Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt oder: Luftfahrttechnologien für die Raumfahrt?

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1 Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt oder: Luftfahrttechnologien für die Raumfahrt? FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation, FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr

2 Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt Übersicht zum Vortrag Space Aviation Beispiel Satellitenkommunikation Satellitennavigation Erderkundung Sprechfunk, IFE GPS, Galileo, EGNOS SRTM-Daten, 4D Landesysteme Datenbusse Risikobewertung/Zuverlässigkeit MSBLS, PAPI (, TACAN) Systemintegration Sicherheitsbewertung -1-

3 Satellitenkommunikation (SATCOM) Weltweite Abdeckung UKW-Sprechfunk In-flight Entertainment (IFE) -2-

4 Satellitennavigation (GNSS) GIOVE-B -3-

5 GNSS Begriffsdefinition und Umsetzungen GNSS: Global Navigation Satellite System GNSS-1 GPS oder GLONASS Satellite-based Augmentation System (SBAS) Ground-based Augmentation System (GBAS) Aircraft-based Augmentation System (ABAS) -4-

6 GNSS Begriffsdefinition und Umsetzungen GNSS: Global Navigation Satellite System GNSS-2 GPS II-F oder GALILEO Enthält bereits: Integritätsüberwachung Hohe Genauigkeit (Autoland) -5-

7 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Funktionsprinzip Entfernungsbestimmung Messung Signallaufzeit Gesendetes Signal Laufzeit Dt t c km/s Empfangenes Signal t Entfernung (Range) R R c 0 Dt -6-

8 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Funktionsprinzip Entfernungsbestimmung Messung Signallaufzeit Gesendetes Signal Laufzeit Dt t Laufzeit Dt + t Fehler Empfangenes Signal t Pseudo-Entfernung (Pseudo-Range) PSR Dt tfehler R c tfehler PSR c0 0-7-

9 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Funktionsprinzip Positionsbestimmung Wie groß ist der Fehler DR? Beispiel: t Fehler = 1 ms Satellit R DR = c 0 t Fehler = km/s 1 ms DR = 299 km PSR Annahme: Gangunterschied: 1 ms DR Flughöhe h Länge l Breite j -8-

10 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Funktionsprinzip Positionsbestimmung: Mehrfachmessung Satellit (SV) 1 (Unbekannt) t Fehler Magn. Nordpol z R 1 (Bekannt) X S,1 Y S,1 Z S,1 PSR 1 (Unbekannt) X U Y U Z U x Greenwich- Meridian Äquator y -9-

11 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Elemente eines GNSS-Systems Weltraum-Segment Boden-Segment Benutzer-Segment -10-

12 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Elemente eines GNSS-Systems: Benutzersegment Quelle: Wikipedia -11-

13 Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Elemente eines GNSS-Systems: Weltraum-Segment Bei GPS: Mindestens 24 Satelliten (Space Vehicle SV) 6 Orbits, 55 Grad Inklination Bahnhöhe km Quelle: Wikipedia -12-

14 EGNOS: Satellitengestützte Augmentierung geostationärer Satellit GEO WAAS EGNOS MSAS GNSS-Satelliten GNSS-Orbit GAGAN Referenz-Empfänger Kontrollstation -13-

15 EGNOS: Satellitengestützte Augmentierung Space Based Augmentation Service (SBAS): Referenz-Lokatoren ermitteln Korrekturdaten Korrekturwerte werden an geostationäre Satelliten weitergesendet (z.b. Inmarsat III, Artemis) Auf L1-Frequenz werden Daten mit verbesserter Genauigkeit ausgesendet SBAS-Systeme sind mit GPS kompatibel Hauptzielrichtung: Verbesserung der Genauigkeit von Landungen Integrität der Daten Weitbereichskorrektur (Zeitoffset) Systemgenauigkeit: 1-2 m horizontal, 3-4 m vertikal (EGNOS) -14-

16 EGNOS: Satellitengestützte Augmentierung -15-

17 Erderkundung Konzept der 4D-Trajektorien (Flugbahnvorgabe) Vulkanausbruch, Aschewolke -16-

18 Erderkundung Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), STS-99 (2000) (1) Höhenmodell (2) Gittermodell (3) Interpolation (4) Textur -17-

19 Landesysteme PAPI VASI MSBLS -18-

20 Landesysteme Mikrowellen-Landesystem (Microwave Scan Beam Landing System, MSBLS) -19-

21 MLS TO FRO Ausschweben FL Anflug EL Abflug BKAZ MLS: Funktionsprinzip DME/P Anflug AZ -20-

22 Landesysteme weißes Licht Linse Filter Leuchtmittel rotes Licht Betonsockel I II III B A A/B I weiß/weiß II rot/weiß PAPI III rot/rot Precision Approach Path Indicator -21-

23 Landesysteme VASI Visual Approach Slope Indicator Ball Bar Ball-Bar-System -22-

24 Datenbusse Systemintegration -23-

25 Datenbusse in der Luft- und Raumfahrt Datenbus-Standards und exemplarische Implementierungen CSDB (Commercial/Collins Standard Digital Bus): General Aviation ARINC 429: B727/737/747/757/767, A310/320/340, MD-11 ARINC 629 (DATAC): B777 ARINC 664 (AFDX): A380, B787 Mil-STD-1553: Space Shuttle, ISS, F16, AH-64A Apache TTP (Time-triggered Protocol): Orion, A380, B787 ARINC 573: Flight Data Recorder-Bus ARINC 708: Wetterradar-Datenbus -24-

26 Integration und Zuverlässigkeit -25-

27 Integration und Zuverlässigkeit Quelle: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504,

28 Risikobewertung und Zuverlässigkeit Fehlerklassifizierung Catastrophic (katastrophal)) Hazardous (gefährlich) Major (schwerwiegend) Minor (gering) No effect ( ) A: Ausfall der Flugsteuerung (Häufigkeit: einmal im Leben der Welt- Flugzeugflotte, Folge: größere Anzahl Design Schwerverletzter Geforderte oder Todes-fälle) Assurance Ausfallwahrscheinlichkeit Häufigkeit Level (DAL) C: Ausfall pro der Flugstunde Notbeleuchtung (Häufigkeit: einmal A < im Flugzeugleben, Extremely improbable Folge: Unbehagen bis hin zu leichten (extrem unwahrscheinlich) B Verletzungen) < Extremely remote (äußerst gering) C < Remote (gering) D < Reasonable remote (vereinzelt) E Frequent -27-

29 Risikobewertung und Zuverlässigkeit Software I Software II A B Hersteller A Prozessor A C D Hersteller B Prozessor B N-fach-Rechner Duo-Duplex-Rechner -28-

30 Risikobewertung und Zuverlässigkeit Fehlerbaumanalyse (FTA) Airplane Crashes l = l 1 + l 2 + l 3 + l 4 + l 5 [1/h] Loss of Propulsion Loss of Electrical Power Loss of Hydraulic Power Loss of Flight Controls Pilot Error Transfer T 1-1 T 1-2 T 1-3 T 1-4 T

31 Risikobewertung und Zuverlässigkeit T 1-3 Loss of Electrical Power p = p A p B =4, [1/h] p A = 4, [1/h] Loss of Both DC Main Buses Failure of RAT to deploy p B = [1/h] p A-1 = [1/h] p A-2 = [1/h] Loss of Main DC Bus #1 Loss of Main DC Bus #2-30-

32 Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt Übersicht zum Vortrag Space Aviation Beispiel Satellitenkommunikation Satellitennavigation Erderkundung Sprechfunk, IFE GPS, Galileo, EGNOS SRTM-Daten, 4D Landesysteme Datenbusse Risikobewertung/Zuverlässigkeit MSBLS, PAPI (, TACAN) Systemintegration Sicherheitsbewertung -31-

33 Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt oder: Luftfahrttechnologien für die Raumfahrt? FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation, FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr