DE102005053899A1

DE102005053899A1 - Verfahren zur Bestimmung einer optimalen Landebahnbefeuerungsintensität

Info

Publication number: DE102005053899A1
Application number: DE102005053899A
Authority: DE
Inventors: Klaus Heyn
Original assignee: Vaisala GmbH
Current assignee: Vaisala GmbH
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-10
Also published as: CA2626702A1; US20090040071A1; JP2009515307A; CN101287648A; AU2006312833A1; WO2007054076A8; EP1945509A1; WO2007054076A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen Landebahnbefeuerungsintensität auf Grundlage der Bestimmung einer optimalen Befeuerungsintensität für einen konfigurierbaren Zielwert der Landebahnsicht unter Berücksichtigung der landebahnspezifischen Parameter des Befeuerungssystems, der meteorologischen Sichtweite und der Hintergrundhelligkeit. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich wird, den Energieverbrauch einer Landebahnbefeuerung durch gezielte Steuerung der Energiezufuhr unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten und unter vollständiger Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Aspekte signifikant zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen Landebahnbefeuerungsintensität auf Grundlage der Bestimmung einer optimalen Befeuerungsintensität für einen konfigurierbaren Zielwert der Landebahnsicht unter Berücksichtigung der landebahnspezifischen Parameter des Befeuerungssystems, der Meteorologischen Sichtweite und der Hintergrundhelligkeit.

Für den Flugbetrieb bei ungünstigen Sichtverhältnissen, in der Dämmerung und nach dem Einbruch der Dunkelheit werden Landebahnen auf Flughäfen regelmäßig mit Beleuchtungseinrichtungen zur Markierung der Landebahnränder (edge lights) und wenn aufgrund der Kategorie erforderlich, der Landebahnmitte (center line lights) ausgestattet (ICAO Annex 14 – Aerodromes). Diese Beleuchtungseinrichtungen verfügen über eine besondere Lichtverteilung und sind in bestimmten Winkeln zur Anflugrichtung ausgerichtet. Der landende Pilot orientiert sich während der oben genannten Verhältnisse im Wesentlichen an diesen Befeuerungseinrichtungen, um das Flugzeug sicher in der Landebahnmitte aufsetzen zu können.

Die Erkennbarkeit der Landebahnbefeuerung bei den unterschiedlichen Tageslicht- und Witterungsverhältnissen wird durch eine berechnete Landebahnsicht RVR (abgeleitet von Runway Visual Range) beschrieben. Je nach Kategorie des Flughafens kommen unterschiedliche untere Grenzwerte für die RVR zum Einsatz, bis zu denen eine Landung noch durchgeführt werden darf (ICAO Annex 6 – Operation of Aircraft).

• CAT I 550 m
• CAT II 350 m
• CAT III 200 m
• CAT IIIb 050 m

In die Berechnung der RVR gehen ein:

• die mittels Transmissometern oder Vorwärtsstreusensoren bestimmte Meteorologische Sichtweite MOR (abgeleitet von Meteorological Optical Range)
• die ermittelte Hintergrundhelligkeit (Leuchtdichte des Hintergrundes), auf dem die Landebahnbefeuerung erkannt werden muss (BGL, Background Luminance)
• die Lichtstärkeverteilung der Landebahnbefeuerung, festgelegt durch Art, Position und Ausrichtung der Beleuchtungseinrichtungen sowie
• die einstellbare Lichtintensität des Landebahnbefeuerungssystems.

Die Landebahnbefeuerung wird üblicherweise bei Einbruch der Dämmerung in Betrieb genommen. Die Intensität der Landebahnbefeuerung wird durch das ATC-Personal (Air Traffic Controller) aufgrund von Erfahrungswerten entsprechend der vorherrschenden Hintergrundhelligkeit und bei eingeschränkten Sichtverhältnissen gewählt.

Häufig werden „sicherheitshalber" Einstellungen mit unnötig hoher Intensität gewählt, da diese in jedem Fall den größtmöglichen Kontrast für die Erkennbarkeit der Landebahnbefeuerung gewährleisten.

Ein sogenanntes RVR-Rechnersystem mit direkter Ergebnispräsentation im Tower ermöglicht dem ATC-Personal die resultierende Landebahnsicht zu beurteilen und gegebenenfalls die nötigen Schritte für zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen bzw. eine Unterbrechung des Flugbetriebes einzuleiten.

Die manuell eingestellte Intensität der Landebahnbefeuerung wird dem RVR-Rechnersystem üblicherweise mittels einer entsprechenden Datenschnittstelle aus dem Landebahnbefeuerungssystem mitgeteilt oder durch eine geeignete Messung (z.B. Betriebsstrom der Befeuerungsleuchtmittel) ermittelt.

Die Einstellung der Landebahnbefeuerungsintensität wird bisher ausschließlich manuell durchgeführt. Stufenlose Einstellungen sind genauso bekannt wie frei programmierbare oder über Tasten wählbare Intensitätsstufen.

Die Berechnung der RVR berücksichtigt, wie bereits oben beschrieben, verschiedene Parameter, die einerseits messtechnisch erfasst werden und andererseits Installations- und Landebahnbedingt fest vorgegeben sind.

Neben der Hintergrundhelligkeit BGL (angegeben in cd/m²), die in eine Sichtbarkeitsschwelle Et (angegeben in Lux) umgewandelt wird, gehen die Meteorologische Sichtweite MOR (angegeben in m), der Kontrast zwischen Lampe und Hintergrund K (festgelegt mit 5%, um die Sichtbarkeit in jedem Fall sicherzustellen) und die Lichtstärke I₀ (angegeben in cd) als Funktion der Entfernung R (angegeben in m) zwischen Lampe und Pilot in die Berechnung der Lampensicht R ein.

Zur Berechnung der Landebahnsichtweite RVR aus der Lampensicht R muss noch zusätzlich der Einfluss von Position und Abstrahlcharakteristik der Landebahnfeuer in Beziehung zum Betrachtungswinkel des Piloten im Anflug berücksichtigt werden. Dieser Einfluss wird bereits bei der Bestimmung der Landebahnbefeuerungslichtstärkeverteilung I₀[R] berücksichtigt, so dass die Lampensicht R ein direktes Maß für die Landebahnsicht RVR wird, siehe 1.

Da die Formel für die Berechnung der RVR nicht geschlossen lösbar ist, erfolgt die Bestimmung der RVR mittels eines iterativen Verfahrens.

Im RVR-Rechnersystem wird die gemessene MOR in die Gleichung 1 eingesetzt und R unter Berücksichtigung der sich aus der Funktion I₀[R] ergebenden Lichtstärke solange verändert, bis die Gleichung erfüllt ist. MOR = (InK·R)/(In((Et·R2)/(D·I0[R]))) (Gleichung 1)

Die Kontrastschwelle K ist entsprechend der Empfehlungen der Internationalen Luftfahrtbehörde ICAO (International Civil Aviation Organization) zu 0,05 festgelegt (ICAO Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices, Doc9328-AN/908). Sie bestimmt den minimalen Kontrast, bei dem ein Objekt vor einem Hintergrund noch sicher erkannt werden kann.

Die gemessene Hintergrundhelligkeit wird über eine entsprechende Zuweisungsvorschrift nach ICAO (Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices, Doc9328-AN/908) kontinuierlich oder stufenweise in eine Sichtbarkeitsschwelle (eye threshold) Et umgewandelt und danach in die Gleichung 1 eingesetzt. Die 2 zeigt die entsprechende stufenweise Zuweisungsvorschrift.

Unter Einbeziehung des Betrachtungswinkels des Piloten im Anflug kann R = RVR gesetzt werden. Der typische Betrachtungswinkel wird bereits in die Funktion I₀[R] eingearbeitet.

Unter Berücksichtigung der genannten Einzelheiten lässt sich die allgemeine Gleichung 1 nun näher spezifizieren: MOR = (In0,05·RVR)/(In((Et·RVR2)/(D·I0[RVR]))) (Gleichung 2)

Je nach gewähltem Wert für RVR wird der entsprechende Wert für I₀[RVR] aus einer Zuordnungsvorschrift entnommen, die die befeuerungsspezifischen Parameter der Landebahn und den typischen Betrachtungswinkel des Piloten im Anflug berücksichtigt. Die jeweilige Intensitätseinstellung der Landebahnbefeuerung beeinflusst den Wert von I₀[RVR] über die Intensitätsdimmung D (1 entspricht hierbei einer Befeuerungsintensität von 100%). 3 zeigt ein entsprechendes Zuweisungsbeispiel.

Abhängig von der momentanen Hintergrundhelligkeit ergeben sich nun unter Berücksichtigung der eingestellten Intensität der Landbahnbefeuerung feste Relationen zwischen der gemessenen MOR und der resultierenden RVR.

Anhand des Zuweisungsbeispieles für I₀[RVR] aus 3 zeigt 4 nun den Zusammenhang für die RVR in Abhängigkeit der MOR für die ausgewählten Hintergrundhelligkeitssituationen Nacht, Dämmerung, Tag und heller Tag und für eine Befeuerungsintensitätseinstellung von 100%.

Nachdem die ermittelte RVR entsprechend der ICAO-Empfehlungen (ICAO Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices, Doc9328-AN/908) gestuft und entsprechende Mittelwerte und Trends berechnet wurden, werden die Ergebnisse dem ATC-Personal zur weiteren Verwendung präsentiert.

Der Energieverbrauch der Landebahnbefeuerungseinrichtungen auf Flughäfen ist ein ernstzunehmender Betriebskostenfaktor. Die Anzahl der nötigen Befeuerungsleuchtkörper summiert sich insbesondere auf großen Flugplätzen zu vielen tausend Einzelelementen.

So summiert sich der jährliche Energieverbrauch einer solchen Anlage für einen internationalen Flughafen auf mehrere tausend Megawattstunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich wird, den Energieverbrauch einer Landebahnbefeuerung durch gezielte Steuerung der Energiezufuhr unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten und unter vollständiger Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Aspekte signifikant zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Festlegung bzw. Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität auf Grundlage der Bestimmung einer optimalen Befeuerungsintensität für einen Zielwert der Landebahnsicht RVR unter Berücksichtigung der landebahnspezifischen Parameter des Befeuerungssystems, der Meteorologischen Sichtweite und der Hintergrundhelligkeit dadurch gelöst, dass einem Rechnersystem die Messwerte für die Meteorologische Sichtweite MOR und die Hintergrundhelligkeit sowie die landebahn- und befeuerungssystemspezifische Befeuerungslichtstärkeverteilung unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels des Piloten im Anflug und eine Mindestlandebahnbefeuerungsintensität zur Verfügung gestellt werden, dass innerhalb des Rechnersystems eine Sichtbarkeitsschwelle auf Grundlage der gemessenen Hintergrundhelligkeit bestimmt wird, dass innerhalb des Rechnersystems unter Zuhilfenahme der gemessenen MOR, der berechneten Sichtbarkeitsschwelle, der landebahn- und befeuerungssystemspezifischen Befeuerungslichtstärkeverteilung unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels des Piloten im Anflug und der Mindestlandebahnbefeuerungsintensität ein optimaler Faktor für die Intensitätsdimmung der Landebahnbefeuerung berechnet wird, der eine RVR entsprechend des Zielwertes gewährleistet, solange die Umweltparameter dieses zulassen, und dass der ermittelte, optimale Faktor für die Intensitätsdimmung über eine geeignete Datenschnittstelle und/oder Anzeige zur Festlegung und Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität bereitgestellt wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
1 Übersicht zur Berechnung der RVR
2 Zuweisungsvorschrift Hintergrundhelligkeit/Sichtbarkeitsschwelle
3 Diagrammdarstellung der Lichtstärke I₀ einer Landebahnbefeuerung in Abhängigkeit der RVR
4 Diagrammdarstellung des Zusammenhangs zwischen MOR und RVR bei verschiedenen Hintergrundhelligkeiten
5 Übersicht der RVR – Berechnung und Ermittlung der optimalen Intensitätsdimmung DOPT mit halbautomatischer Steuerung der Landebahnbefeuerungsintensität
6 Übersicht der RVR – Berechnung und Ermittlung der optimalen Intensitätsdimmung DOPT mit vollautomatischer Steuerung der Landebahnbefeuerungsintensität
7 Automatische Nachführung der Befeuerungsintensität für RVR = 1500 m
8 MOR – Veränderung und daraus resultierende RVR mit automatischer Befeuerungsintensitätsnachführung für verschiedenen Hintergrundhelligkeiten
9 Automatische Nachführung der Befeuerungsintensität über der Zeit für verschiedene Hintergrundhelligkeiten
10 Energiesparpotential für verschiedenen Hintergrundhelligkeiten
Aufbauend auf dem Stand der Technik nutzt das erfindungsgemäße Verfahren nun die Möglichkeit, die sich durch eine bestimmte Landebahnbefeuerungsintensität ergebende RVR zu beurteilen, und aufgrund dieser Kenntnis die Landebahnbefeuerungsintensität halb- oder vollautomatisch so nachzuführen, dass die resultierende RVR immer sicher einen konfigurierten Zielwert RVR_ZIEL annehmen wird, soweit die Meteorologische Sichtweite und die Hintergrundhelligkeit dieses zulassen.
Hierdurch lässt sich sicherstellen, dass die Intensität der Landebahnbefeuerung immer nur so stark gewählt wird, wie unbedingt erforderlich, um einen sicheren und störungsfreien Flugbetrieb zu gewährleisten.
Durch Umwandlung der Gleichung 2 erhält man für die Intensitätsdimmung D = (Et·RVR2)/(I0[RVR]·e^((In0,05·RVR)/MOR)) (Gleichung 3)
Setzt man nun für die RVR den angestrebten Zielwert für die Landebahnsichtweite RVR_ZIEL ein, so lässt sich eine Intensitätsdimmung D_OPT berechnen, welche sich in Abhängigkeit der MOR und der Hintergrundhelligkeit verändert und die optimale Intensitätseinstellung für das gegebene Landebahnbefeuerungssystem unter Berücksichtigung der Meteorologischen Sichtweite und der Tageslichtbedingungen respektive der Hintergrundhelligkeit beschreibt. DOPT = (Et·RVRZIEL 2)/(I0[RVRZIEL]·e^((In0,05·RVRZIEL)/MOR)) (Gleichung 4)
Aufgrund von sicherheitstechnischen Erwägungen können hierbei unterschiedliche Zielwerte für die RVR herangezogen werden.
Denkbar ist es z.B. die RVR-Minimalwerte nach CAT I bis CAT IIIb (ICAO Annex 6 – Operation of Aircraft) direkt oder mit einem Sicherheitsfaktor beaufschlagt zu verwenden.
Auch könnte die ermittelte Intensitätsdimmung D_OPT mit einem Sicherheitsfaktor vergrößert werden. Bei einer stufenweisen Verstellmöglichkeit für die Befeuerungsintensität sollte die Intensitätsdimmung ohnehin auf die jeweils nächstgrößere Intensitätsstufe aufgerundet werden.
Sicherheitstechnisch unbedenklich ist in jedem Fall eine Festlegung des Zielwertes für die RVR auf die von der ICAO empfohlene Mindestobergrenze für die RVR-Bestimmung von 1500 m (ICAO Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices, Doc9328-AN/908).
Der ermittelte optimale Faktor für die Intensitätsdimmung des Landebahnbefeuerungssystems kann nun dem ATC-Personal über ein entsprechendes Anzeigesystem für eine Nachführung vorgeschlagen werden, siehe 5. oder über eine geeignete Schnittstelle des RVR-Rechnersystems direkt an das Landebahnbefeuerungssystem zwecks vollautomatischer Nachführung übergeben werden, siehe 6
In beiden Fällen lässt sich die Einstellung der Landebahnbefeuerungsintensität anhand der bekannten und messtechnisch erfassten Umweltparameter optimieren. Eine zu intensive Einstellung der Befeuerungsintensität wird vermieden, der Energieverbrauch und das Risiko von Blendwirkungen minimiert und die Lebensdauer der Befeuerungsleuchtmittel verlängert.
7 zeigt die resultierenden Befeuerungsintensitätsdimmungen D_OPT in Abhängigkeit von der gemessenen MOR anhand des Zuweisungsbeispieles für I₀[RVR] nach 3 für die ausgewählten Hintergrundhelligkeitssituationen Nacht, Dämmerung, Tag und heller Tag unter der Annahme, dass ein Zielwert von 1500 m für die RVR verwendet wird.
Für die praktische Umsetzung des Verfahrens ist noch zusätzlich zu berücksichtigen, dass Befeuerungsintensitäten unter 3% wegen des steigenden Rotanteiles im Spektrum des Landebahnbefeuerungssystems von der ICAO nicht empfohlen werden.
Für das Ergebnis aus Gleichung 4 muss demnach einschränkend gelten: wenn DOPT < 0,03, dann DOPT = 0,03 (Gleichung 5)
Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Verfahrens zeigt 8 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der MOR und die daraus resultierende RVR für unterschiedliche Hintergrundhelligkeiten mit automatischer Intensitätsnachführung der Landebahnbefeuerung.
Wenn immer möglich, hält die automatische Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität die RVR auf dem Zielwert von 1500 m konstant. Nach dem Erreichen von 100% Befeuerungsintensität greift der Einfluss der weiter sinkenden MOR auch auf die RVR durch.
9 zeigt den dazugehörigen Verlauf der Befeuerungsintensitätsdimmung für die gleiche Phase (ohne Berücksichtigung der Gleichung 5). Je nach Hintergrundhelligkeit erreicht die Befeuerungsintensitätsdimmung D_OPT nach dem optimierten Verlauf früher oder später einen Wert von 1, entsprechend einer 100%-igen Befeuerungsintensität.
10 stellt das Energiesparpotenzial für die gleiche Phase aufgrund der automatischen Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität dar.
Allerdings wird das Energiesparpotenzial aufgrund der Bedingung nach Gleichung 5 in der praktischen Umsetzung einen Wert von 97% nicht überschreiten können.

Claims

Verfahren zur Festlegung bzw. Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität auf Grundlage der Bestimmung einer optimalen Befeuerungsintensität für einen Zielwert der Landebahnsicht RVR unter Berücksichtigung der landebahnspezifischen Parameter des Befeuerungssystems, der Meteorologischen Sichtweite und der Hintergrundhelligkeit, dadurch gekennzeichnet, dass – einem Rechnersystem die Messwerte für die Meteorologische Sichtweite MOR und die Hintergrundhelligkeit sowie die landebahn- und befeuerungssystemspezifische Befeuerungslichtstärkeverteilung unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels des Piloten im Anflug und eine Mindestlandebahnbefeuerungsintensität zur Verfügung stehen, – innerhalb des Rechnersystems eine Sichtbarkeitsschwelle auf Grundlage der gemessenen Hintergrundhelligkeit bestimmt wird, – innerhalb des Rechnersystems unter Zuhilfenahme der gemessenen MOR, der berechneten Sichtbarkeitsschwelle, der landebahn- und befeuerungssystemspezifischen Befeuerungslichtstärkeverteilung unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels des Piloten im Anflug und der Mindestlandebahnbefeuerungsintensität ein optimaler Faktor für die Intensitätsdimmung der Landebahnbefeuerung berechnet wird, der eine RVR entsprechend des Zielwertes gewährleistet solange die Umweltparameter dieses zulassen, – der ermittelte, optimale Faktor für die Intensitätsdimmung über eine geeignete Datenschnittstelle und/oder Anzeige zur Festlegung und Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der gemessenen Hintergrundhelligkeit in die Sichtbarkeitsschwelle Et stufenlos durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der errechnete optimale Faktor für die Intensitätsdimmung der Landebahnbefeuerung dem Landebahnbefeuerungssystem zwecks automatischer Nachführung der Befeuerungsintensität über eine Datenschnittstelle direkt übergeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die errechnete optimale Intensitätsdimmung für die Landebahnbefeuerung dem ATC-Personal über eine geeignete Anzeige als Vorschlag präsentiert wird und die Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität manuell durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung der Landebahnbefeuerungsintensität stufenlos durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielwert für die RVR frei konfiguriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestlandebahnbefeuerungsintensität frei konfiguriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer stufenweisen Einstellung der Landebahnbefeuerungsintensität die optimale Intensitätsdimmung auf die jeweils nächstgrößere mögliche Intensitätsstufe aufgerundet wird.