A three-dimensional multi-aircraft conflict detection and resolution method via target windows

This thesis proposes a three-dimensional multi-aircraft Conflict Detection and Resolution (CD&R) method using the concept of Target Windows. A Target Window (TW) represents a space-time constraint on the aircraft trajectory, requiring that the aircraft flies through a given two-dimensional region in the airspace within a given time interval. According to the TW paradigm, each aircraft is assigned an ordered sequence of TWs, which implicitly defines its trajectory from origin to destination and is known to the Air Traffic Controller (ATC) operating on the ground. We here propose an automated CD&R method to be implemented at the ATC level where the possible occurrence of conflicts (i.e. situations where two or more aircraft come closer than a minimum safe distance) is predicted based on the current TW sequences assigned to the aircraft. If a conflict is detected in a certain time window, then, the TW sequence is modified locally to that time window so as to avoid that the detected conflict actually occurs, while guaranteeing that the resolution maneuvers are flyable trajectories meeting the TW requirements and preserving the planned destinations. The choice of the resolution maneuvers for all aircraft involved in the conflict depends on some parameters that can be set by the ATC, such as the level of safety, the priorities of the aircraft, and the penalization of vertical maneuvers. In particular, aircraft with lower priorities assume more responsibility in resolving the conflicts, and vertical maneuvers are penalized with respect to horizontal ones for the sake of passenger comfort. Resolution commands that need to be transmitted from the ATC to the pilots consist in an update of the TW sequence on board of the aircraft, which makes the proposed approach quite convenient in terms of communication requirements. The effectiveness of the proposed method is shown through some numerical examples referring to both two-aircraft and multi-aircraft encounters.

Questa tesi propone un metodo per la predizione e risoluzione di conflitti che coinvolgono due o più aerei che volano nella stessa regione dello spazio aereo, anche se non necessariamente alla stessa quota, tramite il concetto di Target Window. Una Target Window (TW) rappresenta un vincolo spazio-temporale sulla traiettoria dell’aereo, perché richiede che esso voli attraverso una certa regione bidimensionale dello spazio aereo entro un dato intervallo temporale. Secondo il paradigma delle TW, ad ogni aereo viene assegnata una sequenza di TW, che definisce implicitamente la sua traiettoria da origine a destinazione, e che è nota al controllore del traffico aereo. In questo lavoro proponiamo un metodo automatico di predizione e risoluzione di conflitti a livello del controllore del traffico aereo, in cui vengono identificati possibili conflitti (cioè situazioni in cui due o più aerei si avvicinano tra di loro più di una certa minima distanza di sicurezza) sulla base delle attuali sequenze di TW assegnate agli aerei. Se viene predetto un conflitto in una certa finestra temporale, allora viene modificata la sequenza di TW localmente a tale finestra in modo da evitare che il conflitto si verifichi e garantire al tempo stesso che le manovre per la sua risoluzione siano ammissibili e compatibili con i vincoli dati dalle TW. Le manovre per la risoluzione di conflitto dipendono da alcuni parametri scelti dal controllore del traffico aereo, come il livello desiderato di sicurezza, le priorità degli aerei, e la penalizzazione delle manovre verticali. In particolare, gli aerei con priorità minore assumono più responsabilità nel risolvere la situazione di conflitto, e le manovre che non comportano un cambio di quota sono favorite perché hanno un impatto più limitato sul comfort dei passeggeri. La strategia di risoluzione di conflitto comporta la trasmissione da parte della torre di controllo dell’aggiornamento della sequenza di TW assegnate agli aerei coinvolti nel conflitto predetto. Questo rende l’approccio proposto vantaggioso in termini di requisiti di comunicazione. L’efficacia della soluzione sviluppata è mostrata attraverso esempi numerici che si riferiscono a scenari di diversa tipologia, con due o più aerei.