Elektronisches Fluginstrumentensystem
Ein elektronisches Fluginstrumentensystem (englisch: electronic flight instrument system, EFIS) ist Instrumenten-Anzeigesystem im Cockpit mit elektronischer Anzeigetechnologie. EFIS besteht normalerweise aus einem primären Flugdisplay (primary flight display, PFD), einem Multifunktionsdisplay (multi-functional display, MFD) und einem Warnsystem mit Triebwerkanzeige (engine indication and crew alerting system, EICAS).
Die Anzahl der EFIS-Geräte an Bord kann stark variieren. Ein Leichtflugzeug kann nur mit einem Anzeigegerät ausgestattet sein, das Flug- und Navigationsdaten überträgt. Ein Großraumflugzeug kann, dagegen, sechs und mehr Geräte haben.
Anzeigegeräte
Primary flight display
Das primäre Flugdisplay ersetzt den künstlichen Horizont. PFD zeigt alle flugrelevanten Informationen an, darunter eingestellte Fluggeschwindigkeit, Flughöhe, Richtung, Fluglage, vertikale Geschwindigkeit und Gieren. Das PFD wurde entwickelt, um das Situationsbewusstsein des Piloten zu verbessern, indem diese Informationen in einer Anzeige integriert werden, anstatt von sechs verschiedenen analogen Instrumenten. Auf diese Weise wird die Zeit gespart, die zum Beobachten dieser Instrumente benötigt wurde. Das Situationsbewusstsein wird auch durch Warnungen über ungewöhnliche oder potenziell gefährliche Bedingungen verbessert, zum Beispiel zu niedrige Fluggeschwindigkeit, zu hohe Sinkgeschwindigkeit. Es erfolgt eine visuelle Warnung, indem sich die Form oder Farbe der Anzeigeelemente ändert, oder durch akustische Alarmtöne.
Je nach Hersteller kann das System auch Electronic Attitude Director Indicator oder Electronic Horizontal Situation Indicator heißen. Der simulierte künstliche Horizont ist jedoch lediglich das Herzstück des Systems.
Ein Multifunktions-Display kann weitere Navigationsanzeigen überflüssig machen. Eine weitere Option wäre einen großen Bildschirm mit PFD und Navigations-Display zu verwenden.
Das PFD und das Navigations-Display sind oft physikalisch identisch. Die angezeigte Information wird oft durch die Systemschnittstellen bestimmt, wo die Anzeigegeräte montiert sind.
Multi-function display
Das Multifunktions-Display zeigt Navigations- und Wetterinformationen, die aus verschiedenen Systemen stammen. MFD’s werden meist auch so konzipiert, dass verschiedene Informationen mit einer Karte oder Grafik im Hintergrund dargestellt werden können, zum Beispiel der aktuelle Routenplan, Wetterdaten entweder vom Bordradar, Blitzerkennungssensor oder bodengestützten Sensoren, gesperrte Luftraumbereiche und Flugverkehr. Das MFD kann auch Informationen über Flugzeugsysteme darstellen, zum Beispiel Treibstoff und elektrische Anlagen.
Ähnlich wie beim PFD kann das MFD die Farben und ggf. die Form der Daten ändern, um die Crew auf eine potenziell gefährliche Situation aufmerksam zu machen.
EICAS
EICAS stellt Informationen über Flugzeugsysteme dar, darunter den Treibstoff, Elektro- und Antriebssysteme.
EICAS trägt zum Situationsbewusstsein der Crew bei, indem komplexe Informationen grafisch dargestellt werden und die Crew bei ungewöhnlichen oder gefährlichen Situationen alarmiert wird. Zum Beispiel, wenn der Öldruck in den Triebwerken abfällt, löst EICAS ein Alarmsignal aus, wechselt zum Display mit Treibstoffinformationen und umrahmt die Öldruckdaten mit roter Farbe.
Im Vergleich zu herkömmlichen Rundinstrumenten können bei EICAS verschiedene Alarmstufen eingestellt werden. Bei der Installation muss darauf geachtet werden, dass die Crew immer die wichtigsten Informationen bekommt, ohne mit Warnungen oder Alarmen überlastet zu werden.
Bedienfelder
Die Systeme sind mit Bedienfeldern ausgestattet, über welche Piloten den Anzeigebereich und Modus auswählen (zum Beispiel Karte oder Kompass) und weitere Daten eingeben können.
Während Eingaben durch den Piloten von anderen Geräten verwendet werden, übertragen Datenbusse die Auswahl, sodass der Piloten die Auswahl nur einmal eingeben muss. Zum Beispiel, der Pilot wählt in einem Steuerungsgerät eine gewünschte Starthöhe. Das EFIS wiederholt die gewählte Höhe und generiert eine Höhenfehleranzeige durch den Vergleich mit der tatsächlichen Höhe. Dieselbe Höhenauswahl wird vom automatischen Flugsteuerungssystem und vom Warnsystem verwendet.
Datenprozessor
Die visuelle EFIS-Anzeige wird vom Symbolgenerator erzeugt. Dieser empfängt Dateneingaben sowie eine EFIS-Formatauswahl vom Piloten und Signale von Sensoren. Andere Bezeichnungen dieses Generators sind display processing computer, display electronics unit und andere.
Darüber hinaus hat ein Symbolgenerator auch eine Überwachungsfunktion, einen Grafikgenerator und einen Anzeigetreiber. Eingaben von Sensoren und Steuerungen werden über Datenbusse übertragen und auf Gültigkeit geprüft. Die erforderlichen Berechnungen werden durchgeführt und der Grafikgenerator produziert zusammen mit dem Displaytreiber Eingangssignale für Anzeigegeräte.
Überwachung
Fluginstrumentensysteme müssen einen Selbsttest beim Einschalten durchführen und ihre eigene Leistung stets überwachen. Darüber hinaus benötigen EFIS zusätzliche Überwachungsfunktionen:
- Eingabeüberprüfung – jeder Sensor muss gültige Daten liefern.
- Datenvergleich – Gegenprobe der Daten von duplizierten Sensoren.
- Display-Überwachung – das Erkennen von Störungen im Instrumentensystem.
Traditionelle (elektromechanische) Anzeigegeräte waren mit einem synchronischen Mechanismus ausgestattet. Mit diesem Mechanismus wurden Daten wie Roll- und Nicklage sowie Richtung, die dem Piloten und Co-Piloten anzeigt werden, an eine weitere Anlage übertragen, wo verglichen wird, ob die Anzeigen der beiden Piloten sich erheblich unterscheiden.
EFIS-Systeme vereinfachen diese Vorgänge. EFIS vergleicht diese Daten direkt von Sensoren und generiert eine Warnung, wenn sie nicht übereinstimmen. Vergleichsmonitoren erzeugen Warnungen für Fluggeschwindigkeit, Nick-, Roll- und Höhenangaben. Je weiter fortgeschritten das EFIS-System ist, umso mehr Vergleichsmonitoren werden eingesetzt.
Ein EFIS-Display ermöglicht keine einfache Wiederübertragung von dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird. Ein neuer Ansatz ist erforderlich, der dieselbe Sicherheit bietet, wie traditionelle Systeme. Eine Lösung ist es, die Anzeigeeinheiten so einfach wie möglich zu halten, sodass sie selbst nicht in der Lage wären, Fehler zu produzieren. Entweder funktioniert das Display oder nicht und ein Ausfall ist immer offensichtlich. Die Überwachungsfunktion kann auf den Ausgang des Symbolgenerators verschoben werden.
Mit dieser Technik enthält jeder Symbolgenerator zwei Überwachungskanäle. Ein Kanal fängt das Ausgangssignal von seinem eigenen Symbolgenerator zum Display ab und berechnet, welche Rolllage dieses Signal produzieren sollte. Diese berechnete Rolllage wird dann mit den Eingängen im Symbolgenerator anderer Systeme verglichen. Jeder Unterschied wird wahrscheinlich durch fehlerhafte Verarbeitung entstanden sein und löst eine Warnung auf der entsprechenden Anzeige aus.
Der externe Symbolgenerator führt dieselben Berechnungen auf der anderen Seite des Cockpits durch. Der Symbolgenerator des Flugkapitäns überprüft den des Co-Piloten und umgekehrt. Derjenige Symbolgenerator, der einen Fehler entdeckt, erstellt eine Warnung auf dem eigenen Bildschirm.
Der externe Überwachungskanal überprüft auch Signale von Sensoren auf Angemessenheit. Jede Fehleingabe generiert eine Warnung.
Menschliche Faktoren
Unordnung
In verschiedenen Phasen des Fluges verwendet der Pilot verschiedene Datenkombinationen. Idealerweise sollten nur die verwendeten Daten angezeigt werden, aber auch ein elektromechanisches Gerät soll die ganze Zeit sichtbar bleiben. Zur besseren Übersichtlichkeit der Anzeige werden überflüssige Angaben vorübergehend entfernt, solange sie nicht benötigt werden.
Mit EFIS müssen einige Daten (zum Beispiel Triebwerkvibration) unter normalen Umständen nicht angezeigt werden. Erst wenn Grenzwerte überschritten werden, werden auch die Messungen übertragen. Auf eine ähnliche Art ist EFIS programmiert, die Gleitpfadskala und den Zeiger nur während eines ILS-Anfluges zu zeigen.
Farben
Obwohl verschiedene Farben auch in herkömmlichen Instrumentensystemen verwendet wurden, hatten sie keine andere Funktion, als die Identifizierung der Daten zu unterstützen. Es gab keine Möglichkeit, die Farbe einer Anzeigekomponente zu verändern.
Diese Einschränkungen wurden mit EFIS aufgehoben. Zum Beispiel, wenn das Flugzeug sich dem Gleitpfad nähert, kann dessen Farbe sich von blau zu grün ändern.
In einem typischen EFIS-System sind Navigationszeiger farbcodiert, um die Art der Navigation zu unterscheiden. Grüne Zeiger erscheinen bei bodengestützter Navigation wie Drehfunkfeuer und Instrumentenlandesystem. Zeiger für GPS-Navigation haben die Farbe Magenta.
Vorteile
EFIS bietet Vielseitigkeit durch Aufhebung von physikalischen Beschränkungen einiger traditionellen Instrumente. Somit kann dieselbe Anzeige, die auf Kursabweichungen hinweist, so gewechselt werden, dass nun die geplante Strecke angezeigt wird. Wenn gewünscht, kann dann das Wetterradarbild für die Route auf demselben Bild dargestellt werden.
Die Flexibilität, die durch Software-Änderungen gewährt wird, minimiert die Kosten, wenn neue Flugzeugausrüstung und neue Regelungen eingeführt werden. Das EFIS-System mit neuer Software aktualisiert werden, um ihre Funktionen zu erweitern. Aktualisierungen, die in den 90ern eingeführt wurden, beinhalteten, zum Beispiel, Bodenannäherungs-Warnsystem und Kollisions-Vermeidungssystem.
Ein gewisses Maß an Redundanz ist auch mit der Installation des einfachen Zwei-Bildschirm-EFIS geboten. Sollte das PFD ausfallen, repositioniert Übertragungsschalt seine lebenswichtigen Informationen auf den Bildschirm, der normalerweise durch die Navigationsanzeige besetzt ist.
Fortschritt
In den späten 80ern wurde EFIS zum Standard in vielen Boeing- und Airbus-Flugzeugen, sodass auch viele Business-Jets eine EFIS-Ausstattung erhielten.
Jüngste Fortschritte in der Rechenleistung und Kostensenkung von LCD-Anzeigen und Navigationssensoren haben EFIS in Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt gebracht.
Mehrere EFIS-Hersteller haben sich auf den Testflugzeug-Markt konzentriert und produzieren EFIS-Systeme für weniger als 1.000 US-Dollar. Dieser geringe Preis ist aus verschiedenen Gründen möglich. Zum einen sind die Preise für Komponenten und Einzelbauteile gering, zum anderen fehlt es an den Zulassungsanforderungen für die Geräte. Der letztere Punkt beschränkt die Verwendung der unlizenzierten EFIS-Systeme auf experimentelle Flugzeuge. Ferner können die Systeme auch in Sportflugzeugen vorgefunden werden. Diese Systeme können jedoch auch in zertifizierten Flugzeugen als Sekundär- oder Back-up-Systeme installiert werden, sofern das von lokalen Luftfahrtbehörden zugelassen wird.