secondary Task to Measure Workload, In:

Proceedings of the 11th Annual Conference on Manual Control, (Report No. NASA

TMX-62), Moffet Field, CA.

Hart, S.G. and Staveland, L.E. (1988): Development of NASA-TLX (Task Load Index):

Results of Empirical and Theoretical Research. In: Human Mental Workload (Hancock,

P.A. and Meshkati, N.), North-Holland, Amsterdam.

Midkiff, A. H., Hansmann, R. J (1992): Identification of Important Party-Line Information

Elements and Implications for Situation Awareness in the Datalink Environment, In:

Preprint, SAE AEROTECH Conference and Exposition.

Midkiff, A. H., Hansmann, R. J (1995): Variations in Party-Line Information Importance

between Pilots of different characteristics, In: Preprint, 8th Internationoal Symposium

on Aviation Psychology

10 Anhänge

Anhang 1: Veränderte Mensch-Maschine-Schnittstelle Cockpit

Anhang 2: Bearbeitung von Flugsicherungsanweisungen / Last Message Funktion

Anhang 3: Report & Send Report Funktion / ATIS Darstellung auf MCDU

Anhang 4: Flugplandarstellung auf eND und MCDU

Anhang 5: Flugplanverhandlung

Anhang 6: Darstellung des umgebenden Luftverkehrs auf dem eND

Anhang 7: Operational Flightplan des Hinflugs (München - Salzburg)

Anhang 8: Operational Flightplan des Rückflugs (Salzburg - München)

Anhang 9: Streckenführung des Hinflugs (München - Salzburg)

Anhang 10: Streckenführung des Rückflugs (Salzburg - München)

Anhang 11: Ablaufplan des Sprechfunks (München - Salzburg)

Anhang 12: Ablaufplan des Sprechfunks (Salzburg - München)

Anhang 13: Ablaufplan der Data-Link Messages (München - Salzburg)

Anhang 14: Ablaufplan der Data-Link Messages (Salzburg - München)

Anhang 1: Veränderte Mensch-Maschine-Schnittstelle Cockpit

Anhang 2: Bearbeitung von Flugsicherungsanweisungen / Last Message Funktion

Anhang 3: Report & Send Report Funktion / ATIS Darstellung auf MCDU

Anhang 4: Flugplandarstellung auf eND und MCDU

Anhang 5: Flugplanverhandlung

Anhang 6: Darstellung des umgebenden Luftverkehrs auf dem eND

Anhang 7: Operational Flightplan des Hinflugs (München - Salzburg)

Anhang 8: Operational Flightplan des Rückflugs (Salzburg - München)

Anhang 9: Streckenführung des Hinflugs (München - Salzburg)

Anhang 10: Streckenführung des Rückflugs (Salzburg - München)

Anhang 11: Ablaufplan des Sprechfunks (München - Salzburg)

Anhang 12: Ablaufplan des Sprechfunks (Salzburg - München)

Anhang 13: Ablaufplan der Data-Link Messages (München - Salzburg)

Anhang 14: Ablaufplan der Data-Link Messages (Salzburg - München)

Veränderte Mensch-Maschine-Schnittstelle Cockpit:

A340 Simulatorcockpit mit integriertem eND,

erweiterten MCDU Funktionalitäten und „ATC

Confirm“ Button.

Seite 55

Flugplandarstellung auf eND und MCDU:

Integriertes ATC Display auf dem eND mit Anweisungstext und Link-

Info sowie Darstellung des Flugplans Salzburg - München im Plan-

Mode.

Anzeige des Flugplans Salzburg - München auf der „Flightplan“-Seite der MCDU.

Seite 56

Flugplanverhandlung:

Eine neue Trajektorie (ATC

Flugplan) wird zum Luftfahr-

zeug gesendet. Die Verhand-

lung wird vom Piloten an der

MCDU eingeleitet (<DO).

Der ATC Flugplan wird auf

eND und MCDU in magenta

angezeigt.

Auf der ATC F-PLN Seite der MCDU kann der

neue Flugplan angenommen (<CONFIRM) oder

abgelehnt (REJECT>) werden.

Seite 57

Bearbeitung von Flugsicherungsanweisungen / Last Messages Funktion:

ATC Confirm

nach 6 Sekunden

ATC Confirm

nach 6 Sekunden

Seite 58

Report & Send Report Funktion / ATIS Darstellung auf MCDU:

Darstellung des Flugplans

München - Salzburg auf

eND und MCDU.

Anzeige der ATIS auf der MCDU.

Das Bestätigen (CONFIRM) einer Report-

Anweisung erfolgt im Sinne von

‘WILCO’. Das Prompt wechselt zu

‘!!!!SEND’ und die Anweisung bleibt zur

Erinnerung und zur späteren Bearbeitung

auf der MCDU stehen.

Seite 59

Darstellung des umgebenden Luftverkehrs auf dem eND:

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TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Institut für Luft- und ... · TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Institut für Luft- und Raumfahrt Marchstr. 12 10587 Berlin Prof. Dr.-Ing. G. Hüttig