segunda-feira, 24 de fevereiro de 2014

Parallel Runways for Landing - Airport Runway Spacing



Increasing the airport arrival rates is an important factor towards meeting the growing demand in air traffic. The concept of Very Closely Spaced Parallel Runway (VCSPR) operations is considered to be a crucial step for realizing significant increase in arrival throughput during poor weather conditions when instrument meteorological conditions apply. It aims to maximize the utilization in parallel runway systems that may be spaced as close as 750 ft apart, and thus increase the landing capacity at hub airports without significant increase to the airport footprint.
 
Aumentar as taxas de chegada de aeroporto é um fator importante para satisfazer a crescente demanda do tráfego aéreo. O conceito de operações em Pistas  Paralelas de Pouso Espaçadas Muito Estreitamente (VCSPR) é considerado ser um passo crucial para compreender o aumento significativo na produtividade de chegada durante condições meteorológicas pobres quando se usa as condições meteorológicas por instrumentos. Ele destina-se a aumentar a utilização em sistemas de pistas paralelas que possam ser espaçadas tão perto quanto 750 metros de distância uma da outra e assim aumentar a capacidade de pouso em aeroportos sem aumento significativo para a área útil do aeroporto.
The Federal Aviation Administration (FAA) recognizes that significant capacity is lost when simultaneous operations performed under visual conditions are not operational under poor weather conditions. As a part of its NextGen plan [7], the FAA aims to reduce the minimum allowable spacing between runways used for simultaneous operations in poor visibility, currently 4300 ft., by implementing revised standards and improved technologies.
 
A Administração Federal de Aviação (FAA) reconhece que a capacidade significativa é perdida quando operações simultâneas, realizadas sob condições visuais não estão operacionais em condições climáticas adversas. Como parte do seu plano de NextGen [7], a FAA pretende reduzir o espaçamento mínimo permitido entre pistas usado para operações simultâneas em baixa visibilidade, atualmente 1310 m, implementando tecnologias melhoradas  e normas revisadas.

 


 

System Description
 
Descrição do sistema
In a typical independent parallel approach, aircraft intersect their localizer track (longitudinal runway centerline) approximately 10 nautical miles from the runway threshold. During localizer intersection, aircraft have a 1000 feet vertical separation. After the aircraft are established in their localizer track, vertical separation is eliminated and aircraft start a normal glide path for landing.
 
Em uma típica aproximação paralela independente, as aeronaves interceptam suas trajetórias de localizador (linha central longitudinal do eixo da pista) aproximadamente a 18 Km da cabeceira da pista. Durante a interceptação do [curso] do localizador, as aeronaves têm uma separação vertical de 300 m. Depois que as aeronaves estão estabilizadas nas suas  trajetórias do localizador, a separação vertical é eliminada e as aeronaves começam uma   trajetória de planeio normal para o pouso.
The AILS system starts operating when the aircraft are on their localizers. At this time the aircraft are approximately at the same altitude.
 
O sistema AILS inicia a operação quando as aeronaves estão em seus [cursos] de localizadores. Neste momento, as aeronaves estão aproximadamente nas mesmas altitudes.


 

Parallel Runway Operation
Operação em Pistas Paralelas
It needs to be carefully managed in such a manner as to minimize the risk of runway incursion or wrong runway use due. Closely-spaced parallel runways may affect the pilots' situational awareness or lead to their distraction or confusion.
 
É preciso ser cuidadosamente gerenciado de forma a minimizar o risco de invasão de pista ou devido ao uso de pista errada. Pistas paralelas espaçadas podem afetar a consciência situacional dos pilotos ou conduzir  à distração ou à confusão deles.
 


A potential problem with close parallel runway spacing is the possibility that an aircraft may make an approach to the wrong runway. Two scenarios can be considered:
 
Um problema potencial com espaçamento estreito de pistas paralelas é a possibilidade de que uma aeronave possa fazer uma aproximação para a pista errada. Dois cenários podem ser considerados:
Pilot SOPs for approach clearance acceptance and subsequent setting of the required navigation equipment should be robust and attract 100% compliance. The role of the PM (and if present the augmenting crew occupying supernumerary seats) in a multi crew flight deck in cross checking that correct actions are taken is crucial.
 
Os SOPs de piloto [Procedimentos de Operação Padrão]  para aceitação de autorização de aproximação e posterior ajuste do equipamento de navegação exigido devem ser robustos e atrair 100% de conformidade. O papel do PM [Pilot-Monitoring] (e se apresente, a tripulação de revezamento ocupando assentos extranumerários) na cockpit de vôo de tripulação composta com verificação cruzada em que ações corretas  sejam tomadas, é crucial.
If a pilot cleared for an instrument approach acquires visual reference with the aerodrome when some distance from landing, it is possible in the absence of the right level of crew discipline and interaction for alignment with the wrong runway to follow.
 
Se um piloto autorizado para uma aproximação por instrumentos encontra referência visual com o aeródromo, quando alguma distância de pouso, é possível na ausência de nível correto de disciplina e interação da tripulação para alinhamento com a pista errada a seguir.
pilot training - operators should ensure that flight crews conducting simultaneous independent approaches to parallel runways are familiar with the issues that arise. It should be noted that if an immediate missed approach is instrucyted by ATC, the required manoeuvres may differ from the promulgated standard missed approach;
 
treinamento de piloto - operadores devem assegurar-se que as tripulações de voo realizando aproximações independentes simultâneas para pistas paralelas estão familiarizados com os problemas que possam surgir. Deve ser observado que se uma imediata aproximação perdida é instruída pelo ATC, as manobras exigidas podem diferir da aproximação perdida padrão homologada;
risk analysis -  a risk analysis using available data should indicate that the probability of having a miss distance of less than 150 m (500 ft) between aircraft is expected to be less than 1 per 56,000,000 approaches. Wherever independent approaches to closely-spaced parallel runways are envisaged, a risk analysis must be completed for each location to ensure satisfactory levels of safety;
 
análise de risco - uma análise de risco utilizando dados disponíveis deve indicar que a probabilidade de ter um erro de distância inferior a 150 m (500 pés) entre aeronaves deverá ser menor que  1 em 56.000.000 de aproximações.. Onde quer que aproximações independentes para pistas paralelas espaçadas estejam previstas, uma análise de risco deve ser concluída para cada local para garantir satisfatoriamente os níveis de segurança;
transponder failure -  If an aircraft without an operating transponder arrives at an aerodrome, ATC will have to create a gap in the arrival flow so that the aircraft will not require monitoring. If an aircraft transponder fails during an instrument approach, the monitoring radar controller will instruct any adjacent aircraft to cancel their approach;
 
falha do transponder - se uma aeronave sem um transponder em operação chega em um aeródromo,  o ATC terá que criar uma brecha no fluxo de chegada tal que a aeronave não exigirá monitoramento. Se um transponder de aeronave falha durante uma aproximação por instrumentos, o controlador de monitoramento radar instruirá quaisquer aeronaves adjacentes para cancelarem suas aproximações;
approach chart notation -  the charts showing instrument approach procedures to runways used for simultaneous parallel instrument operations should indicate such operations, particularly using the term “closely-spaced parallel runways”. The terminology should be reflected in the title of the approach chart including the runway identification;
 
notação de gráfico de aproximação - os gráficos mostrando procedimentos de  aproximação por instrumentos para pistas usadas para operações por instrumentos simultâneas paralelas devem indicar tais operações, especialmente usando o termo "pistas paralelas espaçadas estreitamente”.  A terminologia deve reflectir-se no título da carta de aproximação, incluindo a identificação de pista;


Airports with Parallel Runways Below 4300 ft Spacing

 

Aeroportos com pistas paralelas abaixo de 4300 metros espaçamento

 

Airport Runway Spacing

Los Angeles (LAX) 750 ft

San Francisco (SFO) 750 ft

Seattle (SEA) 800 ft

Newark (EWR) 900 ft

Houston (IAH) 1000 ft

Las Vegas (LAS) 1000 ft

Atlanta (ATL) 1000 ft

Dallas-Ft Worth (DFW) 1200 ft

Pittsburgh (PIT) 1200 ft

St. Louis (STL) 1300 ft

Boston (BOS) 1500 ft

Orlando (MCO) 1600 ft

New York (JFK) 3000 ft

Minneapolis (MSP) 3380 ft

Memphis (MEM) 3400 ft

Raleigh (RDU) 3400 ft

Phoenix(PHX) 3565 ft

Salt Lake City (SLC) 3700 ft

Detroit (DTW) 3800 ft



The process involves pairing aircraft around 30 minutes before the aircraft arrives at the terminal boundary. As shown in Figure 1, the actual coupling for the approach is intended to occur 12 nm from the runway threshold. After this coupling point, the coupled aircraft converge over a 10nm distance at a 6° angle. For the last 2nm prior to the runway threshold, the paired aircraft would fly on parallel flight path segments.
 
O processo envolve o emparelhamento de aeronaves cerca de 30 minutos antes da aeronave chegar no limite da terminal. Como mostrado na Figura 1, o emparelhamento real para a aproximação é intencionado para ocorrer 12 NM [22 Km] da cabeceira da pista. Após este ponto de emparelhamento, as aeronaves emparelhadas convergem numa distância de 10 NM [18 Km] em um ângulo de 6°. Para as últimas 2  NM [3,7 Km]  antes da cabeceira da pista, as aeronaves emparelhadas voariam em segmentos de trajetórias de vôo paralelos.
The following aircraft in a pair must be flying within a safe zone, which is defined by a Lower Pairing Boundary (LPB) and an Upper Pairing Boundary (UPB) behind the lead aircraft. The LPB is defined to minimize the risk of collision in case of a blunder by the lead aircraft, while the UPB is defined in order for the follower aircraft to avoid its encounter with the wake vortex of the lead aircraft.
 
A  aeronave seguidora em um par deve estar voando dentro de uma zona de segurança, a qual é definida por um Limite Inferior de Emparelhamento (LPB) e atrás da aeronave à frente, um Limite Superior de Emparelhamento (UPB). O LPB é definido para minimizar o risco de colisão no caso de um erro crasso pela aeronave à frente, enquanto o UPB é definido a fim de  que a aeronave seguidora para evite o seu encontro com o vórtice de esteira de turbulência da aeronave à frente.
The LPB and UPB are set to 5s and 25s behind the lead aircraft, respectively. Figure 2 demonstrates the notions of LPB and UPB and the safe zone. The pairing algorithm is instructed to schedule the pairs in order for the follower aircraft to be situated in the middle of the safe zone. Then concept assumes Differential Global Positioning System (DGPS), augmented ADS-B, 4-dimensional flight management system (4D-FMS), wind detection sensors onboard the aircraft, and cockpit automation that are not extant in today’s NAS.
 
Os LPB e UPB são definidos para  5s e 25s atrás da aeronave à frente, respectivamente. A Figura 2 demonstra as noções de LPB e UPB e zona de segurança. O algoritmo de emparelhamento é instruído para agendar os pares a fim de que a aeronave seguidora esteja situada no meio da zona de segurança. Então o conceito assume o Diferencial do Sistema de Posicionamento Global (DGPS), ADS-B melhorado, Sistema de Gerenciamento de Vôo em 4-dimensões (4D-FMS), sensores de deteção de vento a bordo da aeronave e automação da cockpit que não são ainda existentes na NAS [Padrão Nacional de Aviação] da atualidade.


Parallel Landing Scenarios
 
Cenários de Pousos Paralelos
According to the characteristics and assumptions of the AILS algorithm, it is  proposed a time-discrete model of trajectories with time increments of 0.5 seconds where the bank angle and ground speed of the intruder aircraft determine intrusion paths. Given a ground speed v greater than zero, a bank angle, and the gravitational acceleration constant g, the heading turn rate is given by the formula
De acordo com as características e pressupostos do algoritmo AILS, é proposto um modelo de tempo discreto de trajetórias com incrementos de tempo de 0,5 segundos, onde o ângulo de inclinação lateral e a velocidade em relação ao solo da aeronave intrusa determinam as trajetórias de intrusão. Dado uma velocidade em relação ao solo v, um ângulo de inclinação lateral e constante aceleração gravitacional g, a razão da proa da curva  é dada pela fórmula

 


Although under normal operation the bank angle of a commercial aircraft is limited to -30 to 30 degrees, it was permitted the bank angle to range from -45 to 45 degrees. For a minimum ground speed of 180 feet per second, it means a maximum heading turn rate of about 6 degrees per second. These values produce very aggressive blundering situations quite consistent with worst cases scenarios tested by the AILS developing group.
 
Embora sob a operação normal, o ângulo de inclinação lateral de um avião comercial é limitado a -30 a 30 graus, foi permitido o ângulo de inclinação lateral na faixa de -45 a 45 graus. Para uma velocidade em relação ao solo mínima de 54 metros por segundo [194 Km/h], significa uma razão máxima de curva de cerca de 6 graus por segundo. Esses valores produzem muitas situações de erros grosseiros bastante consistentes com os piores cenários de casos testados pelo AILS grupo de desenvolvimento.




Some airports operating parallel runways  - Alguns aeroportos que operam pistas paralelas

*  CYVR (Vancouver)

*  CYYZ (Toronto/Lester B. Pearson)

*  EDDF (Frankfurt am Main)

*  EGLL (London Heathrow)

*  EHAM (Amsterdam/Schiphol)

*  EKCH (Copenhagen/Kastrup)

*  ENGM (Oslo/Gardermoen)

*  ESSA (Stockholm/Arlanda)

*  KABI (Abilene Regional Airport)

*  KADW (Joint Base Andrews)

*  KATL (Atlanta/Hartsfield-Jackson International)

*  KAUS (Austin-Bergstrom International Airport)

*  KBFI (King County International Airport)

*  KBFL (Meadows Field)

*  KBIL (Billings Logan International Airport)

*  KBNA (Nashville International Airport)

*  KBOI (Boise)

*  KBOS (Boston/Logan International)

*  KBRO (Brownsville/South Padre Island International Airport)

*  KBVU (Boulder City Municipal Airport)

*  KCBM (Columbus Air Force Base)

*  KCIC (Chico Municipal Airport)

*  KCLT (Charlotte/Douglas)

*  KCMH (Port Columbus International)

*  KCMI (University of Illinois-Willard Airport)

*  KCNM (Cavern City Air Terminal)

*  KCOS (Colorado Springs)

*  KDAB (Daytona Beach International Airport)

*  KDAL (Dallas Love Field)

*  KDAY (Dayton International Airport)

*  KDFW (Dallas-Fort Worth)

*  KDLF (Laughlin Air Force Base)

*  KDYS (Dyess Air Force Base)

*  KEND (Vance Air Force Base)

*  KEUG (Eugene Airport)

*  KEWR (Newark)

*  KFAT (Fresno Yosemite International Airport)

*  KFFO (Wright-Patterson Air Force Base)

*  KGFK (Grand Forks International Airport)

*  KGLH (Mid Delta Regional Airport)

*  KGRR (Gerald R. Ford International Airport)

*  KHND (Henderson Executive Airport)

*  KHRL (Valley International Airport)

*  KHSV (Huntsville)

*  KIAB (McConnell Air Force Base)

*  KIAD (Washington/Dulles)

*  KIAG (Niagara Falls International Airport)

*  KIAH (Houston Intercontinental)

*  KICT (Wichita Mid-Continental Airport)

*  KIND (Indianapolis International Airport)

   

References

[1] Bone, R., A. Mundra, B.O. Olmos, 2001, “Paired Approach Operational Concepts,” Digital Avionics Systems Conference, Daytona Beach, FL.

 [2] Abbott, T. & Elliot, D., 2001, “Simulator Evaluation of Airborne Information for lateral Spacing (AILS) Concept,” NASA/TP-2001-210665.

 [3] Miller, M.E., S. Dougherty, J. Stella, P. Reddy, 2005, “CNS Requirements for Precision Flight in Advanced Terminal Airspace,” IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MO.

 [4] Kupfer, M., 2009, “Scheduling Aircraft Landings to Closely Spaced Parallel Runways,” Eighth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar, Napa, CA.

  [5] Thipphavong, J., D. Mulfinger, A. Sadovsky, 2010, “Design Considerations for a New Terminal Area Scheduler”, AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations, Fort Worth, TX.

 [6] Verma, S., T. Kozon, Deborah Ballinger, 2010, “Preliminary Guidelines – Air Traffic Control Procedures for Pairing Aircraft for Closely Spaces Simultaneous Approaches,” Applied Human Factors Ergonomics Conference, Miami, FL.

 [7] Federal Aviation Administration, 2008, “ National Aviation Research Plan,” http://nasarchitecture. faa.gov/nas/downloads/

 [8] Federal Aviation Administration, 2006, Order 8260.49A, “Simultaneous Offset Instrument Approach (SOIA).”

 [9] Brucker, P., 2009, Scheduling Algorithms, Fifth Edition, Springer-Verlag, Berlin, Germany.

 [10] Graham, R.L., E.L. Lawler, J.K. Lenstra, A.H.G. Rinooy Kan, 1979, “Optimization and pproximation in Deterministic Sequencing and Scheduling: A Survey,” Annals of Discrete athematics, Vol. 5, pp. 278326.

 [11] Gopalan, R., K.T. Talluri, 1998, “Mathematical Models in Airline Schedule Planning: A Survey,” Anals of Oper. Res., Vol. 76, pp. 155185.

 [12] Etschmaier, M.M., D.F.X. Mathaisel, 1984, “Aircraft Scheduling – The State of the Art,” 24th GIFORS Annual Symposium, pp. 181– 225.

  [13] Dear, R.G., 1976 “The Dynamic Scheduling of Aircraft in the Near Terminal Area,” Research Report R76-9, MIT Flight Transportation Laboratory, Cambridge, MA.

  [14] Psaraftis, H.N., 1978 “A Dynamic Programming Approach to the Aircraft Sequencing Problem,” Research Report R78–4, MIT Flight Transportation Laboratory, Cambridge, MA.

 [15] Ciesielski, V., P. Scerri, 1997, “An Anytime Algorithm for Scheduling Aircraft Landing Times using Genetic Algorithms,” Australian J. of Intelligent Information Processing Systems, Vol. 4, pp. 206–213.

 [16] Grosche, T., A. Heinzl, F. Rothlauf, 2001, “A Conceptual Approach for Simultaneous Flight Schedule Construction with Genetic Algorithms,” Applications of Evolutionary Computing, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2037/2001, pp. 257–267, Springer.

 [17] Beasley, J.E., M. Krishnmoorthy, Y.M. Sharaiha, D. Abramson, 2004, “Displacement Problem and Dynamically Scheduling Aircraft Landings,” J. of the Operational Research Society, Vol. 55, Issue 1, pp. 54–64, Palgrave, Macmillan.

 [18] Hu, X.-B., W.-H. Chen, 2005, “Genetic Algorithm based on Receding Horizon Control for Aircraft Sequencing and Scheduling,” J. of Engineering Approaches of Artificial Intelligence, Vol. 18, No. 5, pp. 633–642.

 [19] Hu, X.-B., E. Di Paolo, 2009, “An Efficient Genetic Algorithm with Uniform Crossover for Air Traffic Control,” Computers and Operations Research, Vol. 36, Issue 1, pp. 245–259.

 [20] Chandran, B., H. Balakrishnan, 2007, “ Dynamic Programming Algorithm for Robust Runway Scheduling, ” American Control Conference, New York, NY.

 [21] Lee, H., H. Balakrishnan, 2008, “A Study of Tradeoffs in Scheduling Terminal Area Operations,” Proceedings of the IEEE, Vol. 96, No. 12, pp. 2081– 2095.

 [22] Ernst, A.T., M. Krishnamoorty, R.H. Storer, 1999, “Heuristic and Exact Algorithms for Scheduling Aircraft Landings,” Networks Int’l J., Vol. 34, No. 3, pp. 229–241.

 [23] Beasley, J.E., M. Krishnamoorthy, Y.M. Sharaiha, D. Abramson, 2000 “Scheduling Aircraft Landings – The Static Case,” Transportation Science, Vol. 34, Issue 2, pp. 180–197.

 [24] Roy, K., A.M. Bayen, C.J. Tomlin,2005, “Polynomial Time Algorithms for Scheduling of Arrival Aircraft,” AIAA Guidance, Navigation and Control, San Francisco, CA.

 [25] Abela, J., D. Abdamson, M. Krishnamoorthy, A. De Silva, G. Mills, 1993, “Computing Optimal Scheduling for Landing Aircraft,” Proc. 12th National ASOR Conference, Adelaide, Australia, pp. 71–90.

 [26] Balakrishnan, H., B. Chandran, 2006, “Scheduling Aircraft Landings under Constrained Position Shifting,” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Keystone, CO.

 [27] Jani, M., 2008, “Modeling the Capacity of Closely-Spaced Parallel Runways using Innovative Approach Procedures,” Transportation Res., Part C: Emerging Technologies, Vol. 16(6), pp. 704–730.

 [28] Goldberg, D.E., 1989, Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning, Addison-Wesley Professional.

 [29] Garey, M.R., D.S. Johnson, 1979, Computers and Intractability: A Guide to the Theory of NPCompleteness, W.H. Freeman and Co., New York.

 [30] Bayen, A.M., T. Callantine, C.J. Tomlin, Y. Ye, J. Zhang, 2004, “Optimal Arrival Traffic Spacing via Dynamic Programming,” AIAA Conference on Guidance, Navigation and Control, Providence, RI

 [31] Goldberg, D.E., 1989, Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning, Addison-Wesley Professional.

 [32] Eiben, A.E., J.E. Smith, 2003, Introduction to Evolutionary Computing, Springer.

 [33] Haupt, R.L., S.E Haupt, 2004, Practical Genetic Algorithms, Second Edition, Wiley Interscience.

 [43] Wall, M., 1996, “GAlib: A C++ Library of Genetic Algorithm Components,” Mechanical Engineering Departement, Massachusetts Institute of Technology, http://lancet.mit.edu/ga/. Save. 29th Digital Avionics Systems Conference October 3-7, 2010

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