Air traffic congestion problems in many areas of the world are well known and have been highly publicised in recent years. This airspace dilemma, which results in delays and other undesirable knock-on effects, is escalating at a phenomenal rate and requires immediate attention. Correspondingly, there is concern about safety standards in some worldwide airspace regions. In addition, it is imperative that the significant projected growth in air transport movements over the next two decades is accommodated. Thus, there is an urgent need to solve the current airspace problems and plan in a responsible manner to meet forecast demand. Solutions to these predicaments have been developed and are encompassed under the auspices of the term 'future air navigation systems'. The systems include technologies and procedures that merge to optimise the potential of airport and airspace resources so that the capacity, flexibility and safety of these resources are maximised, while delays and their operating costs are minimised. Future air navigation systems use automated communications. navigation and surveillance technologies to provide enhanced air traffic management through continuous information on aircraft positions and intention, so that reductions in separation are possible without compromising safety. However, confusion exists regarding what technologies and procedures constitute these future air navigation systems. Additionally, their current worldwide integration status is not as advanced as it should be and, in fact, remains largely unknown. Indeed, their successful introduction is far from guaranteed at present. Therefore, this research addresses these requirements by evaluating and improving implementation of tile systems on a global basis. Ultimately, this thesis provides a comprehensive analysis that discovers what systems are pertinent and whether or where they have been applied to date, in addition to developing and validating a framework strategy for improved introduction of the future air navigation systems around the world.

In the past few years, there has been a growth in Unmanned Aircraft Systems (UAS) numbers in segregated airspace. However, although there is an interest in integrating large UAS into non-segregated airspace, the safety challenges on its integration arise from the inclusion of new ways of reaching unsafe states into the airspace. Furthermore, Air Traffic Controllers (ATCo) aim to o?er appropriate levels of safety and efficiency and to solve issues present in complex situations. Although the UAS technology may be used in di?erent situations and brings several advantages to the airspace (e.g. efficiency), it may bring uncertainties due to the fact that ATCos may not be familiar with them. Throughout the years, this impact may be lower then it is nowadays due to the fact that the present lack of familiarity in the relationship between UAS and ATCo contributes to higher workload levels. Furthermore, Terminal Maneuvering Area (TMA), which composes the controlled airspace and in which the final sector in contained, is a critical control area normally established at the confluence of Air Traffic Service (ATS) routes in which the aircraft tend to be closer to each other. Thus, operations in this particular area are conducted carefully and, in order to achieve desirable levels of safety and efficiency, standard procedures are established. In some cases, however, standard procedures cannot be followed and the sequencing of the aircraft during the approach, which is a highly challenging task due to complex maneuvers constraints, must be performed by the ATCo in a manner to respect the minimum separation of aircraft and to avoid flights through cumulonimbus (CB). Finally, the main goal of defining a final arrival segment is to deliver the set of aircraft from the final sector of the TMA to the final phase of its landing procedure, i.e., the final approach, considering the operation efficiency and safety. The main objective of this research is to propose a parallel swarm-based method for optimizing final aircraft arrival segments design, i.e., routes that connects the final sector to the Initial Approach Fix (IAF), considering the UAS presence. This is conducted from two perspectives: ATCo workload, which is related to safety, and sequencing duration, which is related to efficiency. Furthermore, di?erent phases of UAS integration are considered, i.e., from early stages of its integration to a mature stage of its operation by means of the Technology Maturity Level (TML) usage, which is a scale that measure the familiarity between the ATCo with the aircraft. Finally, the solutions consider airspace restrictions such as minimum separation between aircraft and bad weather conditions, i.e., the presence of cumulonimbus (CB). The experiments conducted show that this approach is able to build safe and efficient solution even in situations with a high number of aircraft. / Nos últimos anos, houve um crescimento, no espaço aéreo segregado, nos números do Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT). No entanto, embora exista interesse em integrar grandes VANT em espaço aéreo não-segregado, os desafios de segurança decorrem da inclusão de novas formas de alcançar estados inseguros no espaço aéreo (ATCo) tem como objetivo oferecer níveis adequados de segurança e eficiência e resolver problemas presentes em situações complexas. Embora VANTs possam ser usados em diferentes situações e trazem várias vantagens para o espaço aéreo (por exemplo, eficiência), podem trazer incertezas devido ao fato de que os ATCos não estão familiarizados com essa tecnologia. Ao longo dos anos, esse impacto pode ser menor, e atualmente a falta de familiaridade na relação entre VANT e ATCo contribui para níveis mais altos de carga de trabalho. Além disso, a Área Terminal (TMA), que compõe o espaço aéreo controlado, é uma área de controle crítico normalmente estabelecida na confluência de rotas do Servi¸co de Tráfego Aéreo (ATS), nas quais as aeronaves tendem a estar mais próximas umas das outras. Assim, as operações nesta área particular são realizadas com cuidado e, para alcançar níveis desejáveis de segurança e eficiência, os procedimentos padrão são estabelecidos. Em alguns casos, no entanto, procedimentos padrão não podem ser seguidos e o sequenciamento da aeronave durante a aproximação, que é uma tarefa desafiadora por conta das restrições de manobras complexas, deve ser realizada pelo ATCo de forma a garantir separação mínima entre aeronaves e evitar voos através de cumulonimbus (CB). Finalmente, o principal objetivo de definir um segmento de chegada final ´e entregar o conjunto de aeronaves do setor final, da TMA, para a fase final do seu procedimento de pouso, ou seja, a aproximação final, considerando a eficiência e a segurança da operação. O objetivo desta pesquisa é propor um método paralelo baseado em enxame para otimizar o projeto final de segmentos de chegada de aeronaves, ou seja, rotas que conectem o setor final com o Fixo de Aproximação Inicial (IAF), considerando a presença de VANTs. Esse processo ´e conduzido a partir de duas perspectivas: a carga de trabalho do ATCo, que est´a relacionada à segurança, e a duração da sequenciamento, que está relacionado à eficiência. Além disso, são consideradas diferentes fases da integração de VANTs, ou seja, desde os primeiros estágios de sua integra¸c~ao at´e um estágio maduro de sua operação por meio do uso do Nível de Maturidade Tecnológica (TML), que é uma escala que mede a familiaridade entre o ATCo e a aeronave. Finalmente, as soluções consideram as restrições do espaço aéreo, como a separação mínima entre aeronaves e condições climáticas adversas, isto é, a presença de cumulonimbus (CB). Os experimentos realizados mostram que essa abordagem é capaz de criar soluções seguras e eficientes mesmo em situações com um grande número de aeronaves.

In the past few years, there has been a growth in Unmanned Aircraft Systems (UAS) numbers in segregated airspace. However, although there is an interest in integrating large UAS into non-segregated airspace, the safety challenges on its integration arise from the inclusion of new ways of reaching unsafe states into the airspace. Furthermore, Air Traffic Controllers (ATCo) aim to o?er appropriate levels of safety and efficiency and to solve issues present in complex situations. Although the UAS technology may be used in di?erent situations and brings several advantages to the airspace (e.g. efficiency), it may bring uncertainties due to the fact that ATCos may not be familiar with them. Throughout the years, this impact may be lower then it is nowadays due to the fact that the present lack of familiarity in the relationship between UAS and ATCo contributes to higher workload levels. Furthermore, Terminal Maneuvering Area (TMA), which composes the controlled airspace and in which the final sector in contained, is a critical control area normally established at the confluence of Air Traffic Service (ATS) routes in which the aircraft tend to be closer to each other. Thus, operations in this particular area are conducted carefully and, in order to achieve desirable levels of safety and efficiency, standard procedures are established. In some cases, however, standard procedures cannot be followed and the sequencing of the aircraft during the approach, which is a highly challenging task due to complex maneuvers constraints, must be performed by the ATCo in a manner to respect the minimum separation of aircraft and to avoid flights through cumulonimbus (CB). Finally, the main goal of defining a final arrival segment is to deliver the set of aircraft from the final sector of the TMA to the final phase of its landing procedure, i.e., the final approach, considering the operation efficiency and safety. The main objective of this research is to propose a parallel swarm-based method for optimizing final aircraft arrival segments design, i.e., routes that connects the final sector to the Initial Approach Fix (IAF), considering the UAS presence. This is conducted from two perspectives: ATCo workload, which is related to safety, and sequencing duration, which is related to efficiency. Furthermore, di?erent phases of UAS integration are considered, i.e., from early stages of its integration to a mature stage of its operation by means of the Technology Maturity Level (TML) usage, which is a scale that measure the familiarity between the ATCo with the aircraft. Finally, the solutions consider airspace restrictions such as minimum separation between aircraft and bad weather conditions, i.e., the presence of cumulonimbus (CB). The experiments conducted show that this approach is able to build safe and efficient solution even in situations with a high number of aircraft. / Nos últimos anos, houve um crescimento, no espaço aéreo segregado, nos números do Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT). No entanto, embora exista interesse em integrar grandes VANT em espaço aéreo não-segregado, os desafios de segurança decorrem da inclusão de novas formas de alcançar estados inseguros no espaço aéreo (ATCo) tem como objetivo oferecer níveis adequados de segurança e eficiência e resolver problemas presentes em situações complexas. Embora VANTs possam ser usados em diferentes situações e trazem várias vantagens para o espaço aéreo (por exemplo, eficiência), podem trazer incertezas devido ao fato de que os ATCos não estão familiarizados com essa tecnologia. Ao longo dos anos, esse impacto pode ser menor, e atualmente a falta de familiaridade na relação entre VANT e ATCo contribui para níveis mais altos de carga de trabalho. Além disso, a Área Terminal (TMA), que compõe o espaço aéreo controlado, é uma área de controle crítico normalmente estabelecida na confluência de rotas do Servi¸co de Tráfego Aéreo (ATS), nas quais as aeronaves tendem a estar mais próximas umas das outras. Assim, as operações nesta área particular são realizadas com cuidado e, para alcançar níveis desejáveis de segurança e eficiência, os procedimentos padrão são estabelecidos. Em alguns casos, no entanto, procedimentos padrão não podem ser seguidos e o sequenciamento da aeronave durante a aproximação, que é uma tarefa desafiadora por conta das restrições de manobras complexas, deve ser realizada pelo ATCo de forma a garantir separação mínima entre aeronaves e evitar voos através de cumulonimbus (CB). Finalmente, o principal objetivo de definir um segmento de chegada final ´e entregar o conjunto de aeronaves do setor final, da TMA, para a fase final do seu procedimento de pouso, ou seja, a aproximação final, considerando a eficiência e a segurança da operação. O objetivo desta pesquisa é propor um método paralelo baseado em enxame para otimizar o projeto final de segmentos de chegada de aeronaves, ou seja, rotas que conectem o setor final com o Fixo de Aproximação Inicial (IAF), considerando a presença de VANTs. Esse processo ´e conduzido a partir de duas perspectivas: a carga de trabalho do ATCo, que est´a relacionada à segurança, e a duração da sequenciamento, que está relacionado à eficiência. Além disso, são consideradas diferentes fases da integração de VANTs, ou seja, desde os primeiros estágios de sua integra¸c~ao at´e um estágio maduro de sua operação por meio do uso do Nível de Maturidade Tecnológica (TML), que é uma escala que mede a familiaridade entre o ATCo e a aeronave. Finalmente, as soluções consideram as restrições do espaço aéreo, como a separação mínima entre aeronaves e condições climáticas adversas, isto é, a presença de cumulonimbus (CB). Os experimentos realizados mostram que essa abordagem é capaz de criar soluções seguras e eficientes mesmo em situações com um grande número de aeronaves.