Post on 11-Aug-2019
transcript
Luftfahrt / Aviation
19/09/08, Holger Flühr
Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration in der Luft- und
Raumfahrt zur Unterstützung anspruchsvoller Missionen
FH-Prof. Dr. Holger FlührAvionics & ATC Technology
Luftfahrt / AviationFH JOANNEUM Graz
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -1-
Inhalt
Von den Basisinstrumenten zum“Multi Functional Display” (MFD)
Die Instrumente immer im Auge: “Head Up-Display” (HUD)
Navigation beim Wiedereintritt: “Horizontal Situation Indicator”(HSI) und Landehilfen
Datenkommunikation an Bord des Shuttles: Datenbusse und Systemintegration
Simulation: Final Approach einesShuttles auf Runway 33 des Kennedy Space Centers
Blick in das Cockpit des Space Shuttles Atlantis(© NASA)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -3-
Von den Basisinstrumenten zum“Multi Functional Display” (MFD)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -4-
Von den Basisinstrumenten zum “Multi Functional Display” (MFD)
Basis-Instrumente:FahrtmesserHöhenmesserKurskreiselKünstlicher Horizont
Standardisierte Anordnung: T-Form (“Instrumenten-T”)
Ursprümgliche Ausführung:“Uhren”-Stil
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -5-
Basisinstrumente: Fahrtmesser
Indicated Airspeed (IAS)
↓ Korrektur der Luftdichte
Calibrated Airspeed (CAS)
↓ Korrektur des Einbaus
True Airspeed (TAS)
↓ Windkorrektur
Ground Speed (GS)
(Orbital Speed, OS)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -6-
Basisinstrumente: Höhenmesser
Druckmessung:Messung des atmosphärischenDrucksReferenzierung auf Airport-Luftdruck (QNH)
Laufzeitmessung:RADAR-PrinzipElektromagnetischer Puls wirdausgesendetAus Laufzeit folgt Höhe
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -7-
Sensorik (Pitot-Static-System)
( )ρ
statischges
statischgesMess
ppv
ppp
−=
−=
22
pstatisch
pstatisch
v, ρ
Strömung pges
pStau+
pstatisch
(v = 0)
Fahrtmesser Höhenmesser
Variometer (Höhenänderung)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -8-
Basisinstrumente: künstlicher Horizont
Freiheitsgrade des Flugobjekts:3x translatorisch (λ, ϕ, h)3x rotatorisch (φ, θ, ψ)
Anzeige als Ebene:Drehung um die Längsachse(Bank Angle φ)Drehung um die Querachse(Pitch Angle θ)
Lageinformation aus derTrägheitsplattform (IMU)
φθ
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -9-
Basisinstrumente: künstlicher Horizont
xi
xe
ye
zezi
Ω
yi
ϕλ
xn
yn
zn
xb
yb
zbh
xb
xn
zn
ynx’
y’θ
θ
ψ ψ
z’
yb
zb
φ
φRotationsellipsoid(Modell der Erde)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -10-
Basisinstrumente: Kurskreisel
Kurskreisel liefert Kursinformation
Drehung um die Hochachse (Yaw Angle ψ)Ergänzt somit den künstlichenHorizontStabilere Anzeige alsMagnetkompaß
Lageinformation aus derTrägheitsplattform (IMU)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -11-
Sensorik (Trägheitsplattform, IMU)
Grundidee:Messung der Beschleunigung a
Kardanische (stabilisierte) Plattform:
Messung der Drehrate ω
Strapdown-Plattform:
00
00
)()(
)()(
xdvtx
vdatv
t
t
+=
+=
∫
∫
ττ
ττ 00
)()( ωττωα += ∫t
dt
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -12-
Sensorik (Trägheitsplattform)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -13-
Integrierte Darstellung am MFD
Fahrtmesser
Beschleunigung(horizontal)
Beschleunigung(vertikal)
Höhenmesser
Variometer
Kurskreisel Künstlicher Horizont
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -15-
Die Instrumente immer im Auge: “Head Up-Display” (HUD)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -16-
Motivation für HUDs
Mensch-Maschine-Interaktion:
Pilot hat gleichzeitig im Blickfeld:AußensichtEssentielle Flugdaten
Keine Ablenkung bedingt durchBlickrichtungswechselKonzentration auf Flugführung
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -17-
Aufbau eines Head Up-Display
Außensicht
Daten
Spiegel
Projektor
Symbol-generator
Kollimator-Linse
Beobachter
Combiner
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -18-
Sicht mit dem Head Up-Display
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -20-
Navigation beim Wiedereintritt: “Horizontal Situation Indicator” (HSI) und
Landehilfen
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -21-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Gleitpfad
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -22-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -23-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Anflugbefeuerungssystem (ALS):Laterale Richtungs- (Kurs-) information
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -24-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Aufbau eines Visual Approach SlopeIndicator Systems (VASIS)
Betonsockel
weißes Licht
rotes Licht
Linse Filter Halogenlampe
Erzeugung der optischen Gleitweginformation(hier: 2-Bar-VASIS)
III
III
A/BI weiß/weißII rot/weißIII rot/rot
AB
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -25-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Anflugwinkelbefeuerungssystem (VASIS):Vertikale Richtungsinformation (Gleitpfad)
IIIIII
ABA/B
I weiß/weißII rot/weißIII rot/rot
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -26-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Unter dem Gleitpfad(Bereich III)
III
IIIAB
A/BI weiß/weißII rot/weißIII rot/rot
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -27-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
Über dem Gleitpfad(Bereich I)
IIIIII
ABA/B
I weiß/weißII rot/weißIII rot/rot
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -28-
Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung
HSI
?
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -29-
Instrumentenlandesystem
GleitpfadCodierung der Quadranten:- links/oben: 90 Hz („gelb“)- rechts/unten: 150 Hz („blau“)
Landekurs: LocalizerAnflugwinkel/Gleitweg: Glide Slope
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -30-
Instrumentenlandesystem
Funkübertragung
Funkübertragung
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -31-
Instrumentenlandesystem
Ω==
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+Δ
=
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
++Δ
=
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
+Δ
=
−
−
−
πεμ
λπ
λπ
ϑλ
λπ
λπ
ϑλ
λπ
ϑλ
λπ
λπ
ϑ
λπ
ϕ
120
21
21cos2
2
21
211sin
2
211sin
2
0
00
2
2
0
2
2
0
2
Z
rjrj
er
lIZjE
rjrj
er
lIZjE
rje
rlIjH
rj
r
rj
rj
Hertz‘scher Dipol mit FeldkomponentenϑE
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -32-
Instrumentenlandesystem
Funkübertragung:90/150 Hz (li/re)
Funkübertragung:90/150 Hz (o/u)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -33-
Instrumentenlandesystem
Landekurs:Zwei teilweise überlappende Antennenkeulen tragen die links/rechts (90/150 Hz) Information
Localizer-Antenne
90 Hz
150 Hz
Landebahn
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -34-
+- +
-
+- -
+
+- -
+
+- +
-
-+ +
-
+- +
-
Instrumentenlandesystem
Strahlformung durch Interferenz von Einzel-Dipolen(Darstellung des Grundprinzips)
ϑE
BetrachteteKonfiguration:
Landebahn
Localizer-Antenne
Localizer-Antenne
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -35-
Instrumentenlandesystem
Landekurs:Zwei teilweise überlappende Antennenkeulen tragen die links/rechts (90/150 Hz) Informationdas Verhältnis der empfangenen Signale entspricht der Abweichung vom Kurs
Localizer-Antenne
90 Hz
150 Hz
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -36-
“Horizontal Situation Indicator” (HSI)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -37-
Inhalt
System-integration
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -38-
Datenkommunikation an Bord des Shuttles: Datenbusse und
Systemintegration
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -39-
Netzwerk-Grundlagen
Ursprüngliche Aufgabe der Systemverdrahtung:Verbindung von Bedienelementen mit Avionik-AusrüstungBeispiel: HF COM-Empfänger
2
5
0
7
21
6
34
5
98
0
7
213
x 10 MHz
x 1 MHz
x 10 kHz
27 + 1 Leitungen
~~~~~~~~~ Demod~~~~~~~~~
~fLO
21
6
34
5
98
0
7
x 0.1 MHz
10 – 39 MHz ; Δ = 0,025 kHz
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -40-
Netzwerk-Grundlagen
Binäre Codierung im Schalter:Jede Dezimalzahl wird durch eine Binärzahl ausgedrückt
2
5
0
7
21
6
34
5
98
0
7
213
x 10 MHz
x 1 MHz
x 10 kHz
12 + 1 Leitungen
~~~~~~~~~ Demod~~~~~~~~~
~fLO
21
6
34
5
98
0
7
x 0.1 MHz
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -41-
Netzwerk-Grundlagen
Binäre Codierung im Schalter:Zusammenfassen von jeweils zwei Schaltern und Darstellung durch binäre Codierung
2
5
0
7
21
6
34
5
98
0
7
213
x 10 MHz
x 1 MHz
x 10 kHz
11 + 1 Leitungen
~~~~~~~~~ Demod~~~~~~~~~
~fLO
21
6
34
5
98
0
7
x 0.1 MHz
10 – 39 MHz ; Δ = 1 MHz
0.025 – 0.975 MHz; Δ = 0.025 MHz
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -42-
Netzwerk-Grundlagen
Paralleles Multiplexing:Zusammenfassen von allen Schaltern und Darstellung durch binäre Codierung
2
5
0
7
21
6
34
5
98
0
7
213
x 10 MHz
x 1 MHz
x 10 kHz
10 + 1 Leitungen
~~~~~~~~~ Demod~~~~~~~~~
~fLO
21
6
34
5
98
0
7
x 0.1 MHz
760 Kanäle
LSB
MSB
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -43-
Netzwerk-Grundlagen
Serielles Multiplexing:Übertragung der Binärdarstellung auf nur einer LeitungVorteil: Veringerung des Gewichtes, Kostenersparnis
2
5
0
7
21
6
34
5
98
0
7
213
x 10 MHz
x 1 MHz
x 10 kHz
1 + 1 Leitungen
~~~~~~~~~ Demod~~~~~~~~~
~fLO
21
6
34
5
98
0
7
x 0.1 MHz
LSBMSB
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -44-
Bus-Architekuren
Unidirektional
Bidirektional
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -45-
Systemintegration: Redundanzkonzepte
N-fach-Rechner
A
B
C
D
Duo-Duplex-Rechner
Hersteller AProzessor A
Hersteller BProzessor B
Software ISoftware II
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -46-
Systemintegration: Zuverlässigkeit
Einige Zuverlässigkeitsparameter:
MTBF (vereinfachte Berechnung)
Failure rate λ
Failures in Time FIT
∑==
nnFIT
MTBF 11λ
⎪⎩
⎪⎨
⎧−≈=
circuitLSIdiodeSi
resistor
hrsfailuresofFIT
;200;3
;5,1;
10#
9
MTTROperationelle Systeme:MTTR = Zeit zur Reparatur defekter Module
Schätzwerte
Availability (0-100%)
Downtime DT
MDTMTBMMTBM
MTTRMTBFMTBFA
+=
+=
operationalinherent
∑==n
nFITMTBF
1λ
timeADT /=
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -47-
Systemintegration: Redundanzkonzepte
Verfügbarkeit eines Systems:
System A System B
System A
System B
Systeme in Serie
Systeme parallel
BSystemASystemges AAA ⋅=
( )( )[ ]BSystemASystemges
BSystemASystemBSystemASystemges
AAA
AAAAA
−−−=
⋅−+=
111
(bei 1-aus-2-Redundanz)
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -48-
Komplexität der Shuttle-Avionik
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -49-
Komplexität der Shuttle-Avionik
Quelle: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504, 1989.
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -50-
Inhalt
G e s a m t s y s t e m
Flühr: Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration
Luftfahrt / Aviation
19/09/08 -51-
Simulation: Final Approach einesShuttles auf Runway 33 des Kennedy
Space Centers