ŠIMÍČEK, M. Air Traffic Flows Analysis. Brno: Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, 2013. 84 s. Supervisor Ing. Tomáš Kujal, Ph.D. The diploma thesis discusses the factors that affect routing and transport performance in the air transport. Besides the characteristics of these factors the main objective of this thesis is to quantitatively evaluate their level of dependence on the traffic performance of air transport. This is done by using the linear regression analysis. Based on this analysis, mathematical models of dependence of these factors on traffic performance are developed. The thesis also verifies the accuracy of these models and tries to find out which of them are usable and which are not. Their accuracy is mainly dependent on the selected track and on the type of airline.

The aim of this master’s thesis is to summarize legislation dealing with UAVs and to create structure of trainings for UAV pilots. First part of this thesis is generally about UAVs, next one deals with UAV pilot training and the last part deals with future development of different areas in unmanned aircraft industry.

Über die psychologische Eignung von Fluglotsenbewerbern und Fluglotsenbewerberinnen wird mithilfe verschiedener wissenschaftlich entwickelter Selektionsverfahren in einem mehrstufigen Auswahlprozess entschieden. Typischerweise erfolgt in diesbezüglichen Eignungsuntersuchungen derzeit die Leistungserfassung in computerbasierten kognitiven Tests durch die Anzahl richtiger und falscher Antworten sowie mittels Reaktionszeiten – dabei bleibt bislang der Weg, der im besten Fall zur Lösung einer Aufgabe führt, weitgehend verborgen. Um tiefergehende Einsichten in die perzeptiven und kognitiven Prozesse zu erlangen und den Weg vom Beginn bis zum Ende der Bearbeitung einer visuellen Aufgabe transparent zu gestalten, bedarf es anderer Methoden – wie zum Beispiel der Methode der Blickbewegungsmessung. Hierbei werden die Blickbewegungen der zu untersuchenden Teilnehmenden während der Bearbeitung einer solchen Aufgabe aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. In Anbetracht der geringen Anzahl an Studien, die zur Beziehung zwischen dem interindividuellen Blickverhalten und kognitiven Leistungsunterschieden vorliegen, besteht ein deutlicher Bedarf an weiterführenden Untersuchungen zu dieser Thematik. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Erkenntnisse über die Verwendbarkeit einer berührungsfreien Blickbewegungsmessung im eignungsdiagnostischen Kontext der Luftfahrt – speziell bezüglich der Auswahl von Nachwuchsfluglotsen/innen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) – zu erlangen. Zur Erforschung dieser Fragestellung wurden zwei umfangreiche Arbeitspakete definiert und umgesetzt – zum einen die Entwicklung eines geeigneten Testverfahrens – des Eye Movement CONnflict Detection Test (CON) –, zum anderen die Untersuchung von Blickbewegungen im Kontext der Eignungsdiagnostik anhand des CON. Zur Entwicklung dieses neuen Testverfahrens wurden drei Vorstudien und eine Expertenstudie durchgeführt. Zusammenfassend legten die Ergebnisse der oben genannten Studien sowie die der Hauptstudie nahe, dass mit dem CON ein objektives, reliables und valides Messinstrument für den Einsatz in Blickbewegungsstudien vorliegt. Auf der Basis des gegenwärtigen Kenntnisstands zur Beziehung zwischen Blickbewegungsparametern und kognitiven Leistungsunterschieden wurden für die vorliegende Arbeit Hypothesen abgeleitet und in der Hauptstudie (N = 113) in Korrelations- und Regressionsanalysen überprüft. Ergänzend zu den hypothesengeleiteten Analysen erfolgten explorative Berechnungen, die als Grundlage für die Generierung von Hypothesen für zukünftige Studien dienen können. Es kristallisierten sich vier Blickbewegungsparameter als Indikatoren für die kognitive Leistung im CON heraus: die Fixationsanzahl, die relative Anzahl höhengeleiteter Übergänge als ein neu eingeführter Parameter zur Charakterisierung der Vorgehensweise im Test, die Entropie sowie – mit Einschränkung – die mittlere Fixationsdauer. Aus Kombinationen dieser Parameter konnte die Leistung im CON im statistischen Sinne vorhergesagt werden. Blickbewegungsparameter vermochten 54 % der Varianz der Gesamtleistung im CON aufzuklären. Zudem legten die Ergebnisse eines hierarchischen Regressionsmodells nahe, dass eine Kombination aus Blickbewegungsparametern zusätzlich zu den allgemeinen kognitiven Fähigkeiten, wie sie im Fluglotsenauswahlverfahren am DLR erfasst werden, 26 % der Gesamtleistung im CON aufklären. Zusammengefasst liefert die vorliegende Arbeit vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen Blickbewegungsparametern und interindividuellen kognitiven Leistungsunterschieden und zeigt das große Potential der Blickbewegungsmessung für einen zukünftigen Einsatz im Rahmen der Auswahl von Nachwuchsfluglotsen/innen auf. Weitere technische Verbesserungen der Blickbewegungsmessgeräte sowie zusätzliche Forschungserkenntnisse – insbesondere zur prognostischen Validität – sind empfehlenswert, um basierend auf Blickbewegungsanalysen eigenständige Entscheidungskriterien abzuleiten.

Wir berichten über die Ergebnisse, die im Rahmen des BMBF-Projektes „StayCentered – Methodenbasis eines Assistenzsystems für Centerlotsen (MACeLot)“ erzielt wurden. Die Aufgabenstellung des Projektes bestand in der Entwicklung des notwendigen Methodenvorrates zur Realisierung eines emotionssensitiven Assistenzsystems, welches das Personal an einem kooperativen Arbeitsplatz situativ unterstützt. Darüber hinaus sollte das System für mögliche Supervisoren Informationen über den Zustand der Belastung der Teams liefern und Metadaten generieren, die Schwachstellen des Arbeitsplatzentwurfes deutlich machen. Die realisierten Konzepte und Verfahren wurden im Sinne eines Nachweises der prinzipiellen Funktionsfähigkeit (Proof-of-Concept) für den Arbeitsplatz von Centerlotsen prototypisch umgesetzt. Diese Umsetzung war notwendig, da das Zusammenspiel einzelner Verfahren (etwa bei der Sensorfusion) einen wesentlichen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems besitzt und daher anwendungsorientiert getestet werden sollte. / We report on the results obtained in the project „StayCentered“ funded by the Bundesministerium für Forschung und Technologie. In this project the methodical framework of an emotion sensitive system to assist the work of air-traffic controlers and their supervisors has been developed.

Persistent condensation trails are clouds, induced by the exhaust of an aircraft engine in a cold and ice-supersaturated environment. These artificial ice clouds can both cool and heat the atmosphere by scattering solar radiation and absorbing terrestrial radiation, respectively. The influence of condensation trails on the Earth-atmosphere energy balance and therewith the answer to the question of the dominating process had been mostly approximated on a global scale by treating the condensation trail as plane parallel layer with constant optical properties. Individual condensation trails and the influence of the solar angle had been analyzed, always using a course spatial grid and never under consideration of the aircraft performance, generating the condensation trail. For a trajectory optimization, highly precise results of the impact of condensation trails on the radiation budget and the influence of the aircraft performance on this impact is needed, so that future air traffic may consider the main factors of flight performance on the environmental impact of condensation trails. That’s why, a model is developed in this thesis to continuously estimate the scattering and absorption properties and their dependence on the aircraft performance.:1 Introduction 3 1.1 Motivation 3 1.2 State of the art 5 1.3 Approach 6 2 Theoretical background 9 2.1 The Earth’s atmosphere 9 2.1.1 The mean vertical structure of the atmosphere 12 2.1.2 Standard atmospheres 14 2.2 Radiation 15 2.2.1 Nature of radiation 15 2.2.2 Important metrics describing radiation 17 2.2.3 Relevant spectra and principles of radiation 19 2.2.4 Solar radiation 20 2.2.5 Terrestrial radiation 21 2.2.6 Radiative transfer and extinction 22 2.2.7 Radiative transfer equation 30 2.2.8 Energy budget of the Earth-atmosphere system 32 2.3 Thermodynamics 33 2.3.1 Atmospheric stability 33 2.3.2 Turbulence 36 2.3.3 Conditions of contrail formation 41 3 Development of a radiative forcing model 45 3.1 Model atmosphere 45 3.2 Flight performance model 46 3.3 Atmospheric radiative transfer model 49 3.3.1 Two Stream Approximation 51 3.3.2 Discrete ordinate radiative transfer solver 52 3.3.3 Methods to calculate broadband radiances and irradiances 53 3.4 Contrail life cycle model 57 3.4.1 Dissipation regime 58 3.4.2 Diffusion regime 63 3.5 Contrail radiative forcing model 74 3.5.1 Consideration of multiple scattering using a Monte Carlo simulation 74 3.5.2 Geometry of the Monte Carlo simulation 75 3.5.3 Interpretation of Beer’s law 76 3.5.4 Procedure of the Monte Carlo simulation 79 3.5.5 The extinguished power per unit length contrail 87 3.5.6 Scattering and absorption efficiencies Qs, Qa and asymmetry parameters gHG 89 3.5.7 Calibration of the Monte Carlo simulation 94 4 Calculations 99 4.1 Contrail properties 99 4.1.1 Conditions of contrail formation 100 4.1.2 Initial dimensions at the end of the dissipation regime 101 4.1.3 Microphysical properties during the diffusion regime 103 4.2 Radiative transport up to the contrail 105 4.2.1 Solar direct and diffuse radiance 106 4.2.2 Terrestrial irradiance 107 4.3 Scattering and absorption properties of radiation within the contrail 109 4.3.1 Monte Carlo simulation for solar radiation 109 4.3.2 Monte Carlo simulation for terrestrial irradiances 112 4.3.3 Relevance of multiple scattering 116 4.4 Radiative extinction 116 4.4.1 Solar zenith and azimuthal angle 118 4.4.2 Flightpath 120 4.4.3 Contrail evolution 122 4.4.4 Turbulence 126 4.4.5 Wavelength specific extinction 129 4.5 Terrestrial energy forcing of a contrail 133 4.6 Verification 135 5 Conclusion and outlook 141 5.1 Conclusion 141 5.2 Outlook 144 List of Figures 147 List of Tables 151 Abbreviations and Symbols 153 Glossary 161 Bibliography 169 Acknowledgements 183 / Langlebige Kondensstreifen sind Eiswolken, welche durch Kondensation von Wasserdampf an Rußpartikeln in einer eisübersättigten Atmosphäre entstehen. Der Wasserdampf entstammt einerseits aus dem Triebwerkabgas und andererseits aus der Atmosphäre. Kondensstreifen können die Atmosphäre durch Rückstreuung solarer Strahlung kühlen und durch Rückstreuung und Absorption terrestrischer Strahlung erwärmen. Der Einfluss von Kondensstreifen auf den Wärmehaushalt der Atmosphäre und damit die Antwort auf die Frage nach dem dominierenden Effekt wurde bisher zumeist auf globaler Ebene ermittelt, wobei der Kondensstreifen als planparallele Schicht mit konstanten optischen Eigenschaften angenähert wurde. Individuelle Kondensstreifen und der Einfluss des Sonnenstandes wurden bisher nur mithilfe eines groben Rasters betrachtet und niemals unter Berücksichtigung der Flugleistung des Luftfahrzeuges, welches den Kondensstreifen generiert hat. Für eine Trajektorienoptimierung sind jedoch präzise Berechnungen des Strahlungseinflusses und eine gewissenhafte Berücksichtigung der Flugleistung notwendig. Nur so kann der zukünftige Luftverkehr die Haupteinflussfaktoren der Flugeigenschaften auf den Strahlungseinfluss der Kondensstreifen berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches die Eigenschaften des Strahlungstransfers durch den Kondensstreifen kontinuierlich bestimmt und die aus der Flugleistung resultierenden Parameter berücksichtigt.:1 Introduction 3 1.1 Motivation 3 1.2 State of the art 5 1.3 Approach 6 2 Theoretical background 9 2.1 The Earth’s atmosphere 9 2.1.1 The mean vertical structure of the atmosphere 12 2.1.2 Standard atmospheres 14 2.2 Radiation 15 2.2.1 Nature of radiation 15 2.2.2 Important metrics describing radiation 17 2.2.3 Relevant spectra and principles of radiation 19 2.2.4 Solar radiation 20 2.2.5 Terrestrial radiation 21 2.2.6 Radiative transfer and extinction 22 2.2.7 Radiative transfer equation 30 2.2.8 Energy budget of the Earth-atmosphere system 32 2.3 Thermodynamics 33 2.3.1 Atmospheric stability 33 2.3.2 Turbulence 36 2.3.3 Conditions of contrail formation 41 3 Development of a radiative forcing model 45 3.1 Model atmosphere 45 3.2 Flight performance model 46 3.3 Atmospheric radiative transfer model 49 3.3.1 Two Stream Approximation 51 3.3.2 Discrete ordinate radiative transfer solver 52 3.3.3 Methods to calculate broadband radiances and irradiances 53 3.4 Contrail life cycle model 57 3.4.1 Dissipation regime 58 3.4.2 Diffusion regime 63 3.5 Contrail radiative forcing model 74 3.5.1 Consideration of multiple scattering using a Monte Carlo simulation 74 3.5.2 Geometry of the Monte Carlo simulation 75 3.5.3 Interpretation of Beer’s law 76 3.5.4 Procedure of the Monte Carlo simulation 79 3.5.5 The extinguished power per unit length contrail 87 3.5.6 Scattering and absorption efficiencies Qs, Qa and asymmetry parameters gHG 89 3.5.7 Calibration of the Monte Carlo simulation 94 4 Calculations 99 4.1 Contrail properties 99 4.1.1 Conditions of contrail formation 100 4.1.2 Initial dimensions at the end of the dissipation regime 101 4.1.3 Microphysical properties during the diffusion regime 103 4.2 Radiative transport up to the contrail 105 4.2.1 Solar direct and diffuse radiance 106 4.2.2 Terrestrial irradiance 107 4.3 Scattering and absorption properties of radiation within the contrail 109 4.3.1 Monte Carlo simulation for solar radiation 109 4.3.2 Monte Carlo simulation for terrestrial irradiances 112 4.3.3 Relevance of multiple scattering 116 4.4 Radiative extinction 116 4.4.1 Solar zenith and azimuthal angle 118 4.4.2 Flightpath 120 4.4.3 Contrail evolution 122 4.4.4 Turbulence 126 4.4.5 Wavelength specific extinction 129 4.5 Terrestrial energy forcing of a contrail 133 4.6 Verification 135 5 Conclusion and outlook 141 5.1 Conclusion 141 5.2 Outlook 144 List of Figures 147 List of Tables 151 Abbreviations and Symbols 153 Glossary 161 Bibliography 169 Acknowledgements 183

The thesis describes an investigation into Air Traffic Control (ATC) complexity as a contributory factor in changes of controllers' workload. It is considered that ATC complexity, together with equipment interface and procedural demands comprise the task demands imposed on the en-route controller to perform certain activities, which mediated by performance shaping factors create workload. The data used to study this relationship came from ATC real-time simulations completed at EUROCONTROL CRDS in Budapest: recorded flown trajectories, communication performed by the controller (whether with other controllers or with the pilots), data entries related to flight data management, and instantaneous self-assessment ratings of workload provided by the controllers were used. The ATC complexity factors that have been consistently found to be important in the previous studies (related to aircraft density, flight attributes of each individual aircraft, aircraft conflicts and traffic disorder) and for which detailed calculation formula have been reported were selected for further analysis. Since the established set of factors resulted from multiple researches conducted in this field, it was assumed that some of these factors are correlated with one another, overlapping and possibly measuring similar concepts. Therefore, a reduction of the initial set of factors was performed by combining information contained within these factors into a smaller number of new artificial variables and by deleting statistically redundant portions of these factors prior to conducting further analysis. The Principal Component Analysis (PCA), which is the statistical method applied to achieve required reduction, resulted in the overall set of 6 complexity components, whose interpretations are driven by the factors that showed the strongest correlation with that component. In order to establish a link between ATC complexity and a controller's subjective workload, multiple regression analysis was performed, using the complexity components identified in the PCA as predictors of the workload ratings. In addition, some measures of controller’s activity (data entries made by the controllers related to flight data management, cumulative duration of radio calls, i.e. frequency occupancy time, and average duration of single calls) were added to the analysis to test whether information about the controller’s activity could be also useful for predicting workload, once the effect of complexity had been considered, and to verify whether the effect of complexity on workload could be mediated by the effect of complexity on the controller’s activity. The analysis revealed that both ATC complexity and the activities that the controller performs to deal with a demand imposed on him/her give a unique contribution to the prediction of workload ratings and therefore the workload of the controller is determined by both ATC complexity and controller’s activities. In addition, it was assumed that the workload is differently impacted by individual components of complexity, and further statistical analyses were performed to test this assumption. Understanding these differences could in fact facilitate comparison of the complexity levels of a single sector under different conditions, but also comparison of complexity levels of different sectors under same conditions. Firstly the changes in the workload and activities of the controllers under different conditions were investigated using analysis of variance. Subsequently, in order to be able to map these changes on the complexity components, it was necessary also to investigate into the changes that the complexity components undergo when observed under different conditions. The results revealed different behaviour of single complexity components when mapped on the changes recorded in the activities of the controller and workload, demonstrating that changes in controller’s activities and perceived workload are driven by different complexity components in different sectors and under different operational conditions. Shedding light on these contributors to the workload experienced by a controller can greatly facilitate the introduction of any change envisaged for the airspace under consideration. Namely, in the current structure, whenever new procedures or new working methods are subject to possible deployment, the identified complexity components could support the estimation of the impact that those changes would impose on the workload of the controller and further on decision making processes. Additionally, the complexity components are also applicable in the validation of the new concepts and new technologies to be introduced in the system when designing simulation scenarios against which new concepts would be assessed. As also demonstrated by the analysis, the comparison of different sectors, or even different sector designs within the same airspace, could be compared and contribute to the improvement of airspace design. / Die vorliegende Arbeit untersucht die Komplexität der Flugverkehrskontrolle (Air Traffic Control, ATC) als einen wesentlichen Einflussfaktor auf die Arbeitsbelastung des Radarlotsen. Die zentrale Annahme ist dabei, dass die Komplexität der ATC zusammen mit den Anforderungen aus den betrieblichen Rahmenbedingungen (technische Systemschnittstellen und Prozeduren) den Lotsen zu bestimmten Abläufen zwingen, welche die Arbeitsbelastung signifikant beeinflussen. Für die durchgeführten Untersuchungen standen Daten von ATC-Echtzeitsimulationen von EUROCONTROL CRDS Budapest zur Verfügung, die folgende Informationen umfassen: abgeflogene Flugtrajektorien, Kommunikationsprotokolle der Lotsen (untereinander oder zwischen Lotse und Pilot), Daten aus dem flight-data Management und Daten aus der regelmäßigen Selbstbewertung der Lotsen bezüglich ihrer aktuell gefühlten Arbeitsbelastung. Die bereits in früheren Studien identifizierten Komplexitätsvariablen (insbesondere die lokale Flugzeugdichte, spezifische Flugzeugeigenschaften, Konfliktsituationen zwischen Flugzeugen und die Verkehrslage betreffend) sowie hierzu erarbeitete mathematische Vorschriften bilden die Grundlage für die weiterführenden, detaillierten Untersuchungen. Aufgrund der Vielzahl an Komplexitätsvariablen aus diversen wissenschaftlichen Quellen war davon auszugehen, dass Korrelationen unter den Variablen vorliegen. Aus diesem Grund wurden zunächst statistisch redundante Informationen der ursprünglich vorliegenden Variablen reduziert, sodass als Ergebnis neue voneinander unabhängige Faktoren klassifiziert werden konnten. Die hierfür verwendete Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis - PCA) führte zu sechs statistisch signifikanten Komplexitätsfaktoren, die anhand der höchsten Korrelation zur zugeordneten Komponente interpretiert wurden. Um die Verbindung zwischen der ATC Komplexität und der subjektiv empfundenen Arbeitsbelastung herzustellen, wurde eine multiple Regressionsanalyse zwischen den Komplexitätsfaktoren und den abgeleiteten Arbeitsbelastungszuständen durchgeführt. Zusätzlich lagen für die Analyse der Arbeitsbelastung auch Daten über die Arbeitsaufgaben des Lotsen vor (bspw. Dateneinträge des Lotsen, Gesamtlänge der Funkanweisungen, durchschnittliche Länge der Funkanweisungen), um zu untersuchen, inwieweit sich aus den aktuell durchgeführten Arbeitsaufgaben bei gegebener Verkehrsnachfrage eine verlässliche Vorhersage über die Arbeitsbelastung ableiten lässt. Die Analyse zur Vorhersage der Arbeitsbelastung konnte zeigen, dass sowohl die ATC Komplexität als auch die aktuellen Arbeitsaufgaben einen individuellen und signifikanten Einfluss haben. Weiterhin wurde unterstellt, dass die spezifischen Komplexitätsfaktoren einen unterschiedlichen Effekt auf die Arbeitsbelastung ausüben. Die Überprüfung dieser Annahme war ebenfalls Bestandteil der umfangreichen statistischen Untersuchungen. Tatsächlich könnte ein fundamentales Verständnis der Komplexitätsgrade den Vergleich einzelner Luftraumsektoren unter verschiedenen operativen Randbedingungen, als auch den Vergleich unterschiedlicher Luftraumsektoren mit vergleichbaren operativen Randbedingungen wesentlich erleichtern. Zuerst wurden die Veränderungen der Arbeitsbelastung und -die Tätigkeiten der Lotsen unter Verwendung einer Varianzanalyse untersucht. Um eine valide Zuordnung zu den Komplexitätsfaktoren sicherzustellen, war es ebenfalls notwendig, die Veränderungen dieser Faktoren und Tätigkeiten unter wechselnden Randbedingungen zu analysieren. Die Analysen zeigen hierbei unterschiedliche Resultate bezüglich der jeweiligen Komplexitätsfaktoren. So beeinflussen die verschiedenen Komplexitätsfaktoren die Handlungsabläufe der Lotsen und die wahrgenommene Arbeitsbelastung, jedoch in Abhängigkeit von den ausgewählten Sektoren und den betrieblichen Randbedingungen. Unter Berücksichtigung dieser erarbeiteten Abhängigkeiten der Arbeitsbelastung des Lotsen können nun die Auswirkungen von Veränderungen im Luftraum zuverlässig bestimmt werden. Gerade in Bezug auf Veränderungen der gegenwärtigen Luftraumstruktur oder die Einführung neuer Prozeduren oder Arbeitsabläufe können die entwickelten Komplexitätsfaktoren bereits frühzeitig Aufschluss darüber geben, welche Konsequenzen solche Veränderungen auf die Arbeitsbelastung der Lotsen nach sich ziehen können und Entscheidungsprozesse unterstützen. Weiterhin sind die entwickelten Komplexitätsfaktoren als Grundlage für die Validierung neuer Konzepte und Technologien, gegebenenfalls unter Verwendung von entwickelten Simulationsszenarien, nutzbar. Darüber hinaus können die Komplexitätsfaktoren für die Gegenüberstellung von verschiedenen Luftraumsektoren genutzt werden und zur Abwägung bzw. Optimierung von Entwürfen eines Luftraumdesigns dienen.

Die Flugsicherung in Europa befindet sich im Wandel, denn der Europäische Luftraum und die damit verbundenen Prozesse werden seit einigen Jahren harmonisiert. Eine Vielzahl der Forschungsprojekte, die diese Entwicklung begleiten, zielt darauf ab, eine orts- und außensichtunabhängige Arbeitsumgebung für Fluglotsen zu entwickeln. Insbesondere für kleinere Regionalflughäfen besteht die Idee, eine Fernüberwachung in einem Control Center zu bündeln, da die Fluglotsen bis auf die üblichen Peak-Zeiten häufig nicht ausgelastet und teilweise unterfordert sind. Dies ermöglicht nicht nur die Fernüberwachung eines Flughafens, sondern auch die gleichzeitige Überwachung und Kontrolle aller Flugbewegungen von mehreren Flughäfen. Neben den bisherigen Aufgaben eines Fluglotsen, wie das Überwachen des Verantwortungsbereichs und die Gewährleistung einer sicheren und zügigen Abwicklung des Flugplatzverkehrs, ist bei einer Mehrfachkontrolle (Multi-Airport-Control) die Planung des Verkehrsflusses auf den zu kontrollierenden Flughäfen von entscheidender Bedeutung. Neben Systemen zum Außensichtersatz ist hierbei daher auch ein System erforderlich, dass dem Fluglotsen bei der Planung der Flugbewegungen aller Flughäfen unterstützt. Unter Berücksichtigung eines nutzerzentrierten Ansatzes, Richtlinien für einfach bedienbare Benutzerschnittstellen und mit der Intention, auch im Arbeitskontext eine hohe User Experience (UX) zu bieten, wurde das Assistenzsystem MasterMAN entwickelt. Das Konstrukt der User Experience verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz und beinhaltet nicht nur sachbezogene Aspekte wie die Usability des Systems sondern auch hedonische Aspekte wie Nutzeremotionen. Folglich wurde eine interaktive grafische Benutzeroberfläche gestaltet, die sowohl einen leichten und sicheren Umgang mit dem System als auch ein anspruchsvolles, positiv empfundenes Look and Feel gewährleistet. Bei der Evaluierung des Systems wurden neben der analytischen Inspektionsmethode Heuristische Evaluation nach Nielsen (1994) auch die ästhetischen Aspekte der grafischen Benutzerschnittstelle mit dem Fragebogen VisAWI (Visual Aesthetics of Websites Inventory) nach Thielsch & Moshagen (2014) adressiert. Acht Usability-Experten bewerteten das Assistenzsystem, notierten alle Auffälligkeiten und Usability-Probleme und führten ein dazugehöriges Severity Rating durch. Unter Zuhilfenahme dieser Vorgehensweise wurden insgesamt 56 Probleme identifiziert, die im weiteren Verlauf der Entwicklung korrigiert wurden. In einer abschließenden Gruppendiskussion mit allen Evaluatoren und den Entwicklern wurden nach dem Vorbild des Pluralistic Walkthrough die Probleme besprochen und Lösungsansätze mit den Usability-Experten erarbeitet. Hinsichtlich der ästhetischen Gestaltung der Benutzerschnittstelle ergab die VisAWIBewertung ein überdurchschnittliches Ergebnis und bestätigte damit ein ansprechendes Design. Weitere Untersuchungen zur Zufriedenheit von Fluglotsen beim Umgang mit dem System sind geplant.

Luftverkehrsprognosen stellen ein wichtiges Instrument dar, die Luftverkehrsinfrastruktur zu beeinflussen. Hinter vielen der Projekte, die von Luftverkehrsprognosen begleitet werden, stehen Interessen. Dies gilt insbesondere für Ausbauvorhaben von Flughäfen, die von eindeutigen Zielen und Wünschen getragen werden. Die Gutachter, die im Rahmen solcher Ausbauvorhaben tätig werden, sind der Gefahr ausgesetzt, beeinflusste Prognosen zu erstellen. Es ist Ziel der folgenden Arbeit, die Qualität von Luftverkehrsprognosen in Deutschland empirisch zu überprüfen. Dabei stößt man auf das Problem, dass es für Luftverkehrsprognosen praktisch nur einen Gutachter gibt. Dies ist die Intraplan Consult GmbH. Prognosen anderer Gutachter liegen in so geringer Zahl vor, dass sie nicht empirisch auswertbar sind. Wir beschränken uns im Folgenden deshalb darauf, die Prognosen von Intraplan Consult GmbH zu analysieren. Wir glauben, dass die Untersuchungsergebnisse allgemeingültigen Charakter haben und auf andere Luftverkehrsprognosen übertragbar sind. Es werden drei Fragestellungen untersucht. • Überzeichnen die Luftverkehrsprognosen der Intraplan Consult GmbH die tatsächliche Verkehrsentwicklung? • Gibt es Hinweise darauf, dass Überzeichnungen bei bestimmten Prognosegrößen (z.B. PAX, Fracht, Flugbewegungen) besonders häufig vorkommen? • Gibt es Hinweise darauf, dass Überzeichnungen bei bestimmten Gutachtentypen bzw. Gutachtenanlässen (z.B. Erweiterungen, behördliche Genehmigungen) besonders häufig vorkommen? Die empirische Untersuchung zeigte, dass die Prognosen insgesamt betrachtet tendenziell die tatsächliche Verkehrsentwicklung überschätzen. Es konnte zudem ermittelt werden, dass die Qualität der Ergebnisse stark streut und sich nicht normalverteilt verhält. Weiterhin konnten Wendepunktefehler im Prognose-Realisierungs-Diagramm beobachtet werden. Das bedeutet, dass das Modell von Intraplan Wendepunkte von Entwicklungen nicht erkennen kann. Die Airlines haben in den von den Prognosen erfassten Zeiträumen Strategiewechsel vorgenommen, die von Intraplan nicht erkannt wurden. Im weiteren Verlauf wurden die drei Prognosegrößen (i) Passagiere, (ii) Fracht- und Postaufkommen sowie (iii) Flugbewegungen einzeln analysiert. Alle drei Größen zeigten systematisch überschätzende Prognosen. Besonders stark ist dies bei den Flugbewegungen zu erkennen. Die Prognosen wurden nach ihrem Zweck in die Kategorien „Planfälle bei Genehmigungsgutachten“, „Worst-Case-Fälle bei Genehmigungsgutachten“ sowie „Marktstudien“ getrennt. Alle drei Kategorien weisen systematische Fehlschätzungen auf. Bei den Marktstudien liegen systematische Überschätzungen vor. Sie sind tendenziell etwas geringer als bei Planfallprognosen, wo die Überschätzungen erhebliche Größenordnungen annehmen (20-50% zu hohe Wachstumsraten). Worst-Case-Prognosen unterschätzen die tatsächliche Entwicklung systematisch. Da die beiden letzteren Kategorien (also Planfälle vs. Worst-Case-Fälle) im Zusammenhang mit Ausbauvorhaben an Flughäfen stehen, liegt die Vermutung nahe, dass im Rahmen der Genehmigungsgutachten die Worst-Case-Prognosen gezielt zu niedrig angesetzt werden (Unterschätzung), während die Planfallprognosen zu hoch angesetzt werden (Überschätzung), um das jeweilige Ausbauvorhaben in einem bedeutenderen Licht erscheinen zu lassen. Die Wendepunktfehler zeigen, dass Intraplan Strategiewechsel der Luftverkehrsunternehmen nicht richtig prognostiziert. Dies kann im Zusammenhang mit dem von den Auftraggebern verfolgten Zweck der Projekte stehen: Andere als die von den Auftraggebern gewünschten Strategien werden nicht abgebildet. Dieses sind, wie die empirischen ex post Ergebnisse zeigen, weder alle denkbaren Strategien und nicht einmal die wahrscheinlichsten Strategien. In der Luftverkehrswirtschaft wird argumentiert, dass die Prognosen von Intraplan nur wegen der Finanzkrise 2008, die nicht vorhersehbar gewesen wäre, so schlecht seien. Unsere Analyse zeigt für einige Flughäfen tatsächlich deutliche Brüche der Entwicklung nach der Finanzkrise. Bei anderen Flughäfen ist demgegenüber eine Konstanz der Entwicklung vor und nach der Finanzkrise festzustellen. Auch bei diesen Flughäfen ist aber die Prognose schlecht. Darüber hinaus gibt es Flughäfen, bei denen Airlines Strategiewechsel schon vor der Finanzkrise vorgenommen haben. Auch bei diesen hat das Prognosemodell von Intraplan schlechte Resultate erzielt. Bei anderen Flughäfen dagegen, ist die Prognoseleistung trotz Finanzkrise gut. Alles in allem zeigt sich deshalb, dass es weniger die Finanzkrise von 2008 ist, die zu Fehlprognosen führt, als die fehlende Fähigkeit, die Strategien der Airlines richtig abzubilden. / Aviation traffic forecasts and airport analyses are important instruments which influence decisions on aviation related infrastructure. Behind many of such infrastructure projects, which are supported by forecast analyses, one finds political interests. This is especially the case for aviation projects, such as infrastructure enlargement projects of airports, which are motivated by distinct goals and desires. Referees who act within this framework are exposed to the risk of producing biased results. The quality of such aviation traffic forecasts is the subject of this working paper. To begin with, one major obstacle is that there is only one such referee available in Germany - Intraplan Consult GmbH. Other referees have only a minimal, insignificant share of output, which cannot be used for any further empirical investigation. This is the reason why the present working paper focuses on airport analyses produced by Intraplan Consult GmbH. We believe that these research results are of common character, and thus are transferable to other related airport studies. The following three research questions have been investigated: • Do recent aviation traffic forecasts performed by Intraplan Consult GmbH overestimate actual traffic developments? • Are there any indications that some specific forecast measures (such as PAX, freight and cargo, flight movement) might be overestimated exceptionally frequently? • Are there any indications that specific types and events of forecast analysis (such as airport expansion projects, official authorisation of a project by the public administration) overestimated exceptionally frequently? Empirical investigation has shown that forecast analyses tend to be indeed overestimated, compared to the actual traffic developments. It could be shown that the quality of the research results is widespread and not normally distributed. Furthermore, systematic errors with regard to the point of inflection in forecast-realisation-diagrams were identified. This means that models constructed by Intraplan could not identify points of inflection on the development path in the real world. For instance, airlines have undergone structure and strategic changes over the periods of investigation which could not be captured by Intraplan models. In addition, three forecast measures, namely the amount of (i) passenger, (ii) freight and post and the (iii) flight movements, have been analysed. All three of them have shown systematic overestimated forecast results. In particular, forecasts of flight movements have been largely overestimated. These forecast analyses have further been categorized according to their purpose, namely project cases for the issue of approval certificates, worst-case scenarios for the issue of approval certificates and market studies. All three categories show systematic misjudgements and miscalculations. Regarding the market studies, systematic overestimation was identified. It tends to be less severe than for the project cases, where extreme estimates of 20-50% higher growth rates were found. In contrast to this, worst-case scenarios systematically underestimated actual development trends. The last two of which suggest the assumption that, when analysing enlargement projects of airports, worst-case scenario forecast figures and project case forecast figures have been deliberately manipulated in order to put the expansion project in question into the right perspective. Misjudgement by Intraplan, regarding the points of inflection, shows that they cannot forecast any strategic development by the aviation industry flawlessly. However, it can be assumed that this may also be in the interest of their contractors. Others as those suggested strategies by their clients are not included in their models. To further strengthen this suggestion, all empirical ex post results show that only a small share of all possible strategies, and especially the most improbable strategies, had been used. The aviation industry argues that miscalculation by Intraplan only relates to the events around the financial crisis in 2008, which have been unpredictable. Our research results showed that few airports had indeed been hit, regarding their development, by the financial crisis in 2008 and after. Others, however, have shown no effect and continued their rather constant development before and after the financial crisis. Forecast analyses have also been inaccurate and false for these airports. In addition to this, some of these airports had already undergone a strategic change, airline strategic change, before the financial crisis. As well, with regard to these airports, the forecast model by Intraplan produced false results. On the other hand, some forecast results have been correct, despite the financial crisis. All in all, it can be argued that incorrect forecasts have not been caused as much by the financial crisis as by the missing capacities of the model to incorporate strategic change.

Develop new strategies to design and operate the multilateration systems, used for air traffic control operations, in a more efficient way. The design strategies are based on the utilization of metaheuristic optimization techniques and they are intended to found the optimal spatial distribution of the system ground stations, taking into account the most relevant system operation parameters. The strategies to operate the systems are based on the development of new positioning methods which allow solving the problems of uncertainty position and poor accuracy that the current systems can present. The new strategies can be applied to design, deploy and operate the multilateration systems for airport surface surveillance as well as takeoff-landing, approach and enroute control. An important advance in the current knowledge of air traffic control is expected from the development of these strategies, because they solve several deficiencies that have been made clear, by the international scientific community, in the last years. / Mantilla Gaviria, IA. (2013). New Strategies to Improve Multilateration Systems in the Air Traffic Control [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29688 / Alfresco

This research is concerned with the modeling and development of algorithmic approaches for solving airport operational problems that arise in Air Traffic Control (ATC) systems within the terminal area at hub airports. Specifically, the problems addressed include the Aircraft Sequencing Problem (ASP) for runway operations, the Network Assignment Problem (NAP) for taxiway operations, and a simulation model for the evaluation of current or proposed ATC system in detail. For the ASP, we develop a mathematical model and apply the Reformulation-Linearization-Technique (RLT) of Sherali and Adams to construct an enhanced tightened version of the proposed model. Since ASP is NP-Hard and in fact, it is a variation of the well-known Traveling Salesman Problem with time-windows, sub-optimal solutions are usually derived to accommodate the real-time constraints of ATC systems. Nevertheless, we exhibit a significant advancement in this challenging class of problem. Also for the purpose of solving relatively large sized problems in practice, we develop and test suitable heuristic procedures. For the NAP, we propose a quasi-dynamic assignment scheme which is based on the incremental assignment technique. This quasi-dynamic assignment method assumes that the current aircraft route is influenced only by the previous aircraft assigned to the network. This simplified assumption obviates the need for iterative rerouting procedures to reach a pure equilibrium state which might not be achievable in practical taxiway operations. To evaluate the overall system, we develop a microscopic simulation model. The simulation model is designed to have the capability for reproducing not only the dynamic behavior of aircraft, but also incorporates communication activities between controllers and pilots. These activities are critical in ATC operations, and in some instances, might limit the capacity of the facility. Finally, using the developed simulation model named Virginia Tech Airport Simulation Model (VTASM) in concert with ASP and NAP, we compare the overall efficiencies of several control strategies, including that of the existing control system as well as of the proposed advanced control system. / Ph. D.