Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration in der Luft- und Raumfahrt zur Unterstützung anspruchsvoller Missionen

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1 Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration in der Luft- und Raumfahrt zur Unterstützung anspruchsvoller Missionen FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr

2 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 eines Shuttles auf Runway 33 des Kennedy Space Centers Blick in das Cockpit des Space Shuttles Atlantis ( NASA) -1-

3 Inhalt MFD --

4 Von den Basisinstrumenten zum Multi Functional Display (MFD) -3-

5 Von den Basisinstrumenten zum Multi Functional Display (MFD) Basis-Instrumente: Fahrtmesser Höhenmesser Kurskreisel Künstlicher Horizont Standardisierte Anordnung: T-Form ( Instrumenten-T ) Ursprümgliche Ausführung: Uhren -Stil -4-

6 Basisinstrumente: Fahrtmesser Indicated Airspeed (IAS) Korrektur der Luftdichte Calibrated Airspeed (CAS) Korrektur des Einbaus True Airspeed (TAS) Windkorrektur Ground Speed (GS) (Orbital Speed, OS) -5-

7 Basisinstrumente: Höhenmesser Druckmessung: Messung des atmosphärischen Drucks Referenzierung auf Airport- Luftdruck (QNH) Laufzeitmessung: RADAR-Prinzip Elektromagnetischer Puls wird ausgesendet Aus Laufzeit folgt Höhe -6-

8 Sensorik (Pitot-Static-System) p statisch Fahrtmesser Höhenmesser Strömung p ges v, ρ Variometer (Höhenänderung) p Stau + p statisch (v = 0) p statisch p v Mess = = p ges ( p p ) ges ρ p statisch statisch -7-

9 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) φ θ Lageinformation aus der Trägheitsplattform (IMU) -8-

10 Basisinstrumente: künstlicher Horizont z i z e Ω h x n yb x b y n z n z b x i x e λ ϕ y i y e x n x b x θ ψ ψ φ y n y b y Rotationsellipsoid (Modell der Erde) φ θ z b z z n -9-

11 Basisinstrumente: Kurskreisel Kurskreisel liefert Kursinformation Drehung um die Hochachse (Yaw Angle ψ) Ergänzt somit den künstlichen Horizont Stabilere Anzeige als Magnetkompaß Lageinformation aus der Trägheitsplattform (IMU) -10-

12 Sensorik (Trägheitsplattform, IMU) Grundidee: Messung der Beschleunigung a v( t) = x( t) = t 0 t 0 a( 0 Messung der Drehrate ω t τ ) dτ + v0 α ( t) = ω( τ ) dτ + ω0 0 v( τ ) dτ + x Kardanische (stabilisierte) Plattform: Strapdown-Plattform: -11-

13 Sensorik (Trägheitsplattform) -1-

14 Integrierte Darstellung am MFD Kurskreisel Künstlicher Horizont Höhenmesser Fahrtmesser Variometer Beschleunigung (horizontal) Beschleunigung (vertikal) -13-

15 Inhalt HUD -14-

16 Die Instrumente immer im Auge: Head Up-Display (HUD) -15-

17 Motivation für HUDs Mensch-Maschine-Interaktion: Pilot hat gleichzeitig im Blickfeld: Außensicht Essentielle Flugdaten Keine Ablenkung bedingt durch Blickrichtungswechsel Konzentration auf Flugführung -16-

18 Aufbau eines Head Up-Display Außensicht Combiner Beobachter Kollimator-Linse Projektor -17- Symbolgenerator Daten Spiegel

19 Sicht mit dem Head Up-Display -18-

20 Inhalt HSI -19-

21 Navigation beim Wiedereintritt: Horizontal Situation Indicator (HSI) und Landehilfen -0-

22 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung Gleitpfad -1-

23 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung --

24 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung Anflugbefeuerungssystem (ALS): Laterale Richtungs- (Kurs-) information -3-

25 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung weißes Licht rotes Licht Linse Filter Halogenlampe I II III B A Betonsockel Aufbau eines Visual Approach Slope Indicator Systems (VASIS) A/B I weiß/weiß II rot/weiß III rot/rot Erzeugung der optischen Gleitweginformation (hier: -Bar-VASIS) -4-

26 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung Anflugwinkelbefeuerungssystem (VASIS): Vertikale Richtungsinformation (Gleitpfad) I II III B A/B I weiß/weiß II rot/weiß III rot/rot A -5-

27 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung Unter dem Gleitpfad (Bereich III) I II III B A/B I weiß/weiß II rot/weiß III rot/rot A -6-

28 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung I II III B A/B I weiß/weiß II rot/weiß III rot/rot A Über dem Gleitpfad (Bereich I) -7-

29 Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung? HSI -8-

30 Instrumentenlandesystem Codierung der Quadranten: - links/oben: 90 Hz ( gelb ) - rechts/unten: 150 Hz ( blau ) Gleitpfad Landekurs: Localizer Anflugwinkel/Gleitweg: Glide Slope -9-

31 Instrumentenlandesystem Funkübertragung Funkübertragung -30-

32 Luftfahrt / Aviation -31- Instrumentenlandesystem Ω = = + Δ = + + Δ = + Δ = π ε μ λ π λ π ϑ λ λ π λ π ϑ λ λ π ϑ λ λ π λ π ϑ λ π ϕ cos sin 1 1 sin Z r j r j e r l I Z j E r j r j e r l I Z j E r j e r l I j H r j r r j r j Hertz scher Dipol mit Feldkomponenten E ϑ

33 Instrumentenlandesystem Funkübertragung: 90/150 Hz (li/re) Funkübertragung: 90/150 Hz (o/u) -3-

34 Instrumentenlandesystem -33- Localizer- Antenne 150 Hz Landebahn Landekurs: Zwei teilweise überlappende Antennenkeulen tragen die links/rechts (90/150 Hz) Information 90 Hz

35 Instrumentenlandesystem E ϑ Localizer-Antenne Landebahn Betrachtete Konfiguration: Localizer- Antenne Strahlformung durch Interferenz von Einzel-Dipolen (Darstellung des Grundprinzips) -34-

36 Instrumentenlandesystem -35- Localizer- Antenne 150 Hz Landekurs: Zwei teilweise überlappende Antennenkeulen tragen die links/rechts (90/150 Hz) Information das Verhältnis der empfangenen Signale entspricht der Abweichung vom Kurs 90 Hz

37 Horizontal Situation Indicator (HSI) -36-

38 Inhalt -37- Systemintegration

39 Datenkommunikation an Bord des Shuttles: Datenbusse und Systemintegration -38-

40 Netzwerk-Grundlagen Ursprüngliche Aufgabe der Systemverdrahtung: Verbindung von Bedienelementen mit Avionik-Ausrüstung Beispiel: HF COM-Empfänger 1 3 x 10 MHz Leitungen MHz ; Δ = 0,05 khz x 1 MHz x 0.1 MHz 4 5 ~ ~ Demod ~ ~ f LO ~ 7 5 x 10 khz -39-

41 Netzwerk-Grundlagen Binäre Codierung im Schalter: Jede Dezimalzahl wird durch eine Binärzahl ausgedrückt 1 3 x 10 MHz Leitungen x 1 MHz x 0.1 MHz 4 5 ~ ~ Demod ~ ~ f LO ~ 7 5 x 10 khz -40-

42 Netzwerk-Grundlagen Binäre Codierung im Schalter: Zusammenfassen von jeweils zwei Schaltern und Darstellung durch binäre Codierung Leitungen 3 x 10 MHz x 1 MHz x 0.1 MHz MHz ; Δ = 1 MHz MHz; Δ = 0.05 MHz ~ ~ Demod ~ ~ f LO ~ 7 5 x 10 khz -41-

43 Netzwerk-Grundlagen Paralleles Multiplexing: Zusammenfassen von allen Schaltern und Darstellung durch binäre Codierung 1 3 x 10 MHz Leitungen x 1 MHz x 0.1 MHz 4 5 MSB LSB 760 Kanäle ~ ~ Demod ~ ~ f LO ~ 7 5 x 10 khz -4-

44 Netzwerk-Grundlagen Serielles Multiplexing: Übertragung der Binärdarstellung auf nur einer Leitung Vorteil: Veringerung des Gewichtes, Kostenersparnis 1 3 x 10 MHz Leitungen x 1 MHz x 0.1 MHz 4 5 MSB LSB ~ ~ Demod ~ ~ f LO ~ 7 5 x 10 khz -43-

45 Bus-Architekuren Unidirektional Bidirektional -44-

46 Systemintegration: Redundanzkonzepte Software I Software II A B Hersteller A Prozessor A C D Hersteller B Prozessor B N-fach-Rechner Duo-Duplex-Rechner -45-

47 Systemintegration: Zuverlässigkeit Einige Zuverlässigkeitsparameter: MTBF (vereinfachte Berechnung) 1 MTBF = = λ n 1 FIT n MTTR Operationelle Systeme: MTTR = Zeit zur Reparatur defekter Module Schätzwerte Failure rate λ Availability (0-100%) λ = 1 MTBF = FIT n n A = MTBF MTBF + MTTR = MTBM MTBM + MDT Failures in Time FIT # of failures FIT = ; 9 10 hrs 1,5; resistor 3; Si diode 00; LSI circuit inherent Downtime DT DT = A/ time operational -46-

48 Systemintegration: Redundanzkonzepte Verfügbarkeit eines Systems: System A System B A ges = A System A A System B Systeme in Serie System A System B A A ges ges = A = 1 System A + A System B [( 1 A )( 1 A )] System A (bei 1-aus--Redundanz) A System A System B A System B Systeme parallel -47-

49 Komplexität der Shuttle-Avionik -48-

50 Komplexität der Shuttle-Avionik Quelle: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504,

51 Inhalt G e s a m t s y s t e m -50-

52 Simulation: Final Approach eines Shuttles auf Runway 33 des Kennedy Space Centers -51-

53 Cockpit-Instrumentierung und Systemintegration in der Luft- und Raumfahrt zur Unterstützung anspruchsvoller Missionen FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr