Lisbon Airport Capacity Enhancement Aerospace Engineering

102 Pages·2014·3.78 MB·Spanish

by  Jonas Rodrigues

Lisbon Airport Capacity Enhancement

Airspace capacity estimation and enhancement

Jonas Amaral Rodrigues

Thesis to obtain the Master of Science Degree in
Aerospace Engineering

Supervisors: Prof. Pedro da Graça Tavares Álvares Serrão
Sr. Américo Gomes Dias de Melo

Examination Committee
Chairperson: Prof. Filipe Szolnoky Ramos Pinto Cunha
Supervisor: Prof. Pedro da Graça Tavares Álvares Serrão
Members of the Committee: Prof. António José Nobre Martins Aguiar
Prof. Rodrigo Martins de Matos Ventura

November 2014
Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Prof. Pedro Serrão, por toda a simpatia
e disponibilidade demonstradas ao longo da execução desta tese, bem como por me ter concedido a
oportunidade de trabalhar em colaboração com a NAV Portugal. Nesta, tive a oportunidade de
conhecer o meu co-orientador, Américo Melo, bem como Jesus Conde e Luís Martins, aos quais
também quero agradecer pelo à vontade com que me colocaram, por todo o apoio e
acompanhamento e, acima de tudo, pelo entusiasmo com que sempre encararam este trabalho.
Gostaria também de fazer referência a Ian Crooke, Kenneth Martin e Sandrine Molton da ISA
Software por todo o apoio e prontidão na resposta a alguns pedidos e dúvidas colocados por e-mail,
bem como por me receberem e integrarem no 11º encontro de utilizadores do RAMS, realizado em
Junho de 2014 em Madrid. Um enorme obrigado a António Ruas do EUROCONTROL, especialista no
método CAPAN, que tive oportunidade de conhecer em Madrid e sempre demonstrou total
disponibilidade e vontade de ajudar. Nas suas breves passagens por Lisboa tive oportunidade de me
reunir com ele, e inclusivamente trazê-lo ao IST, para mostrar os avanços no trabalho, esclarecer
dúvidas e conhecer o funcionamento de algumas funções mais complexas do RAMS.
Um agradecimento à Cátia, que fez uma revisão exaustiva do texto, e à Marta que apoiou na
correcção. Uma palavra também aos meus colegas e amigos com quem trabalhei e partilhei as
aventuras e desventuras de um curso de engenharia numa instituição como o IST.
E, como este trabalho marca o fim de uma etapa, queria agradecer a todos aqueles que me
acompanharam e apoiaram ao longo de todo este percurso académico, que se iniciou 20 anos antes,
a cerca de 1500 quilómetros de distância do local onde agora termina, na freguesia de Arrifes, ilha de
São Miguel. Um obrigado muito especial aos meus pais por tornarem tudo isto possível e por, em
todos os instantes, em todos os bons e maus momentos, me terem apoiado e proporcionado muito
mais do que aquilo que alguma vez poderia exigir. Uma palavra também para a minha irmã que se viu
privada da companhia e sábios conselhos do irmão ao longo de grande parte do seu crescimento.
Não esqueço também o apoio da minha madrinha, no mínimo tão entusiasta da aviação quanto eu. E,
obviamente, à Lili, por estes quase dois anos e meio de carinho, amizade e partilha, bem como por
toda a ajuda, paciência e incentivo para “trabalhar mais um bocadinho” ao longo das últimas semanas
deste desafio. Este trabalho é dedicado a todos vocês, na certeza de que sem o vosso apoio o
mesmo não teria sido possível. Muito obrigado!

i
Resumo

Este trabalho tem como objectivo principal a estimativa da capacidade do espaço aéreo terminal do
Aeroporto de Lisboa, recorrendo ao software de simulação RAMS Plus. Foi realizado com a
colaboração da NAV Portugal.
Inicialmente, é feita uma abordagem aos conceitos de capacidade de um aeroporto e de um espaço
aéreo, bem como às cargas de trabalho dos controladores e sua relevância na quantidade de tráfego
que um sector pode receber. É também feita uma introdução ao mundo das simulações em tempo
real e acelerado de controlo de tráfego aéreo, bem como uma exposição do software RAMS Plus e
respectivo modo de funcionamento.
O ponto de partida para as simulações foi a configuração actual do espaço aéreo terminal do
Aeroporto de Lisboa, tendo para isso sido estudada em mais detalhe e reproduzida, tão
fidedignamente quanto possível, em dois cenários, uma para a pista 03 e outro para a 21, que viriam
a servir não só de referência mas também de calibração do modelo. As amostras de tráfego utilizadas
nas simulações baseiam-se no tráfego real do verão de 2013.
Com a capacidade actual estimada, analisaram-se então outros cenários alternativos, sempre
levando em conta as duas pistas mais utilizadas (03/21), chegando-se à conclusão de que com
algumas modificações no desenho actual dos sectores, seria possível aumentar a capacidade do
espaço aéreo.

Palavras chave: Capacidade, Carga de trabalho, Controlo de Tráfego Aéreo, Espaço Aéreo, RAMS
Plus, Simulação.

ii
Abstract

The aim of this work is to estimate the capacity of Lisbon Airport Terminal Airspace, using the
simulation software RAMS Plus. It was realized with the collaboration of NAV Portugal.
Initially, it is presented an approach to the concepts of airport and airspace capacity, as well as
controller workload and its relevance on the amount of traffic that an ATC sector can receive.
Afterwards, an introduction to the world of ATC real time and fast time simulations is also presented,
as well as an exposition of the software RAMS Plus and how it works.
The starting point of this work was Lisbon Airport Terminal Airspace current configuration. For this
reason it was studied in further detail and reproduced, as close as possible, in two scenarios, one for
RWY 03 and another of RWY 21, which would be used not only for reference but also for model
calibration. The traffic samples used in the simulations are based in real traffic from the summer of
2013.
With the current capacity estimated, alternative scenarios were analysed, always having in mind the
most used runways (03/21), having concluded that, with some modifications in the design of the
current sectors, it would be possible to increase the capacity of the airspace.

Keywords: Airspace, Air Traffic Control, Capacity, RAMS Plus, Simulation, Workload.

iii
Table of Contents

Agradecimentos .........................................................................................................................................i
Resumo .................................................................................................................................................... ii
Abstract.................................................................................................................................................... iii
Table of Contents .................................................................................................................................... iv
List of Figures ........................................................................................................................................ viii
List of Tables ........................................................................................................................................... xi
List of Acronyms ..................................................................................................................................... xii
1 Introduction ........................................................................................................................................... 1
1.1 Motivation and Objectives .............................................................................................................. 1
1.2 TMA overview ................................................................................................................................ 2
1.3 Methodology .................................................................................................................................. 2
1.4 Thesis overview ............................................................................................................................. 3
2. Airport Capacity ................................................................................................................................... 4
2.1 Runway Capacity ........................................................................................................................... 4
2.2 Airspace Capacity .......................................................................................................................... 5
2.2.1 Controller Workload ................................................................................................................ 6
2.2.2 Controller Positions ................................................................................................................. 8
3. ATC Simulations and Techniques ..................................................................................................... 10
3.1 ATC Simulations .......................................................................................................................... 10
3.1.1 Fast Time Simulations ........................................................................................................... 10
3.1.2 Real Time Simulations .......................................................................................................... 11
3.2 Capacity Estimation: CAPAN Method .......................................................................................... 11
4. RAMS Plus ........................................................................................................................................ 14
4.1 Airspace Sectors .......................................................................................................................... 14
4.2 Aircraft Performance .................................................................................................................... 15
4.3 Flights........................................................................................................................................... 15
4.4 Airports and Runways .................................................................................................................. 16
4.5 Routes and Holdstacks ................................................................................................................ 17
iv
4.6 Controllers .................................................................................................................................... 18
4.6.1 Controller Windows ............................................................................................................... 18
4.7 Conflict Detection and Resolution ................................................................................................ 19
4.8 Tasks and Workload .................................................................................................................... 21
4.9 Stochastic Variations ................................................................................................................... 22
4.10 ATM Analyser ............................................................................................................................ 22
5. Lisbon’s Airport and Airspace ............................................................................................................ 23
5.1 Runways ...................................................................................................................................... 23
5.1.1 Runway Usage ...................................................................................................................... 23
5.1.2 Runway Occupancy Times ................................................................................................... 24
5.2 Airspace ....................................................................................................................................... 25
5.2.1 Sectors .................................................................................................................................. 26
5.2.2 Military areas ......................................................................................................................... 26
5.2.3 Routes ................................................................................................................................... 27
5.2.4 Separations ........................................................................................................................... 28
5.3 Traffic ........................................................................................................................................... 29
6. Simulations ........................................................................................................................................ 31
6.1 Reference Scenario RWY 03 ....................................................................................................... 32
6.1.1 Overview ............................................................................................................................... 32
6.1.2 Airspace ................................................................................................................................ 32
6.1.3 Routes ................................................................................................................................... 32
6.1.4 Runways, Taxiways and Gates ............................................................................................. 33
6.1.5 Traffic .................................................................................................................................... 33
6.1.6 Conflict Resolution Rules ...................................................................................................... 33
6.1.7 Workload ............................................................................................................................... 38
6.1.8 Simulation Procedures .......................................................................................................... 39
6.1.9 Results .................................................................................................................................. 39
6.2 LPPT_03_B .................................................................................................................................. 42
6.2.1 Overview ............................................................................................................................... 42
6.2.2 Results .................................................................................................................................. 43
6.3 LPPT_03_C ................................................................................................................................. 44
v
6.3.1 Overview ............................................................................................................................... 44
6.3.2 Results .................................................................................................................................. 44
6.4 LPPT_03_D ................................................................................................................................. 47
6.4.1 Overview ............................................................................................................................... 47
6.4.2 Results .................................................................................................................................. 47
6.5 LPPT_03_E .................................................................................................................................. 50
6.5.1 Overview ............................................................................................................................... 50
6.5.2 Results .................................................................................................................................. 51
6.6 LPPT_03_F .................................................................................................................................. 52
6.6.1 Overview ............................................................................................................................... 52
6.6.2 Results .................................................................................................................................. 53
6.7 Reference Scenario RWY 21 ....................................................................................................... 56
6.7.1 Overview ............................................................................................................................... 56
6.7.2 Results .................................................................................................................................. 57
6.8 LPPT_21_B .................................................................................................................................. 60
6.8.1 Overview ............................................................................................................................... 60
6.8.2 Results .................................................................................................................................. 61
6.9 LPPT_21_C ................................................................................................................................. 62
6.9.1 Overview ............................................................................................................................... 62
6.9.2 Results .................................................................................................................................. 63
6.10 LPPT_21_D ............................................................................................................................... 65
6.10.1 Overview ............................................................................................................................. 65
6.10.2 Results ................................................................................................................................ 65
6.11 LPPT_21_E ................................................................................................................................ 67
6.11.1 Overview ................................................................................................................................. 67
6.11.2 Results ................................................................................................................................ 68
6.12 LPPT_21_F ................................................................................................................................ 68
6.12.1 Overview ............................................................................................................................. 68
6.12.1 Results ................................................................................................................................ 68
7. Discussion ......................................................................................................................................... 72
7.1 Scenarios operating with RWY 03 ............................................................................................... 72
vi
7.2 Scenarios operating with RWY 21 ............................................................................................... 74
7.3 Workload ...................................................................................................................................... 75
8. Design Proposal ................................................................................................................................ 76
8.1 Description ................................................................................................................................... 76
8.2 Improvements .............................................................................................................................. 77
9. Conclusions ....................................................................................................................................... 80
References ............................................................................................................................................ 81
Appendix A – Conflict Resolution Flowchart ......................................................................................... 86
Appendix B – Task List .......................................................................................................................... 87

vii
List of Figures

Figure 1: First Control Tower (Croydon, early 1920s) [8] ........................................................................ 1
Figure 2: Transport Capacities [16] ......................................................................................................... 6
Figure 3: ATCo System [25] .................................................................................................................... 7
Figure 4: Controller Workload [24] .......................................................................................................... 7
Figure 5: Example of ATM Validation Process [28] ............................................................................... 10
Figure 6: Typical output data from RAMS ............................................................................................. 13
Figure 7: CAPAN Regression Analysis ................................................................................................. 13
Figure 8: Sector construction................................................................................................................. 15
Figure 9: Flight Profile ........................................................................................................................... 16
Figure 10: Example of RAMS Airport scheme [42] ............................................................................... 17
Figure 11: SIDs (red), STARs (blue) and holdstacks (black) ................................................................ 18
Figure 12: Controller Windows working scheme [32] ............................................................................ 19
Figure 13: Conflict Detection Models [32] ............................................................................................. 19
Figure 14: Shape overlapping (no conflict) [32] .................................................................................... 20
Figure 15: Shape overlapping (conflict not detected) [10] ..................................................................... 20
Figure 16: Shape overlapping (conflict detected) [10] ........................................................................... 20
Figure 17: Lisbon Runways [48] ............................................................................................................ 23
Figure 18: Runway Usage ..................................................................................................................... 24
Figure 19: Lisboa TMA .......................................................................................................................... 25
Figure 20: Lisboa TMA sectorization ..................................................................................................... 26
Figure 21: Most significant military areas around Lisbon ...................................................................... 27
Figure 22: RWYs 03 / 35 SIDs (red) and STARs (blue) ........................................................................ 28
Figure 23: RWY 21 SIDs (red) and STARs (blue) ................................................................................. 28
Figure 24: Traffic in Lisbon by trimester (year 2013) ............................................................................ 29
Figure 25: Movements of July 2013 ...................................................................................................... 29
Figure 26: Entry and exit points - 1st of July (RWY 03) ........................................................................ 30
Figure 27: Entry and exit points - 12th of July (RWY 21) ...................................................................... 30
Figure 28: Sectorization of reference scenario RWY 03 ....................................................................... 32
Figure 29: SIDs and STARs of reference scenario RWY03 .................................................................. 32
Figure 30: Ground representation ......................................................................................................... 33
Figure 31: Detail of the STAR chart [47] ............................................................................................... 34
Figure 32: Short downind RWY 03 [58] ................................................................................................. 35
Figure 33: Extended downwind RWY 03 [58]........................................................................................ 35
Figure 34: Simulation detail - base turns ............................................................................................... 35
Figure 35: Short approach from west [58] ............................................................................................. 35
Figure 36: Long approach from west [58] .............................................................................................. 35
Figure 37: Short approach from east [58] .............................................................................................. 36
viii
Figure 38: Long approach from east [58] .............................................................................................. 36
Figure 39: Simulation detail - ADSAD and EKMAR sequencing ........................................................... 36
Figure 40: South approach direct to final [58] ....................................................................................... 36
Figure 41: South approach via EKMAR [58] ......................................................................................... 36
Figure 42: Simulation detail - Approach routes from south ................................................................... 37
Figure 43: STARs of reference scenario RWY 03 ................................................................................ 38
Figure 44: Graphic of key indicators – Lisboa APP - Reference Scenario RWY 03 ............................. 39
Figure 45: Regression analysis - Lisboa APP - Reference Scenario RWY 03 ..................................... 40
Figure 46: Graphic of key indicators - Lisboa TMA - Reference Scenario RWY 03 ............................. 40
Figure 47: Graphic of RWY movements - Reference Scenario RWY 03 .............................................. 41
Figure 48: Four sectors scenario - Sector's vertical profile ................................................................... 42
Figure 49: Graphic of key indicators – Lisboa APP 1 - Four Sector Scenario RWY 03 ........................ 43
Figure 50: Regression analysis - Lisboa APP 1 – Four Sectors Scenario RWY 03 ............................. 43
Figure 51: Graphic of key indicators - Lisboa APP 2 - Four Sector Scenario RWY 03......................... 44
Figure 52: Graphic of key indicators - Lisboa TMA lower - Four Sector Scenario RWY 03 ................. 44
Figure 53: Graphic of key indicators - Lisboa TMA upper - Four Sector Scenario RWY 03 ................. 44
Figure 54: Graphic of RWY movements – Four Sector Scenario RWY 03 ........................................... 44
Figure 55: Graphic of key indicators – Lisboa APP – Scenario with UMUPI holdstack RWY 03 ......... 45
Figure 56: Regression analysis - Lisboa APP – Scenario with UMUPI holdstack RWY 03 .................. 45
Figure 57: Graphic of key indicators – Lisboa APP – Scenario with UMUPI holdstack RWY 03 ......... 46
Figure 58: Graphic of RWY movements – Scenario with UMUPI holdstack RWY 03 .......................... 46
Figure 59: Graphic of key indicators – Lisboa APP –Reduced RWY occupancy time RWY 03 ........... 48
Figure 60: Regression analysis - Lisboa APP – Reduced RWY occupancy time RWY 03 .................. 48
Figure 61: Graphic of key indicators – Lisboa TMA –Reduced RWY occupancy time RWY 03 ........... 49
Figure 62: Graphic of RWY movements – Reduced RWY occupancy times RWY 03 ......................... 49
Figure 63: Minimum separation between departing aircraft (45 degrees divergence) [52] ................... 50
Figure 64: Minimum separation between departing aircraft (same track) [52] ...................................... 50
Figure 65: LPPT_03_E - New SIDs ....................................................................................................... 51
Figure 66: Detail of military areas .......................................................................................................... 51
Figure 67: Graphic of key indicators – Lisboa APP – New SIDs RWY 03 ............................................ 51
Figure 68: Regression analysis - Lisboa APP – New SIDs RWY 03 .................................................... 52
Figure 69: Lisboa APP North and South ............................................................................................... 53
Figure 70: Graphic of key indicators – Lisboa APP North – New APP sectors RWY 03 ...................... 54
Figure 71: Graphic of key indicators – Lisboa APP South – New APP sectors RWY 03...................... 54
Figure 72: Graphic of key indicators – Lisboa TMA – New APP sectors RWY 03 ................................ 55
Figure 73: Regression analysis – Lisboa TMA – New APP sectors RWY 03 ....................................... 55
Figure 74: Graphic of RWY movements – New APP sectors RWY 03 ................................................. 56
Figure 75: SIDs and STARs RWY 21 .................................................................................................... 57
Figure 76: Alternate STARs RWY 21 .................................................................................................... 57
Figure 77: Graphic of key indicators – Lisboa APP– Reference scenario RWY 21 .............................. 58
ix