Staffelung

Staffelung ist ein Konzept, bei dem Flugzeuge um einen Mindestabstand voneinander getrennt werden, um Kollisionen und Wirbelschleppen zu vermeiden.

Fluglotsen wenden Regeln an, welche Mindeststaffelung genannt werden. Ein Flugzeugpaar, auf welches diese Regeln erfolgreich angewandt wurden, nennt man gestaffelt, das Risiko des Zusammenstoßes dieser Flugzeuge ist daher gering. Wenn die Staffelung zwischen zwei Luftfahrzeugen verloren geht, stehen sie in Konflikt.

Wenn ein Flugzeug hinter einem anderen herfliegt, werden sie so gestaffelt, dass das hintere Flugzeug den Flügelspitzenturbulenzen des Vorderen ausweichen kann. Flügelspitzenturbulenzen sind Luftwirbeln, die an den Spitzen der Tragflächen wegen des unterschiedlichen Luftdruckes entstehen und bei sehr großen Flugzeugen sich noch kilometerweit erstrecken können. Der minimale Abstand hängt demzufolge von der Größe der Luftfahrzeuge ab. Das Problem ist besonders beim Endanflug eines kleinen Luftfahrzeuges gefolgt von einem Großen gegenwärtig.

Anwendung

Die Annahme, dass Flugverkehrskontrolle alle Flugzeuge staffelt, ist ein weit verbreiterter Irrtum. Ob ein Flugzeug tatsächlich die Staffelung durch die Flugverkehrskontrolle braucht, hängt von der Luftraumklasse, dem jeweiligen Staat und den Flugregeln ab. Es gibt drei Arten der Flugregeln:

Instrumentenflugregeln (IFR)
Sichtflugregeln (englisch: visual flight rules, VFR)
Sonder-Sichtflugregeln (SVFR)

Flugzeuge der kommerziellen Luftfahrt fliegen fast ausschließlich unter den Instrumentenflugregeln, da diese einen Flug in den Regionen mit schlechter Sicht erlauben. Eine große Menge an Privatflügen, hingegen, wird unter den VFR durchgeführt, da der Pilot dafür weniger Ausbildungsaufwand betreiben muss. SVFR werden nur unregelmäßig angewandt und zu Zwecken der Staffelung werden SVFR wie IFR behandelt.

Es gibt sieben Luftraumklassen – A bis G. A ist die Luftraumklasse mit der meisten Aufsicht durch Flugverkehrskontrolle, G mit der wenigsten. Klassen A bis E nennt man kontrollierte Luftraumklassen, G ist unkontrolliert. In den dazwischenliegenden Klassen kommt es auf die Flugregeln an, ob Luftfahrzeuge gestaffelt werden müssen, oder nicht. In den Klassen A und B müssen alle Flugzeuge gegenseitig gestaffelt werden. Zum Beispiel, im Luftraum D werden IFR-Flüge gegeneinander gestaffelt, aber nicht relativ zu den VFR-Flügen, auch werden VFR-Flüge voneinander getrennt.

Vertikale Staffelung

Bis zu einer Höhe von 8.800 Meter dürfen sich Luftfahrzeuge vertikal nicht näher, als 300 Meter kommen, sofern keine Form der horizontalen Staffelung vorhanden ist. Über 8.800 beträgt der minimale Abstand 600 Meter, außer in den Lufträumen, wo Regeln der reduzierten Vertikalstaffelung angewandt werden.

Reduzierte Vertikalstaffelung

Von reduzierter Vertikalstaffelung (englisch: Reduced vertical separation minima, RVSM) spricht man, wenn der Abstand in den Flugflächen zwischen 8.850 Meter und 12.500 Meter von 600 Metern auf 300 reduziert wird. Dies erlaubt es, die Anzahl der durchfliegenden Luftfahrzeuge im gegebenen Luftraumabschnitt zu erhöhen. Zwischen 1997 und 2005 wurden RVSM in ganz Europa, Nordafrika, Südostasien, Nordamerika, Südamerika und im Pazifik implementiert.

Nur Luftfahrzeuge mit speziell zertifizierten Höhenmessern und Autopiloten können im RVSM-Luftraum fliegen, andernfalls muss das Flugzeug höher bzw. niedriger fliegen oder eine Sonderausnahme beantragen. Darüber hinaus müssen Luftfahrzeugbetreiber ( Fluggesellschaften oder Unternehmensbetreiber) eine Genehmigung von Registrierungsstelle des Luftfahrzeuges erhalten. Nicht RVSM-zugelassene Flugzeuge können diesen Luftraum durchfliegen, sofern sie sich in der kontinuierlichen Anstiegsphase befinden und eine Staffelung von 600 Metern zwischen diesem Luftfahrzeug und allen anderen für die ganze Dauer des Anstieges erfolgt.

Horizontalstaffelung

Eine Form der Horizontalstaffelung muss existieren, wenn zwei Luftfahrzeuge um weniger, als den minimalen Vertikalabstand gestaffelt werden.

Prozedurale Staffelung

Prozedurale Staffelung vollzieht sich auf der Basis der Flugzeugposition, die den Radioberichten des Piloten entnommen wird. Daher ist keine Radarverfolgung unbedingt notwendig. Jeder Zeitraum, in dem zwei Luftfahrzeuge nicht vertikal gestaffelt werden, nennt man Flugflächenänderung. In einigen Fällen, prozedurale Mindeststaffelung erfolgt mithilfe eines Radars. Das ist jedoch nicht das Gleiche wie Radarstaffelung, da im ersten Fall das Radar nicht speziell für Staffelungszwecke ausgelegt sein muss.

Seitliche Mindeststaffelung

Für die seitliche Mindeststaffelung wird die Flugzeugposition visuell mittels Koppelnavigation, internen Navigationsquellen oder Funknavigationshilfen („Leuchttürmen“) ermittelt.

Unter Einsatz von Funknavigationshilfen muss das Luftfahrzeug sich auf einer gewissen Entfernung vom Leuchtfeuer befinden und die Wege vom oder zum Leuchtfeuer müssen sich um einen minimalen Winkel unterscheiden. Andere Art der seitlichen Staffelung kann mit vorgegebenen Strecken erfolgen, wie das zum Beispiel im nordatlantischen Streckensystem der Fall ist.

Längsstaffelung

Falls zwei Luftfahrzeuge nicht seitlich gestaffelt werden und auf Strecken fliegen, die 45 Grad (oder umgekehrt) relativ zueinander sind, dann wird angenommen, dass sie dieselbe Strecke verfolgen und längsgestaffelt werden müssen. Diese Form der Staffelung kann basierend auf Zeit oder Entfernung, die von Funkstellen des Navigationsfunkdienstes (DME) gemessen wurden, erfolgen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Luftfahrzeugen auf derselben Strecke darf nicht weniger als 15 Minuten betragen. In den Gegenden mit guter Abdeckung durch Navigationshilfen kann diese Zeit auf 10 Minuten reduziert werden. Der Zeitabstand verringert sich weiterhin, wenn das vordere Flugzeug schneller ist, als das hintere.

Radarstaffelung

Radarstaffelung wird von einem Fluglotsen durchgeführt, indem er beobachtet, dass Radarechos zweier Luftfahrzeuge einen gewissen horizontalen Mindestabstand betragen. Der tatsächliche Abstand kann variieren: 5 Seemeilen (9 km) ist der typische Abstand in den Lufträumen, wo der Reiseflug abläuft, auf unteren Flugflächen sind es 3 Seemeilen. Auf Langstreckenflügen oder in den Regionen mit unzuverlässiger Radarabdeckung können auch 10 Seemeilen erforderlich sein.

Reduzierte Staffelung in Flughafennähe

Flughafenlotsen oder Tower-Lotsen arbeiten in hohen Türmen mit großen Fenstern, damit sie beim guten Wetter die in der Nähe des Flughafens fliegenden Luftfahrzeuge sehen können, sofern diese sich in Sicht des Towers befinden. In der Nähe des Flughafens fliegen Luftfahrzeuge mit einer geringeren Geschwindigkeit. Daher, wenn der Fluglotse beide Flugzeuge sehen kann oder den Berichten entnehmen kann, dass sie sich sehen können, kann er die Standardstaffelung bis zu einem kollisionssicheren Mindestabstand reduzieren.

Konflikte

Ein Konflikt ist eine Situation, in der zwei Flugzeuge den Mindestabstand verlieren. Der Verlust des Mindestabstandes bedeutet nicht sofort, dass ein Kollisionsrisiko besteht. Allerdings trägt die Mindeststaffelung erheblich zur Minimierung dieses Risikos bei und stellt darüber hinaus die zentrale Aufgabe der Fluglotsen dar. Konflikte werden durch Datenassistenten entdeckt und an Fluglotsen weitergeleitet. Datenassistenten können eine Lösung des Konfliktes vorschlagen, aber Fluglotsen sind nicht an den Vorschlag gebunden. Ein Konflikt tritt auf, wenn der Abstand zwischen zwei Luftfahrzeugen horizontal weniger als 5 Seemeilen (9 km) und/oder 1000 Fuß (300 Meter) vertikal beträgt. Diese Abstände definieren den Schutzbereich des Luftfahrzeuges, einen Luftraum um das Flugzeug herum, welcher nicht von anderen Luftfahrzeugen verletzt werden darf.

Auf den ersten Blick kann der horizontale Abstand von 9 Kilometern als sehr hoch erscheinen. Man sollte jedoch bedenken, dass Flugzeuge mit einer extrem hohen Geschwindigkeit fliegen (circa 900 km/h) und nicht immer ein sich annäherndes Flugzeug sehen können. Wenn zwei Luftfahrzeuge mit einer derart hohen Geschwindigkeit aufeinander fliegen, stehen ihnen nur wenige Minuten zur Verfügung, um die Situation zu erkennen und einen Ausweichmanöver durchzuführen. Zusammenstöße zweier Flugzeuge, egal ob in der Luft oder auf dem Boden, sind, jedoch äußerst selten.

Lokaler Konflikt

Von einem lokalen Konflikt spricht man, wenn zwei Luftfahrzeuge einen bestimmten Punkt (in der Regel eine naheliegende Stadt) passieren. Ein Lokalkonflikt tritt auf, wenn mindestens eine der Bedingungen erfüllt ist:

Der Zeitabstand von 4 Minuten und weniger
Der räumliche Abstand von 30 Flugeinheiten und weniger.

Frontalzusammenstoß

Das Risiko eines Frontalzusammenstoßes (englisch: opposite conflict) besteht dann, wenn zwei Flugzeuge aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander fliegen. Ein Fluglotse kann eine solche Konfliktsituation mithilfe von Kontrollstreifen folgenderweise erkennen:

Wenn ein Flugzeug aus der Stadt A in die Stadt B und das andere aus der Stadt B in die Stadt A fliegt,
Wenn der zeitliche Abstand zwischen den beiden Flugzeugen weniger als 4 Minuten oder 30 Flugeinheiten beträgt.

Selbststaffelung

Die Selbststaffelung ist die Fähigkeit eines Luftfahrzeuges ohne Leitung der Flugverkehrskontrolle einen akzeptablen Sicherheitsabstand zu anderen Luftfahrzeugen beizubehalten. In der einfachsten Form kann dieser Prozess als das Konzept des „Sehens und Vermeidens“ beschrieben werden. Das Konzept umfasst folgende Fähigkeiten:

Effektive optische Abtastung
Die Fähigkeit, Informationen aus Funkübertragungen von Bodenstationen und anderen Flugzeugen zu sammeln
Situationsbewusstsein
Gute Pilotenfertigkeiten

Die hohen Geschwindigkeiten moderner Verkehrsflugzeugen stellen die Wirksamkeit des „Sehen und Vermeiden“-Prinzips infrage.
Aufgrund verschiedener Faktoren wie Wetter, Instrumentenflugregel und Luftverkehrskomplexität, umfasst die Fähigkeit zur Selbststaffelung auch andere Aspekte, zum Beispiel Luftverkehrsregeln, Kommunikationstechnologien und Protokolle, Flugverkehrsmanagement und andere.

Kontext und geschichtlicher Hintergrund

Piloten moderner Flugzeuge können sich nicht auf ihr Sehvermögen und Flugfähigkeiten verlassen, um einen sicheren Abstand zu anderen Luftfahrzeugen zu bewahren. Daher wird ein erheblicher Teil der heutigen Flüge unter Instrumentenflugregeln mit Staffelung durch die Flugverkehrskontrolle durchgeführt. Mit dem vermehrten Verkehrsaufkommen Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts werden Kapazitäten der Flugverkehrskontrolle auf Probe gestellt. Luftfahrtforschung versucht betriebliche und technische Verbesserungsmöglichkeiten zu finden, um dieser Belastung gerecht zu werden. Eine dieser Möglichkeit ist Selbststaffelung.

Zum ersten Mal wurde von der Selbststaffelung als ein potenziell umsetzbares Konzept im Rahmen der „Free-Flight-Initiative“ gesprochen. Ihr technologischer Hauptaspekt ist die sogenannte automatische bordabhängige Überwachung (englisch: Automatic Dependent Surveillance – Broadcast). Damit kann das Flugzeug spontan die Berichte über die periodische Position einschließlich absoluter Horizontalposition übertragen. In Bezug auf aktuelle Implementierung des Kollisionswarnsystems (englisch: Traffic Collision Avoidance System - TCAS), das nur zur Abwehr von Zusammenstößen entwickelt wurde, erfordert die Selbststaffelung ein Maß an Verfahrenslogik, Zeitantizipation sowie Verfahrensänderung. Ihre Umsetzbarkeit ist abhängig von dem Vertrauen in die Automatik und der Abstimmung auf die Rolle des Menschen im Cockpit. Zur Beurteilung dieser Beziehung wurden einige Studien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Konzept aus Sicht des Piloten ohne eine unverhältnismäßige Arbeitsbelastung durchaus akzeptabel ist. Weitere Konzepte als Zusammenspiel der Technik an Bord und der Flugverkehrskontrolle wurden erforscht und untersucht und zeigten positive Ergebnisse. Die wichtigsten Probleme, die in Bezug auf Selbststaffelung gelöst werden müssen, sind:

Wie kann das Luftfahrzeug sich vom kontrollierten Luftraum zum Selbststaffelungsluftraum übergehen?
Was ist die richtige Balance zwischen der Berechenbarkeit der Flugbahn und der Flexibilität, mit welcher praktische Wirksamkeit und akzeptable Sicherheit erreicht werden können.

Obwohl diese Themen erforscht wurden und einige Lösungsvorschläge entstanden sind, wurde aufgrund der Komplexität des Problems bis jetzt jedoch keine zufriedenstellende Antwort gefunden.

Siehe auch