DE102012001616A1

DE102012001616A1 - Method for automatic determination of climate-optimized reference-flight route and reference flight altitude for flight of airplane, involves determining reference flight route and flight altitude by varying flight route and flight altitude

Info

Publication number: DE102012001616A1
Application number: DE201210001616
Authority: DE
Inventors: Hermann Mannstein; Ulrich Schumann; Klaus Gierens; Stefanie Meilinger; Andreas Waibel
Original assignee: Deutsche Lufthansa AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsche Lufthansa AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-08-01

Abstract

The method involves determining flight route from a starting point to a target point and flight altitude (102) based on performance data of an airplane, non-meteorological data (107) e.g. navigation data, and meteorological data (106). A potentially integrated radiation drive value is determined (103) for the flight route and the flight altitude based on the meteorological data and predetermined engine emission data. Reference-flight route and reference-flight altitude are determined (104) by varying the flight route and the flight altitude such that the radiation drive value is minimized. The meteorological data consists of three-dimensional air temperature data, three-dimensional air humidity sensor, three-dimensional air pressure data, or three-dimensional wind data. An independent claim is also included for a device for automatic determination of climate-optimized reference-flight route and reference flight altitude.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten Ermittlung einer klimaoptimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort. Die „Soll-Flugroute” und „Soll-Flughöhen” ergeben sich vorliegend als Ergebnis eines Optimierungsverfahrens. Der Begriff „Soll-Flugroute” bzw. „Flugroute” bezeichnet vorliegend eine zweidimensionale Flugroute, bspw. in x-, y-Koordinaten. Der Begriff „Soll-Flughöhe” bzw. „Flughöhe” gibt vorliegend die Flughöhe entlang der zweidimensionalen Soll-Flugroute bzw. der Flugroute an.The invention relates to a method and a device for the automated determination of a climate-optimized desired flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a starting location to a destination. The "desired flight route" and "target flight altitudes" result in the present case as the result of an optimization procedure. The term "desired flight route" or "flight route" in this case refers to a two-dimensional flight route, for example in x, y coordinates. The term "desired altitude" or "altitude" in this case indicates the altitude along the two-dimensional target flight route or the flight route.

Verfahren und Vorrichtungen zur automatisierten Flugplanung und Flugplanoptimierung, d. h. zur Ermittlung einer optimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort, sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und werden heute weltweit von Luftfahrtunternehmen verwendet. Sie dienen insbesondere dem Ziel den Flug derart zu planen, dass die für den Flug anfallenden Betriebskosten des Fluges minimiert werden.Methods and apparatus for automated flight planning and flight plan optimization, d. H. for determining an optimized target flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a start location to a destination, are well known in the art and are now used by airlines worldwide. In particular, they serve the purpose of planning the flight in such a way that the operating costs of the flight incurred for the flight are minimized.

So geht aus der Druckschrift US 2010/0191458 A1 eine Vorrichtung sowie eine Verfahren zur Flugplanoptimierung hervor, bei dem ein Nutzer über ein Datennetzwerk eine Anfrage für eine Planung eines Fluges von einem Startort zu einem Zielort, zu einer vom Nutzer vorgegebenen Startzeit mit einem vorgegebenen Flugzeugtyp stellt. Auf Basis der Anfrage werden flugzeugtypspezifisch eine Vielzahl von Flugrouten zwischen dem Startort und dem Zielort inklusive der für die jeweilige Flugdurchführung erforderlichen Gesamtbetriebskosten des Flugzeugs ermittelt und an den Nutzer übermittelt. Die Ermittlung der Flugrouten basiert dabei auf für das Zeitintervall der Flugdurchführung gültigen meteorologischen Daten, flugzeugspezifischen Flugleistungs- und Treibstoffverbrauchsdaten, Navigationsdaten, die insbesondere die Luftraumstruktur, die Luftverkehrsstraßen und Navigationseinrichtungen, Meldepunkte und An- und Abflugverfahren umfassen, und vorgegebenen Treibstoffkosten. Ein Nutzer kann die ermittelten Flugrouten nach vorgebbaren Kriterien, wie Blockzeit (engl. „blocktime”) Flugzeit (engl. „flight time”), Gesamtflugstrecke, für den Flug erforderliche Treibstoffmenge, Flugkosten etc. filtern, wodurch die Flugplanung im Hinblick auf Gesamtkosten, oder Treibstoffverbrauch oder Flugzeit oder Flugstrecke etc. optimiert wird.This is how the document goes US 2010/0191458 A1 a device and a method for flight plan optimization, in which a user via a data network, a request for planning a flight from a starting place to a destination, at a user-specified start time with a given type of aircraft provides. On the basis of the request, a multiplicity of flight paths between the starting location and the destination, including the total operating costs of the aircraft required for the respective flight execution, are determined and transmitted to the user. The determination of the flight routes is based on valid for the time interval of the flight execution meteorological data, aircraft-specific flight performance and fuel consumption data, navigation data, in particular the airspace structure, the air roads and navigation devices, reporting points and approach and departure procedures, and fuel costs. A user can filter the ascertained flight routes according to predefinable criteria, such as block time flight time, total flight distance, amount of fuel required for the flight, flight costs, etc., whereby the flight planning with regard to total costs, or fuel consumption or flight time or flight path etc. is optimized.

Es ist weiterhin bekannt (vgl. J. E. Penner et al.: „Aviation and the Global Atmosphere” IPCC, 1999, Technical Report, Cambridge Universitiy Press ), dass der Flugverkehr Wirkungen auf das Erdklima hat, wobei die klimarelevanten Wirkungen des Flugverkehrs insbesondere auf folgenden drei Triebwerksemissionsprodukten beruhen: Wasserdampf (1,25 kg), Kohlendioxid (3,15 kg), und Stickoxide (5–25 g). Die vorstehenden Angaben in Klammern sind ca.-Angaben, die die Masse der einzelnen Verbrennungsprodukte bei einer Verbrennung von 1 kg Kerosin in modernen Triebwerken im Reiseflug angeben. Die klimarelevanten Wirkungen der Triebwerksemissionsprodukte ergeben sich wie folgt. Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) wirken direkt als Treibhausgase. Die reaktiven Stickoxide NO, NO₂, (NO_x), die selbst keine Treibhausgase sind, beeinflussen die Bildung von Ozon (O₃) bzw. den Abbau von Methan, die ihrerseits wiederum als Treibhausgase wirken. Die Emission von Wasserdampf (H₂O) aus Flugzeugtriebwerken verursacht bei entsprechender Umgebungslufttemperatur und -feuchte zudem die Bildung von Kondensstreifen (engl. „condensation-trails” oder „contrails”) und nimmt so zusätzlichen Einfluss auf die lokale Strahlungsbilanz der Atmosphäre.It is also known (cf. JE Penner et al .: "Aviation and the Global Atmosphere" IPCC, 1999, Technical Report, Cambridge Universitiy Press ) that air traffic has effects on the Earth's climate, with the climate-relevant effects of air traffic in particular being based on the following three engine emission products: water vapor (1.25 kg), carbon dioxide (3.15 kg), and nitrogen oxides (5-25 g). The above information in parenthesis is approximate, which gives the mass of individual combustion products when burning 1 kg of kerosene in modern aircraft in cruising flight. The climate-relevant effects of the engine emission products are as follows. Carbon dioxide (CO ₂ ) and water vapor (H ₂ O) act directly as greenhouse gases. The reactive nitrogen oxides NO, NO ₂ , (NO _x ), which themselves are not greenhouse gases, influence the formation of ozone (O ₃ ) or the decomposition of methane, which in their turn act as greenhouse gases. The emission of water vapor (H ₂ O) from aircraft engines also causes the formation of condensation trails ("condensation trails" or "contrails") with the corresponding ambient air temperature and humidity, thus exerting an additional influence on the local radiation balance of the atmosphere.

Aus dem zuvor zitierten IPCC-Report ist weiterhin bekannt, dass die sich im Nachlauf von Flugzeugen bei entsprechender Umgebungslufttemperatur und -feuchte bildenden Kondensstreifen einen zusätzlichen, erwärmenden oder kühlenden Klimaeffekt verursachen, der in seiner Größenordnung mit dem des bei der Verbrennung von Kerosin in Flugzeugtriebwerken entstehenden CO₂ vergleichbar ist. Nachdem der Flugverkehr unter allen Verkehrsarten die höchsten Zuwachsraten aufweist, wird sein Anteil an der globalen Erwärmung in Zukunft noch steigen und somit auch die Notwendigkeit, Maßnahmen zur Verringerung der Auswirkungen des Flugverkehrs auf das Klima zu ergreifen. Die Strahlungswirkung der Kondensstreifen und der daraus entstehenden Zirren ist zeitlich und räumlich hoch variabel, in der Nacht erwärmen diese Wolken die Atmosphäre, am Tag können sie, zumindest über dunklem Untergrund, auch kühlen. Die Emission der im Flug emittierten langlebigen Treibhausgase kann zwar exakt über den Treibstoffverbrauch erfasst werden, sie kann jedoch nur durch aufwändige und langwierige Optimierung bei der Konzeption des Fluggerätes und der Triebwerke verringert werdenFrom the previously cited IPCC report is also known that in the wake of aircraft at corresponding ambient air temperature and humidity forming vapor trails cause an additional, warming or cooling climate effect on the order of magnitude with that of the combustion of kerosene in aircraft engines CO _{2 is} comparable. With air traffic having the highest growth rates in all transport modes, its share of global warming will increase in the future, and hence the need to take measures to reduce the impact of air travel on the climate. The radiation effect of the contrails and the resulting cirrus is highly variable in time and space, at night these clouds warm the atmosphere, during the day they can, at least over dark ground, also cool. Although the emission of long-lived greenhouse gases emitted in flight can be recorded exactly via the fuel consumption, it can only be reduced by time-consuming and lengthy optimization in the design of the aircraft and the engines

Kondensstreifen sind häufig als weiße „linienförmige Wolken” (linienförmige Zirrus-Wolken) hinter hochfliegenden Flugzeugen zu erkennen. Je nach Umgebungsbedingungen kann ein Kondensstreifen mehrere Stunden existieren und sich dabei derart verbreitern, dass er in eine (groß-)flächige Zirrus-Bewölkung übergeht. Wie Untersuchungen ergeben haben, liegen die für eine Kondensstreifenbildung, erforderlichen Umgebungsbedingungen (Eisübersättigung) relativ selten vor, so dass sich bei einer Gesamtbetrachtung des Flugverkehrs eine Kondensstreifenbildung nur für etwa 15 Prozent aller geflogenen Flugkilometer ergibt. Die optischen Eigenschaften eines Kondensstreifens bzw. der sich daraus direkt bildenden Zirrus-Wolken hängen unter anderem von den Partikelemissionen des Triebwerks, der Partikelbildung im Abgasstrahl, sowie von den Umgebungsbedingungen ab.Contrails are often seen as white "line-shaped clouds" (line-shaped cirrus clouds) behind high-flying aircraft. Depending on the ambient conditions, a contrail can exist for several hours and widen in such a way that it merges into a (large) area cirrus cloud cover. As investigations have shown, the environmental conditions (ice supersaturation) required for contrail formation are relatively rare, so that, given an overall view of air traffic, contrail formation results only in about 15 percent of all flown air kilometers. The optical properties of a condensate strip or the resulting Direct-forming cirrus clouds depend, among other things, on the particle emissions of the engine, the formation of particles in the exhaust gas jet, as well as on the ambient conditions.

Die Klimawirkungen des Flugverkehrs haben auch rechtliche Auswirkungen. Im Jahr 2012 soll der Flugverkehr laut Richtlinie 2008/101/EG in den Emissionshandel aufgenommen werden, wobei bislang nur eine Berücksichtigung des CO₂-Effektes vorgesehen ist (vgl. Richtlinie 2003/87/EG ). In der Richtlinie 2008/101/EG wird jedoch schon auf die gesamten, dem Luftverkehr zu rechenbaren Klimaauswirkungen hingewiesen:
„(14) Ziel der Änderungen der Richtlinie 2003/87/EG durch diese Richtlinie ist es, die dem Luftverkehr zurechenbaren Klimaauswirkungen durch Einbeziehung der Emissionen aus dem Luftverkehr in das Gemeinschaftssystem zu verringern. bzw.
(19) Der Luftverkehr beeinflusst das Weltklima durch die Freisetzung von Kohlendioxid, Stickoxiden, Wasserdampf, Sulfat- und Rußpartikeln. Laut Schätzungen des IPCC ist die Gesamtklimawirkung des Luftverkehrs derzeit um zwei bis vier Mal stärker als der alleinige Effekt seiner bisherigen CO₂-Emissionen. Aktuelle Ergebnisse der Gemeinschaftsforschung deuten darauf hin, dass die Gesamtklimawirkung des Luftverkehrs etwa doppelt so hoch sein könnte wie der alleinige Effekt von Kohlendioxid. Bei keiner dieser Schätzungen wird jedoch der große Unsicherheitsfaktor hinsichtlich der Zirruswolken berücksichtigt. Gemäß Artikel 174 Absatz 2 des Vertrags muss die Umweltpolitik der Gemeinschaft auf dem Grundsatz der Vorsorge beruhen. Bis wissenschaftliche Fortschritte erzielt werden, sollten so weit wie möglich alle Auswirkungen des Luftverkehrs berücksichtigt werden. Stickoxidemissionen werden durch andere – von der Kommission im Jahr 2008 vorzuschlagende Rechtsvorschriften geregelt werden. Die Forschung bezüglich der Bildung von Kondensstreifen und Zirruswolken sowie bezüglich wirksamer Eindämmungsmaßnahmen, einschließlich technischer und betriebstechnischer Maßnahmen, sollte gefördert werden.”The climate impacts of air traffic also have legal implications. In 2012, the air traffic should be loud Directive 2008/101 / EC be included in emissions trading, whereby so far only a consideration of the CO ₂ effect is provided (see. Directive 2003/87 / EC ). In the Directive 2008/101 / EC However, attention is drawn to the overall climate impact of air transport:
"(14) Aim of the amendments to the Directive 2003/87 / EC This Directive aims to reduce the climate impact attributable to aviation by incorporating aviation emissions into the Community scheme. respectively.
(19) Air transport affects the global climate by releasing carbon dioxide, nitrogen oxides, water vapor, sulphate and soot particles. According to estimates by the IPCC, the overall climate impact of aviation is currently two to four times greater than the sole effect of its previous CO ₂ emissions. Recent results of the joint research suggest that the overall climate impact of aviation could be about twice as high as the sole effect of carbon dioxide. None of these estimates, however, take into account the large uncertainty factor with regard to cirrus clouds. According to Article 174 (2) of the Treaty, Community environmental policy must be based on the precautionary principle. Until scientific progress is made, account should be taken as far as possible of all the effects of aviation. Emissions of nitrogen oxides will be regulated by other legislation to be proposed by the Commission in 2008. Research on the formation of contrails and cirrus clouds and on effective mitigation measures, including technical and operational measures, should be promoted. "

Wie neuere Forschungsergebnisse zum Einfluss des Flugverkehrs auf das Klima zeigen, beträgt der CO₂-Einfluss des Luftverkehrs ca. 1.6%–2.2% der gesamten vom Menschen verursachten Störung im globalen Strahlungshaushalt, während alle bekannten Wirkungspfade zusammen 4.9% erreichen, d. h. die nicht-CO₂ Gase und vor allem die vom Flugverkehr verursachten Änderungen in der Bewölkung (Kondensstreifen und daraus entstehende Zirren) tragen einen bedeutenden Anteil zur Gesamtwirkung bei.Recent research on the impact of air traffic on the climate shows that the CO ₂ impact of air traffic is approximately 1.6% -2.2% of the total human-induced disturbance in the global radiation budget, while all known pathways together reach 4.9%, ie CO ₂ gases and, in particular, the changes in cloud cover caused by air traffic (contrails and resulting cirrus) contribute significantly to the overall impact.

Während sich das chemisch träge CO₂ mit seiner langen Aufenthaltsdauer in der Atmosphäre gleichmäßig verteilt und somit seine Wirkung auf den Strahlungshaushalt unabhängig vom Ort und Zeitpunkt der Emission ist, zeigen die übrigen relevanten Emissionen ein deutlich anderes Verhalten. Je nach atmosphärischer Aufenthaltsdauer (oder auch chemischer Aktivität) und bereits vorhandener Hintergrundkonzentration ist die Wirkung vom Ort und Zeitpunkt der Emission und auch von der Entwicklung über die Lebensdauer abhängig.While the chemically inert CO ₂ with its long duration of stay in the atmosphere is evenly distributed and thus its effect on the radiation budget is independent of the location and time of emission, the other relevant emissions show a distinctly different behavior. Depending on the atmospheric residence time (or even chemical activity) and already existing background concentration, the effect depends on the place and time of emission and also on the development over the lifetime.

Es ist im Stand der Technik bisher kein System und kein Verfahren bekannt, das einen Flugplan, d. h. eine Flugroute und zugehörige Flughöhen, im Hinblick auf eine mit der Durchführung eines Fluges einhergehenden Klimawirkung optimiert.There is no known system or method in the prior art for providing a flight plan, i. H. a flight route and associated altitudes, optimized for a climate impact associated with the performance of a flight.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem/der eine Optimierung einer Flugplanung hinsichtlich der Klimawirksamkeit eines Fluges mit einem Flugzeug von einem Startort zu einem Zielort möglich ist.The object of the invention is therefore to specify a method and a device with which an optimization of a flight planning with regard to the climatic effectiveness of a flight with an aircraft from a starting location to a destination is possible.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.

Der verfahrensgemäße Aspekt der Aufgabe ist mit einem Verfahren zur automatisierten Ermittlung einer klimaoptimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort gelöst, bei dem auf Basis von bereitgestellten Flugleistungsdaten des Flugzeugs, Navigationsdaten (welche insbesondere die Luftraumstruktur, die Luftverkehrsstraßen und Navigationseinrichtungen, Meldepunkte und An- und Abflugverfahren, (aktuelle) Verkehrsbeschränkungen, etc. umfassen), und meteorologischen Daten eine Flugroute vom Startort zum Zielort sowie zugehörige Flughöhen ermittelt werden. Das Ermitteln der Flugroute sowie der zugeordneten Flughöhen erfolgt gemäß einem im Stand der Technik bekannten Verfahren, d. h. ohne explizite Berücksichtigung klimarelevanter Auswirkungen des Fluges. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass für die im ersten Schritt ermittelte Flugroute und die zugehörigen Flughöhen ein potentieller über die gesamte Flugroute integrierter Strahlungsantriebswert S auf Basis der meteorologischen Daten und vorgegebener Triebwerksemissionsdaten ermittelt wird, wobei der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S eine Klimawirkung angibt, die dann Realität wird, wenn ein Flug entlang der Flugroute in den zugehörigen Flughöhen tatsächlich durchgeführt wird, und der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S einen durch Triebwerksemissionen des Flugzeugs erzeugten Strahlungsantrieb S₁ und einen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen erzeugten Strahlungsantrieb S₂ berücksichtigt, mit S = S₁ + S₂, und die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der zuvor ermittelten Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen derart ermittelt werden, dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S). Die einzelnen Verfahrensschritte laufen automatisiert ab, so dass nach Vorgabe des Startorts, des Zielortes, und bspw. der Startzeit am Startort die Soll-Flugroute und die zugeordneten Soll-Flughöhen automatisiert ermittelt werden. Die Soll-Flughöhen geben dabei ein Flughöhenprofil über der Soll-Flugstrecke an.The procedural aspect of the object is achieved with a method for the automated determination of a climate-optimized target flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a starting location to a destination, based on provided flight performance data of the aircraft, navigation data (which in particular the Airspace structure comprising air traffic routes and navigation facilities, reporting points and approach and departure procedures, (current) traffic restrictions, etc.), and meteorological data a flight route from the place of departure to the destination and associated altitudes are determined. The determination of the flight route as well as the assigned flight heights takes place according to a method known in the prior art, ie without explicitly taking climate-relevant effects of the flight into account. The method according to the invention is further distinguished in that for the flight route determined in the first step and the associated flight altitudes, a potential radiation drive value S integrated over the entire flight route is determined on the basis of the meteorological data and predefined engine emission data, the potential integrated radiation drive value S indicating a climatic effect , which becomes a reality when a flight along the flight route is actually performed at the associated altitudes, and the potential integrated radiant propulsion value S generated by engine emissions of the aircraft Radiation drive S ₁ and a generated by the aircraft contrails radiation drive S ₂ taken into account, with S = S ₁ + S ₂ , and the desired flight route and the target altitudes by varying the previously determined flight route and / or the associated flight altitudes are determined in that the potential integrated radiation drive value S is minimized: S _min = Min (S). The individual method steps run automatically, so that after specification of the starting location, the destination, and, for example, the start time at the starting location, the desired flight route and the associated target altitudes are determined automatically. The nominal altitudes indicate an altitude profile above the nominal flight distance.

Die Erfindung beruht auf der Idee, die Flugplanung für einen Flug von einem Startort zu einem Zielort derart zu optimieren, dass einerseits Klimawirkungen durch dabei erzeugte Triebwerksemissionen (CO₂, H₂O, NO, NO₂, NO_x, NO_y, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Feinstaub, Ruß, sowie weitere im Stand der Technik bekannte Emissionsbestandteile) und andererseits Klimawirkungen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen und ggf. eine daraus entstehende Zirrusbewölkung minimiert werden. Die vorliegende Berücksichtigung auch der nicht-CO₂ Gase und der Kondensstreifenbildung bzw. in einer bevorzugten Ausbildung auch einer durch Kondensstreifen verursachten Zirruswolkenbildung bei der Optimierung von Flugrouten führt dazu, dass zwar in Bezug auf den Treibstoffverbrauch und somit auf die CO₂ Emission sub-optimal geflogen wird, jedoch die Verringerung der Klimawirksamkeit der nicht-CO₂ Effekte das Mehr an Treibstoffverbrauch und dem entsprechend das Mehr an CO₂ Emissionen bei weitem aufwiegen kann.The invention is based on the idea of optimizing flight planning for a flight from a starting location to a destination in such a way that on the one hand climate effects caused by engine emissions (CO ₂ , H ₂ O, NO, NO ₂ , NO _x , NO _y , unburned hydrocarbons , polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), particulate matter, soot, and other emission components known in the prior art) and, on the other hand, climate impacts caused by contrails produced by the aircraft and possibly resulting cirrus clouding. The present consideration of the non-CO ₂ gases and the contrail formation or in a preferred embodiment also caused by contrails cirrus cloud formation in the optimization of flight routes means that although sub-optimal in terms of fuel consumption and thus on the CO ₂ emission However, reducing the climate impact of non-CO ₂ effects can outweigh the increase in fuel consumption and, correspondingly, the additional CO ₂ emissions.

Die Erfindung kann entscheidend zu einer Verminderung des Luftverkehrsanteils an der globalen Erwärmungsrate der Erdatmosphäre beitragen. Die erfindungsgemäße Flugplanung ist zudem dann von herausragender wirtschaftlicher Bedeutung, wenn der Emissionshandel die Bewertung des Flugverkehrs vom reinen Treibstoffverbrauch auf eine Klimawirksamkeit des Flugverkehrs, insbesondere das Erderwärmungspotential bzw. den Strahlungsantrieb umstellt. Die präzise Definition der Ziele des Emissionshandels ist eine politische Entscheidung, die noch zu treffen sein wird. Auf der UNO-Klimakonferenz in Cancun im Dezember 2010 wurde dazu das Ziel, die globale Erwärmung unter 2 Grad zu halten, vereinbart. Aus dieser Definition ergibt sich eine Metrik und ein damit verbundener Zeithorizont und somit eine eindeutige Wichtung zwischen den verschiedenen Komponenten der Klimawirkung des Flugverkehrs.The invention can significantly contribute to a reduction of the aviation share of the global warming rate of the earth's atmosphere. In addition, the flight planning according to the invention is of outstanding economic importance if the emissions trading system converts the assessment of air traffic from the pure fuel consumption to the climate impact of air traffic, in particular the global warming potential or the radiation drive. The precise definition of the objectives of emissions trading is a political decision that has yet to be taken. At the UN Climate Change Conference in Cancun in December 2010, the goal of keeping global warming below 2 degrees was agreed. This definition gives rise to a metric and associated time horizon and thus a clear weighting between the various components of the climate impact of air traffic.

Der Begriff des „Strahlungsantriebs” (engl. „radiative forcing”) wie er vorliegend verwendet wird wurde vom Intergovernmental Panel on Climate Change „IPCC” eingeführt, um im Rahmen von Klimastudien eine externe Störung der Strahlungsbilanz des Klimasystems Erde zu beschreiben. Eine derartige Störung kann in Form einer Konzentrationsänderung einer für die Strahlungsbilanz relevanten Substanz (z. B. Treibhausgase, Aerosole), einer Änderung der Bestrahlungsstärke der Sonne, oder eben in Form einer Änderung der natürlichen Wolkenbildung durch Kondensstreifen bzw. einer daraus entstehenden Zirrusbewölkung auftreten. Jede Störung der Strahlungsbilanz hat das Potential, Veränderungen von Klimaparametern und damit einen neuen Gleichgewichtszustand des Klimasystems Erde herbeizuführen. Der Strahlungsantrieb wird typischerweise in Watt/m² angegeben. Der Strahlungsantrieb ist negativ für eine Störung der Strahlungsbilanz, die einen abkühlenden Effekt auf die Atmosphäre ausübt. Der Strahlungsantrieb ist positiv für eine Störung der Strahlungsbilanz, die einen erwärmenden Effekt auf die Atmosphäre ausübt.The term "radiative forcing" as used in the present case was introduced by the Intergovernmental Panel on Climate Change ("IPCC") to describe an external disturbance of the radiation balance of the climate system Earth in the context of climate studies. Such a disturbance can occur in the form of a change in concentration of a substance relevant for the radiation balance (eg greenhouse gases, aerosols), a change in the irradiance of the sun, or in the form of a change in natural cloud formation due to contrails or a cirrus cloud arising therefrom. Every disturbance of the radiation balance has the potential to bring about changes in climate parameters and thus a new equilibrium state of the climate system Earth. The radiation drive is typically given in watts / m ² . The radiation drive is negative for a disturbance of the radiation balance, which exerts a cooling effect on the atmosphere. The radiation drive is positive for a disturbance of the radiation balance, which exerts a warming effect on the atmosphere.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Zusammenhang zwischen einem erzeugten Strahlungsantrieb, d. h. einer Störung der atmosphärischen Strahlungsbilanz, und einer dadurch erzeugten konkreten Klimawirkung abhängig ist von der zugrunde gelegten Metrik und dem betrachteten Zeitraum. Auf weitergehende Ausführungen zu dieser Thematik wird jedoch verzichtet, da diese Zusammenhänge dem Fachmann bekannt sind. Es wird hierzu auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.It should be noted at this point that the relationship between a generated radiation drive, d. H. A disturbance of the atmospheric radiation balance, and the resulting concrete climate impact depends on the underlying metric and the considered period. However, further explanations on this topic are omitted, since these relationships are known to the expert. For this purpose, reference is made to the relevant prior art.

Vorliegend wird die Klimawirkung für die Durchführung eines Fluges entlang einer Flugroute in zugeordneten Flughöhen als über die Flugroute von Startort zum Zielort, bevorzugt über Raum und Zeit, integrierter Strahlungsantriebswert S ermittelt. Die Integration/Aufsummierung erfolgt für lokale Strahlungsantriebswerte, die entlang der jeweiligen Flugroute variieren. Der integrierte potentielle Strahlungsantriebswert S berücksichtigt erfindungsgemäß einen durch Triebwerksemissionen des Flugzeugs erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₁ und einen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen und ggf. durch daraus entstehende Zirruswolken erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₂, wobei S = S₁ + S₂ ist. Die (potentiellen) Strahlungsantriebswerte S₁ und S₂ ergeben sich ebenfalls durch jeweilige Integration über die Flugroute. Der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S gibt somit eine durch Triebwerksemissionen, Kondensstreifen und ggf. daraus sich entwickelnden Zirruswolken hervorgerufene Störung der atmosphärischen Strahlungsbilanz und damit eine entsprechende Klimawirkung an. Der Begriff „potentiell” deutet dabei an, dass es sich um einen Prognosewert handelt, der erst dann Realität wird, wenn der Flug tatsächlich entlang der jeweiligen Flugroute in den zugehörigen Flughöhen durchgeführt wird und die Prognose mit der Realität übereinstimmt. Insofern werden an die Eingangsdaten (meteorologische Daten, Triebwerksemissionsdaten, etc.) aber auch an die Algorithmen, die der Ermittlung der Strahlungsantriebswerte S, S₁ und S₂ dienen in Bezug auf Realitätsnähe hohe Anforderungen gestellt.In the present case, the climate effect for the execution of a flight along a flight route at assigned flight altitudes is determined as the flight path S integrated via the flight route from the place of departure to the destination, preferably over space and time. The integration / accumulation is done for local radiant propulsion values that vary along the respective flight path. According to the invention, the integrated potential radiation drive value S takes account of a (potential) radiation drive S ₁ generated by engine emissions of the aircraft and a contrail generated by the aircraft and possibly (potential) radiation drive S ₂ generated by cirrus clouds resulting therefrom, where S = S ₁ + S ₂ , The (potential) radiation drive values S ₁ and S _{2 also} result from respective integration over the flight route. The potential integrated radiation drive value S thus indicates a disturbance of the atmospheric radiation balance caused by engine emissions, contrails and possibly resulting cirrus clouds and thus a corresponding climatic effect. The term "potential" indicates that it is a forecast value, which only becomes reality when the flight is actually along the respective flight route at the associated altitudes is carried out and the forecast coincides with the reality. In this respect, high demands are placed on the input data (meteorological data, engine emission data, etc.) but also on the algorithms which serve to determine the radiation drive values S, S ₁ and S ₂ in relation to reality.

Der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S₂ für eine gegebene Flugroute und zugeordnete Flughöhen wird beispielsweise wie folgt ermittelt. Auf Basis von durch ein geeignetes Wettervorhersagemodell erzeugten meteorologischen Daten für das Zeitintervall, in dem der Flug auf der Flugroute in den zugeordneten Flughöhen durchgeführt werden soll, werden diejenigen räumlich-zeitlichen Gebiete entlang der Flugroute bestimmt, in denen persistente Kondensstreifen zu erwarten sind, d. h. in denen Eisübersättigung vorherrscht. Führt der Flugweg gemäß Flugroute und zugeordneten Flughöhen dabei durch diese Gebiete, wird der entlang der Flugroute der integrierte Strahlungsantriebswert S₂ derart bestimmt, dass unter Berücksichtigung der Partikelemission des Flugzeuges die Entwicklung des Kondensstreifens, also das Wachstum der Eismasse durch Ausbreitung und Akkumulation von Wasserdampf aus der Umgebungsluft, aber auch Abtrocknen durch Sedimentation und Absinken der Luftmasse im Sinne einer Trajektorienanalyse berechnet wird. Daraus wird zunächst ein Strahlungsantrieb S₂* pro Streckeneinheit über die Lebensdauer des Kondensstreifens abgeschätzt über den schließlich integriert wird.The potential integrated radiant propulsion value S ₂ for a given flight route and associated altitudes is determined, for example, as follows. On the basis of meteorological data generated by a suitable weather forecast model for the time interval in which the flight is to be performed on the flight route at the assigned altitudes, those spatiotemporal areas along the flight route are to be determined in which persistent contrails are to be expected, ie where ice supersaturation prevails. Leads the flight path according to flight route and associated altitudes thereby through these areas, along the flight path of the integrated Strahlungsantriebswert S _{2 is} determined such that, taking into account the particle emission of the aircraft, the development of the condensed strip, ie the growth of the ice mass by the propagation and accumulation of water vapor the ambient air, but also drying by sedimentation and lowering of the air mass in the sense of a trajectory analysis is calculated. From this, initially a radiation drive S ₂ * per unit distance over the life of the condensed strip is estimated over the finally integrated.

Für die Ermittlung des durch einen Kondensstreifen bzw. sich daraus entwickelnde Zirruswolken bewirkten Strahlungsantriebswertes S₂ auf Basis von Daten zur aufwärtsgerichteten kurz- und langwelligen atmosphärischen Strahlung, der Lufttemperatur, der Luftfeuchte, der Windfelder, und des Zenitwinkels der Sonne sind dem Fachmann im Stand der Technik verschiedene weitere Rechenmethoden, Näherungen und Parametrisierungen bekannt. Beispielhaft sei hierzu auf die Artikel von T. Corti und T. Peter, „A simple model for cloud radiative forcing”, in Atmos. Chem. Phys., 9, 5751–5758, 2009 ; Schumann et al., „A contrail cirrus prediction tool”, Proc, Intern. Conf. on Transport, Atmosphere and Climate-2 (Aachen and Maastricht) 2009 ; und Vortrag: Schumann et al. „A Parametric radiative forcing model for cirrus and contrail cirrus”, ESA Atmospheric Science Conference, Barcelona, 7.–11-September 2009 verwiesen. Die Ermittlung von entsprechenden Strahlungsantriebswerten S₁ für Triebwerksemissionen ist dem Fachmann ebenfalls bekannt, so dass hierzu auf den hierfür einschlägigen Stand der Technik verwiesen wird.For the determination of the caused by a contrail or cirrus clouds developing therefrom radiation drive value S ₂ based on data for upward short- and long-wave atmospheric radiation, the air temperature, the humidity, the wind fields, and the zenith angle of the sun are in the prior art Technique various other calculation methods, approximations and parametrizations known. As an example, let us look at the Article by T. Corti and T. Peter, "A simple model for cloud radiative forcing", in Atmos. Chem. Phys., 9, 5751-5758, 2009 ; Schumann et al., "A contrail cirrus prediction tool", Proc, Intern. Conf. on Transport, Atmosphere and Climate-2 (Aachen and Maastricht) 2009 ; and Lecture: Schumann et al. A parametric radiative forcing model for cirrus and contrail cirrus, ESA Atmospheric Science Conference, Barcelona, 7-11 September 2009 directed. The determination of corresponding radiation drive values S ₁ for engine emissions is likewise known to the person skilled in the art, so that reference is made to the relevant prior art for this purpose.

Erfindungsgemäß wird die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der zuvor ermittelten Flugroute und/oder der zuvor ermittelten zugehörigen Flughöhen derart ermittelt, dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S). Das Variieren/Optimieren der Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen berücksichtigt zumindest die Navigationsdaten, die meteorologische Daten und die Flugleistungsdaten des Flugzeugs, so dass die ermittelte Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen allen behördlichen und sonstigen anwendbaren Vorgaben genügen. Entsprechende Optimierungsverfahren und -methoden sind dem Fachmann bekannt, so dass auf eine diesbezügliche Erläuterung vorliegend verzichtet und auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen wird.According to the invention, the desired flight route and the desired flight altitudes are determined by varying the previously determined flight route and / or the previously determined associated flight altitudes such that the potential integrated radiation drive value S is minimized: S _min = Min (S). The varying / optimizing the flight route and / or the associated altitudes takes into account at least the navigation data, the meteorological data and the flight performance data of the aircraft, so that the determined target flight route and the target altitudes meet all regulatory and other applicable requirements. Corresponding optimization methods and methods are known to the person skilled in the art, so that an explanation in this regard is omitted here and reference is made to the relevant prior art.

Um die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen derart zu ermitteln, dass durch den Flug eine möglichst minimale Störung der Strahlungsbilanz und damit eine minimale Klimawirkung erzeugt wird, werden bei der Optimierung der zuvor ermittelten Flugroute und/oder der zuvor ermittelten zugehörigen Flughöhen bevorzugt insbesondere Lufträume berücksichtigt, in denen ein vom Flugzeug erzeugter Kondensstreifen bzw. eine daraus entstehende Zirrusbewölkung eine die Erdatmosphäre kühlende Klimawirkung erzeugt. Das führt ggf. zu einer längeren Flugroute und damit zu einer Erhöhung des Treibstoffbedarfs bzw. zu einer Erhöhung der Triebwerksemissionen. Die Erhöhung der Triebwerksemissionen wird jedoch dadurch begrenzt, dass der durch Triebwerksemissionen erzeugte (potentielle) Strahlungsantrieb S₁ bei der Minimierung des potentiellen integrierten Strahlungsantriebswertes S ebenfalls berücksichtigt wird.In order to determine the desired flight route and the desired flight altitudes so that the flight minimizes disruption of the radiation balance and thus a minimal impact on the climate, are in the optimization of the previously determined flight route and / or the previously determined associated altitudes preferred in particular Taking into account airspaces in which a contrail produced by the aircraft or a cirrus cloud resulting therefrom produces a climate effect which cools the earth's atmosphere. This leads possibly to a longer flight route and thus to an increase in fuel requirements or to an increase in engine emissions. The increase in engine emissions, however, is limited by the fact that the (potential) radiation drive S ₁ generated by engine emissions is also taken into account in minimizing the potential integrated radiation drive value S.

Sind beispielsweise für den Flug keine entlang der Flugroute liegenden Lufträume vorhanden, in denen meteorologische Bedingungen für eine Kondensstreifenbildung vorliegen, dann ist der über die Flugroute integrierte (potentielle) Strahlungsantriebswert S₂ = 0. In diesem Fall wird die Flugroute also dahingehend optimiert, dass der über die Flugroute integrierte Strahlungsantriebswert S₁ minimiert wird. Somit erfolgt in diesem Sonderfall die Ermittlung der Soll-Flugroute und der Soll-Flughöhen derart, dass letztlich die für den Flug erforderliche Treibstoffmenge minimiert wird.If, for example, there are no air spaces along the flight path for the flight in which there are meteorological conditions for contrail formation, the (potential) radiation drive value S ₂ = 0 integrated via the flight route is optimized in this case Radiation drive value S ₁ integrated over the flight route is minimized. Thus, in this special case, the determination of the desired flight route and the desired altitudes are such that ultimately the amount of fuel required for the flight is minimized.

Wie bereits vorliegend angedeutet, zeichnet sich eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch aus, dass der Strahlungsantrieb S₂ zusätzlich die Klimawirkung einer aus einem vom Flugzeug erzeugten Kondensstreifen entstehenden Zirrusbewölkung umfasst. Damit werden auch dem Flug zuzuordnende Störungen der atmosphärischen Strahlungsbilanz erfasst, die sich als Sekundärwirkungen von Kondensstreifen des Flugzeugs ergeben. Der Strahlungsantriebswert S₂ berücksichtigt dabei insbesondere auch die Lebendauer eines vom Flugzeug erzeugten Kondensstreifens, bzw. die Lebensdauer einer dadurch entstehenden Zirrusbewölkung sowie deren jeweilige laterale Ausdehnung und Bewegung in der Erdatmosphäre. Es sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass Kondensstreifen bzw. daraus entstehende Zirrusbewölkung einen negativen (integrierten) Strahlungsantriebswert S₂ erzeugen können, d. h. eine die Erdatmosphäre kühlende Klimawirkung haben können, wobei die kühlende Klimawirkung der Kondensstreifen bzw. der Zirrusbewölkung die durch Treibstoffemissionen wie bspw. CO₂ oder H₂O erzeugte erwärmende Klimawirkung zumindest teilweise kompensieren kann.As already indicated herein, a particularly preferred further development of the method according to the invention is characterized in that the radiation drive S ₂ additionally comprises the climatic effect of a cirrus cloud arising from a contrail generated by the aircraft. This also records disturbances of the atmospheric radiation balance attributable to the flight, which result as secondary effects of contrails of the aircraft. The radiation drive value S ₂ takes into account in particular the life of a condensed strip generated by the aircraft, or the life of a thereby arising cirrus clouds and their respective lateral extent and movement in the earth's atmosphere. It should be mentioned at this point that contrails or resulting cirrus clouds can produce a negative (integrated) Strahlungsantriebswert S ₂ , ie may have a cooling the Earth's atmosphere climate effect, the cooling climate effect of contrails or cirrus clouds by fuel emissions such as CO ₂ or H ₂ O generated can at least partially compensate for the warming effects of the climate.

Es sei weiterhin angemerkt, dass der erfindungsgemäß minimierte Strahlungsantriebswert S positive, negative Werte, wie auch den Wert 0 annehmen kann.It should further be noted that the inventively minimized radiation drive value S can assume positive, negative values, as well as the value 0.

In einer bevorzugt Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Flugroute bzw. die zugeordneten Flughöhen derart optimiert, dass der Strahlungsantriebswert S = 0 ist, was bedeutet, dass ein Flug entlang einer solchermaßen optimierten Soll-Flugroute in den zugeordneten Soll-Flughöhen klimaneutral ist, d. h. keine Klimawirkung hat.In a preferred embodiment variant of the method according to the invention, the flight route or the assigned flight altitudes are optimized such that the radiation propulsion value S = 0, which means that a flight along such an optimized target flight route is climate-neutral in the assigned target flight altitudes, ie. H. has no climate impact.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die meteorologischen Daten zeitabhängig sind, für den Flug zunächst eine Startzeit am Startort vorgegeben wird, und eine Soll-Startzeit, die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der Startzeit und der Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen ermittelt werden, so dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S). In dieser Variante des Verfahrens wird einer zeitlichen Veränderung des Wettergeschehens, welche durch die zeitabhängigen meteorlogischen (Prognose-)Daten wiedergegeben ist, Rechnung getragen. Für den Flug zwischen dem Startort und dem Zielort wird dabei neben der Flugroute, den zugeordneten Flughöhen zusätzlich die Abflugzeit am Startort optimiert, so dass insgesamt der Strahlungsantriebswert S minimiert ist.Another particularly preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the meteorological data are time-dependent, for the flight initially a start time is specified at the starting location, and a target start time, the desired flight route and the target altitudes by varying the start time and the flight route and / or associated altitudes are determined so that the potential integrated radiant propulsion value S is minimized: S _min = Min (S). In this variant of the method, a temporal change of the weather situation, which is represented by the time-dependent meteorological (prognosis) data, is taken into account. For the flight between the starting location and the destination, in addition to the flight route, the assigned flight altitudes are additionally optimized for the departure time at the start location, so that overall the radiation drive value S is minimized.

In einem der Erläuterung dienenden Bespiel seien für eine Startzeit am Startort von 1000 UTC auf dem Weg zum Zielort für keine realisierbare Flugroute und zugeordnete Flughöhen meteorologischen Bedingungen vorhergesagt, die eine Kondensstreifenbildung bzw. eine daraus entstehende Zirrusbewölkung entstehen lassen. In diesem Beispiel seien jedoch für eine Startzeit von 1200 UTC am Startort entlang einiger realisierbarer Flugrouten zum Zielort optimale meteorologische Bedingungen zur Kondensstreifenbildung vorhergesagt. Bei der Berücksichtigung der Startzeit erfolgt die Optimierung des Fluges derart, dass die (vorgegebene) Flugzeit, die (zunächst) ermittelte Flugroute und die zugehörigen Flughöhen derart variiert werden, dass der dem Flug zuzuordnende Strahlungsantriebswertes S minimiert ist. Dies kann in diesem Beispiel dann erreicht werden, wenn der Flug an Stelle von 1000 UTC um 1200 UTC am Startort startet und entlang der entsprechend ermittelten Soll-Flugroute in den zugeordneten Soll-Flughöhen durchgeführt wird.In an explanatory example, meteorological conditions are predicted for a starting time at the starting location of 1000 UTC on the way to the destination for no feasible flight route and associated flight altitudes, which create a contrail formation or a cirrus cloud resulting therefrom. In this example, however, optimal meteorological conditions for contrail formation are predicted for a start time of 1200 UTC at the starting location along some feasible flight routes to the destination. When taking into account the start time, the flight is optimized in such a way that the (predetermined) flight time, the (initially) determined flight route and the associated altitudes are varied in such a way that the radiation drive value S attributable to the flight is minimized. In this example, this can be achieved if the flight starts at 1200 UTC instead of 1000 UTC at the start location and is carried out along the correspondingly determined target flight route at the assigned target altitudes.

Die erfindungsgemäß bereitgestellten meteorologischen Daten umfassen bevorzugt zumindest folgende jeweils zeitabhängige Daten: 2D-Strahlungsdaten von in der Erdatmosphäre aufwärtsgerichteter kurz- und langwelliger atmosphärischer Strahlung, 3D-Lufttemperaturdaten, 3D-Luftfeuchtedaten, 3D-Luftdruckdaten, 3D-Winddaten, und 2D-Daten zum Zenitwinkel der Sonne. 2D-Daten geben zweidimensionale, 3D-Daten geben dreidimensionale Datenfelder der jeweiligen Größen an. Die Datenfelder sind alle zeitabhängig, wobei zumindest das Zeitintervall abgedeckt ist, in dem der Flug durchgeführt werden soll. Die meteorologischen Daten werden insbesondere durch meteorologische Prognosemodelle erzeugt und stellen somit Vorhersagedaten dar.The meteorological data provided according to the invention preferably comprise at least the following time-dependent data in each case: 2D radiation data of atmospheric and short-wave atmospheric radiation, 3D air temperature data, 3D air humidity data, 3D air pressure data, 3D wind data, and 2D data on the zenith angle the sun. 2D data gives two-dimensional, 3D data indicates three-dimensional data fields of the respective sizes. The data fields are all time-dependent, covering at least the time interval in which the flight is to be carried out. The meteorological data are generated in particular by meteorological forecasting models and thus represent forecast data.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf Basis des ermittelten minimierten Strahlungsantriebswertes S_min Umweltkosten K_U ermittelt werden, die durch den Flug entstehende Kosten für Klimawirkungen beziffern. Diese Umweltkosten sind abhängig vom Strahlungsantriebswert, wobei der Zusammenhang zwischen Strahlungsantriebswert und Umweltkosten bspw. behördlich vorgegeben ist.A refinement of the method according to the invention is characterized in that, on the basis of the determined minimized radiation drive value S _min, environmental costs K _{U are} ascertained which quantify the costs of climate impacts arising from the flight. These environmental costs are dependent on the radiation drive value, whereby the relationship between radiation drive value and environmental costs is, for example, prescribed by the authorities.

Auf Basis der ermittelten Umweltkosten werden für den Flug in den Soll-Flughöhen entlang der Soll-Flugroute weiterhin bevorzugt Gesamtkosten K_ges ermittelt, die sich als Summe aus ermittelten primären Betriebskosten K_B des Flugzeugs für den Flug vom Startort zum Zielort und den Umweltkosten K_U ergeben. Darüber hinaus wird bevorzugt eine Gesamtkosten-minimierte-Flugroute und zugehörige Gesamtkosten-minimierte-Flughöhen durch Variieren der Soll-Flugroute und/oder der zugehörigen Soll-Flughöhen ermittelt, so dass die Gesamtkosten K_ges minimiert sind: K_ges,min = Min(K_ges). Dies ermöglicht die Ermittlung einer Soll-Flugroute und zugeordneten Soll-Flughöhen für die die Gesamtkosten K_ges, d. h. die primären Betriebskosten K_B (also die nicht-Umweltkosten) und die Umweltkosten K_U minimal sind. Die primären Betriebskosten K_B umfassen dabei bevorzugt zumindest folgende Kosten des Fluges: Betriebsmittelkosten, wie beispielsweise Treibstoffkosten, Öle, Wasser, Navigations- und Streckengebühren, und auf den Flug anzurechnende flugstundenabhängige Wartungs-, Instandhaltungs-, und Personalkosten.On the basis of the determined environmental costs, total costs K _ges for the flight at the target altitudes along the desired flight route are preferably determined, which are the sum of the calculated primary operating costs K _{B of} the aircraft for the flight from the place of departure to the destination and the environmental costs K _U result. In addition, it is preferred to determine a total cost-minimized flight path and associated total cost-minimized altitudes by varying the desired flight path and / or the associated target altitudes so that the total costs K _{ges are} minimized: K _{ges, min} = Min (K _ges ). This allows the determination of a target flight route and assigned target altitudes for which the total costs K _ges , ie the primary operating costs K _B (ie the non-environmental costs) and the environmental costs K _{U are} minimal. The primary operating costs K _B preferably comprise at least the following costs of the flight: operating costs, such as fuel costs, oils, water, navigation and route charges, and flight-hour-dependent maintenance, servicing, and personnel costs.

Da für bestimmte Flugstreckensegmente, insbesondere An- und Abflugstrecken, standardmäßig keine Abweichungen von (behördlich) festgelegten Flugstrecken und zugeordneten Höhen möglich sind, erfolgt das Variieren der Flugroute und der zugehörigen Flughöhen bevorzugt nicht für Abflugsegmente (= SID engl. Abk. für „Standard Instrument Departure”) in der Umgebung des Startortes und Anflugsegmente (= STAR engl. Abk. für „Standard Arrival Routes”) in der Umgebung des Zielortes. STAR's geben dabei festgelegte Anflugrouten und SID's festgelegte Abflugrouten für einen Flugplatz an, die standardmäßig zu nutzen sind. Since, by default, no deviations from (officially) fixed routes and assigned heights are possible for certain route segments, in particular approach and departure routes, the flight route and associated flight heights are preferably not selected for departure segments (= SID abbreviation for "standard instrument Departure ") in the vicinity of the place of departure and approach segments (= STAR English abbreviation for" Standard Arrival Routes ") in the vicinity of the destination. STAR's indicate fixed approach routes and SID's defined departure routes for an airfield, which are to be used as standard.

Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur automatisierten Ermittlung einer klimaoptimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Eingabeschnittstelle zur Bereitstellung von Flugleistungsdaten des Flugzeugs, Navigationsdaten, und meteorologischen Daten, eine Auswerteeinheit, mit der: auf Basis der bereitgestellten Daten eine Flugroute vom Startort zum Zielort sowie zugehörige Flughöhen ermittelbar sind, für die Flugroute und die zugehörigen Flughöhen ein potentieller, über die gesamte Flugroute integrierter Strahlungsantriebswert S auf Basis der meteorologischen Daten und vorgegebener Triebwerksemissionsdaten ermittelbar ist, wobei der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S eine Klimawirkung angibt, die dann Realität wird, wenn ein Flug entlang der Flugroute in den zugehörigen Flughöhen tatsächlich durchgeführt wird, und der integrierte Strahlungsantriebswert S einen durch Triebwerksemissionen des Flugzeugs erzeugten Strahlungsantrieb S₁ und einen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen erzeugten Strahlungsantrieb S₂ berücksichtigt, mit S = S₁ + S₂, und die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen ermittelbar sind, so dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S), und eine Ausgabeschnittstelle, mit der die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen bereitstellbar sind.The device-related aspect of the object is achieved by a device for the automated determination of a climate-optimized desired flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a start location to a destination. The device according to the invention comprises an input interface for providing flight performance data of the aircraft, navigation data, and meteorological data, an evaluation unit with which: on the basis of the provided data, a flight route from the starting point to the destination and associated flight altitudes can be determined for the flight route and the associated altitudes potential, based on the meteorological data and given engine emission data is determined based on the meteorological data and given engine emission data, the potential integrated radiation driving value S indicates a climatic effect, which becomes a reality when a flight along the flight route in the associated altitudes is actually carried out, and the integrated radiation drive value S takes into account a radiation drive S ₁ generated by engine emissions of the aircraft and a radiation drive S ₂ generated by contrails generated by the aircraft, with S = S ₁ + S ₂ , and the desired flight route and the desired flight altitudes can be determined by varying the flight route and / or the associated flight altitudes, so that the potential integrated radiation propulsion value S is minimized: S _min = Min (S), and a Output interface with which the desired flight route and the desired altitudes can be provided.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass auf Basis des minimierten Strahlungsantriebswertes S_min Umweltkosten K_U ermittelbar sind, die durch den Flug entstehende Kosten für Klimawirkungen insbesondere durch Emissionen von Treibhausgasen in Triebwerksabgasen, entstehende Kondensstreifen und ggf. eine daraus entstehenden Zirrusbewölkung beziffern, und dass mit der Ausgabeschnittstelle die Umweltkosten K_U bereitstellbar sind.A preferred further development of the device according to the invention is characterized in that the evaluation unit is designed and set up such that on the basis of the minimized radiation drive value S _min environmental costs K _U can be determined, the costs of climate impacts caused by the flight, in particular by emissions of greenhouse gases in engine exhaust gases, calculate the resulting contrails and, if necessary, a resulting cirrus cloud, and that the environmental costs K _{U can be} provided with the output interface.

Zusätzliche bevorzugte Ausgestaltungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch analoge Übertragung der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmale und Vorteile auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.Additional preferred embodiments and advantages of the device according to the invention result from analogous transmission of the features and advantages explained in connection with the method according to the invention to the device according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details emerge from the following description in which exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawings. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, or independently of the claims, either alone or in any meaningful combination, and in particular may additionally be the subject of one or more separate applications. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Es zeigen:Show it:

1 einen schematisierten Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic flow chart of a method according to the invention,

2 einen schematisierten Ausbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 a schematic expansion of a device according to the invention.

1 zeigt einen schematisierten Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatisierten Ermittlung einer klimaoptimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort. 1 shows a schematic flowchart of a method according to the invention for the automated determination of a climate-optimized target flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a start location to a destination.

In einem ersten Schritt 101 werden der Startort und der Zielort, sowie bspw. eine gewünschte Startzeit des Fluges am Startort (oder eine gewünschte Ankunftszeit des Fluges am Zielort) vorgegeben. Diese Informationen werden an ein meteorologisches Prognosemodell übermittelt, das daraufhin für diesen Zeitraum gültige Prognosedaten, d. h. meteorlogische Daten 106 ermittelt und über eine Eingabeschnittstelle 201 bereitstellt.In a first step 101 the starting point and the destination, and, for example, a desired start time of the flight at the start location (or a desired arrival time of the flight at the destination) are given. This information is transmitted to a meteorological forecasting model, which then provides valid forecast data for that period, ie meteorological data 106 determined and via an input interface 201 provides.

In einem zweiten Schritt 102 werden auf Basis des Startortes, des Zielortes, der gewünschten Startzeit am Startort, der bereitgestellten meteorologischen Daten 106, und bereitgestellter nicht-meteorologischer Daten 107, wie insbesondere Flugleistungsdaten, Navigationsdaten, eine Flugroute vom Startort zum Zielort sowie zugehörige Flughöhen ermittelt. Dies erfolgt mittels bekannter Standard-Flugplanungsverfahren, wie sie im Stand der Technik hinreichend bekannt sind. Dabei werden keine potentiellen Klimawirkungen des Fluges berücksichtigt.In a second step 102 are based on the place of departure, the destination, the desired start time at the place of departure, the meteorological data provided 106 , and provided non-meteorological data 107 , in particular flight performance data, navigation data, a route from the place of departure to the destination and associated altitudes determined. This is done by means of known standard flight planning methods, as are well known in the art. No potential climate impacts of the flight are considered.

In einem dritten Schritt 103 wird für die in Schritt 102 ermittelte Flugroute und die zugehörigen Flughöhen ein potentieller über die gesamte Flugroute integrierter Strahlungsantriebswert S auf Basis der meteorologischen Daten 106 und vorgegebener Triebwerksemissionsdaten (Bestandteil der bereitgestellten nicht-meteorologischen Daten 107) ermittelt, wobei der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S eine Klimawirkung angibt, die dann Realität wird, wenn ein Flug entlang der Flugroute in den zugehörigen Flughöhen vom Flugzeug tatsächlich durchgeführt wird, und der integrierte potentielle Strahlungsantriebswert S einen durch Triebwerksemissionen des Flugzeugs erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₁ und einen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₂ berücksichtigt, mit S = S₁ + S₂.In a third step 103 will be for in step 102 determined flight route and the associated flight altitudes on a potential over the entire flight path integrated radiation drive value S. Base of meteorological data 106 and given engine emission data (part of the provided non-meteorological data 107 ), wherein the potential integrated radiation driving value S indicates a climatic effect which becomes reality when a flight along the flight route at the associated altitudes from the aircraft is actually performed, and the integrated potential radiation driving value S represents a (potential) radiative forcing generated by engine emissions of the aircraft S ₁ and a generated by the aircraft contrail generated (potential) radiation drive S ₂ , with S = S ₁ + S ₂ .

In einem vierten Schritt 104 werden die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen derart ermittelt, dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S). Dies erfolgt wiederum auf Basis der bereitgestellten Daten 106 und 107. In einem fünften Schritt 105 werden die ermittelte die Soll-Flugroute und die ermittelten Soll-Flughöhen ausgegeben.In a fourth step 104 the desired flight route and the desired flight altitudes are determined by varying the flight route and / or the associated altitudes such that the potential integrated radiation propulsion value S is minimized: S _min = Min (S). This again takes place on the basis of the provided data 106 and 107 , In a fifth step 105 the determined the desired flight route and the determined target altitudes are output.

2 zeigt einen schematisierten Ausbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatisierten Ermittlung einer klimaoptimierten Soll-Flugroute und zugehöriger Soll-Flughöhen für einen Flug eines Flugzeugs von einem Startort zu einem Zielort. Die Vorrichtung umfasst eine Eingabeschnittstelle 201 zur Bereitstellung von Flugleistungsdaten des Flugzeugs, Navigationsdaten, und meteorologischen Daten 106, eine Auswerteeinheit 202, mit der auf Basis der bereitgestellten Daten 106, 107 eine Flugroute vom Startort zum Zielort sowie zugehörige Flughöhen ermittelbar sind, für die Flugroute und die zugehörigen Flughöhen ein potentieller, über die gesamte Flugroute integrierter Strahlungsantriebswert S auf Basis der meteorologischen Daten 106 und vorgegebener Triebwerksemissionsdaten ermittelbar ist, wobei der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S eine Klimawirkung angibt, die dann Realität wird, wenn ein Flug entlang der Flugroute in den zugehörigen Flughöhen tatsächlich durchgeführt wird, und der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S einen durch Triebwerksemissionen des Flugzeugs erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₁ und einen durch vom Flugzeug erzeugte Kondensstreifen erzeugten (potentiellen) Strahlungsantrieb S₂ berücksichtigt, mit S = S₁ + S₂, und die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen durch Variieren der Flugroute und/oder der zugehörigen Flughöhen ermittelbar sind, so dass der potentielle integrierte Strahlungsantriebswert S minimiert ist: S_min = Min(S), und ein Ausgabeschnittstelle 203, mit der die Soll-Flugroute und die Soll-Flughöhen bereitstellbar sind. 2 shows a schematic expansion of a device according to the invention for the automated determination of a climate-optimized target flight route and associated target altitudes for a flight of an aircraft from a start location to a destination. The device includes an input interface 201 for providing flight performance data of the aircraft, navigation data, and meteorological data 106 , an evaluation unit 202 , based on the data provided 106 . 107 a flight route from the starting point to the destination and associated altitudes can be determined, for the flight route and the associated flight altitudes a potential radiation drive value S integrated over the entire flight route on the basis of the meteorological data 106 and predetermined engine emission data, the potential integrated radiation driving value S indicating a climatic effect which becomes reality when a flight along the flight route is actually performed at the associated altitudes, and the potential integrated radiation driving value S is a (potential) generated by engine emissions of the aircraft. Radiation drive S ₁ and a (potential) radiation drive S ₂ generated by the aircraft generated by the aircraft considered, with S = S ₁ + S ₂ , and the desired flight route and the target altitudes by varying the flight route and / or the associated altitudes are determined so that the potential integrated radiation drive value S is minimized: S _min = Min (S), and an output interface 203 with which the desired flight route and the desired altitudes can be provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101–105101-105: Verfahrensschrittesteps
106106: meteorologische Datenmeteorological data
107107: zur Flugplanung erforderliche nicht-meteorologische Daten, wie Flugleistungsdaten des Flugzeugs, Triebwerksemissionsdaten des Flugzeugs, Navigationsdaten, die insbesondere die Luftraumstruktur, die Luftverkehrsstraßen, Navigationseinrichtungen, Meldepunkte, und An- und Abflugverfahren umfassen, und möglichst aktuelle Treibstoffkosten etc.non-meteorological data required for flight planning, such as flight performance data of the aircraft, engine emission data of the aircraft, navigation data, in particular the airspace structure, air traffic routes, navigation devices, reporting points, and approach and departure procedures, and if possible actual fuel costs, etc.
201201: EingabeschnittstelleInput interface
202202: Auswerteeinheitevaluation
203203: AusgabeschnittstelleOutput interface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2010/0191458 A1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

JE Penner et al .: "Aviation and the Global Atmosphere" IPCC, 1999, Technical Report, Cambridge University Press [0004]
Directive 2008/101 / EC [0007]
Directive 2003/87 / EC [0007]
Directive 2008/101 / EC [0007]
Directive 2003/87 / EC [0007]
Article by T. Corti and T. Peter, "A simple model for cloud radiative forcing", in Atmos. Chem. Phys., 9, 5751-5758, 2009 [0020]
Schumann et al., "A contrail cirrus prediction tool", Proc, Intern. Conf. on Transport, Atmosphere and Climate-2 (Aachen and Maastricht) 2009 [0020]
Lecture: Schumann et al. "Parametric radiative forcing model for cirrus and contrail cirrus", ESA Atmospheric Science Conference, Barcelona, 7-11 September 2009 [0020]

Claims

A method for automatically determining a climate-optimized target flight route and associated target altitudes for flight of an aircraft from a launch location to a destination location, comprising: - based on provided flight performance data of the aircraft, navigation data, and meteorological data ( 106 a flight route from the place of departure to the destination as well as associated altitudes are determined, for the flight route and the associated flight altitudes a potential radiation propulsion value S integrated over the entire flight route is determined on the basis of the meteorological data and predefined engine emission data, the potential integrated radiation propulsion value S indicating a climatic effect which becomes a reality when a flight along the flight route is actually performed at the associated altitudes, and the integrated radiant propulsion value S takes into account a jet engine S ₁ generated by engine emissions of the aircraft and a jet propulsion S ₂ generated by the aircraft S ₁ + S ₂ , and - the desired flight route and the desired flight altitudes are determined by varying the flight route and / or the associated flight altitudes, so that the potential integrated radiation propulsion value S is minimized: S _min = M in (S).

Method according to claim 1, characterized in that the radiation drive S ₂ additionally comprises the climatic effect of a cirrus cloud arising from contrails.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the meteorological data are time-dependent, for the flight a start time at the starting location is specified, and a target start time, the desired flight route and the target altitudes by varying the start time and the flight route and or the associated flight altitudes are determined, so that the potential integrated radiation drive value S is minimized: S _min = Min (S).

Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the meteorological data comprise at least the following time-dependent data: 2D radiation data of atmospheric and short-wave atmospheric radiation, 3D air temperature data, 3D air humidity data, 3D air pressure data, 3D Wind data, and 2D data on the zenith angle of the sun.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the basis of the minimized radiation drive value S _min environmental costs K _{U are} determined, which quantify the costs incurred for the flight costs of climate impacts.

A method according to claim 5, characterized in that - are determined for the flight in the target altitudes along the desired flight route total costs K _tot , which is the sum of calculated primary operating costs K _{B of} the aircraft for the flight from the starting place to the destination and the environmental costs K _U , and - a total cost minimized flight path and associated total cost minimized altitudes are determined by varying the desired flight path and / or the associated target altitudes so that the total costs K _{ges are} minimized: K _{ges, min} = Min (K _tot ).

A method according to claim 6, characterized in that the primary operating costs K _B comprise at least the following costs of the flight: - operating costs, such as fuel costs, oils, water, - navigation and route charges, and - flight-hour-dependent maintenance, service , and staff costs.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the variation of the flight route and the associated flight altitudes is not for departure segments SID in the vicinity of the start location and approach segments STAR in the vicinity of the destination takes place.

Apparatus for the automated determination of a climate-optimized target flight route and associated target flight altitudes for a flight of an aircraft from a start location to a destination, comprising: an input interface ( 201 ) for providing flight performance data of the aircraft, navigation data, and meteorological data ( 106 ), - an evaluation unit ( 202 ) based on the data provided ( 106 . 107 ) a flight route from the place of departure to the destination as well as associated altitudes can be determined, • for the flight route and the associated flight altitudes a potential radiation drive value S integrated over the entire flight route on the basis of the meteorological data ( 106 ) and predetermined engine emission data, wherein the potential integrated radiation drive value S indicates a climatic effect, which becomes reality when a flight along the flight route is actually performed at the associated altitudes, and a generated by engine emissions of the aircraft radiation drive S ₁ and a through considered by the aircraft contrails generated radiation drive S ₂ , with S = S ₁ + S ₂ , and • the desired flight route and the target altitudes by varying the flight route and / or the associated altitudes are determined so that the potential integrated radiation drive value S is minimized: S _min = Min (S), and An output interface ( 203 ), with which the desired flight route and the desired altitudes are available.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the evaluation unit ( 202 ) is designed and set up such that on the basis of the minimized radiation drive value S _min, environmental costs K _U can be determined, which quantify the costs incurred by the flight for climate effects due to engine emissions and resulting contrails, and with the output interface ( 203 ) the environmental costs K _{U are} providable.