Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt oder: Luftfahrttechnologien für die Raumfahrt? FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation, FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr
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-
Satellitenkommunikation (SATCOM) Weltweite Abdeckung UKW-Sprechfunk In-flight Entertainment (IFE) -2-
Satellitennavigation (GNSS) GIOVE-B -3-
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-
GNSS Begriffsdefinition und Umsetzungen GNSS: Global Navigation Satellite System GNSS-2 GPS II-F oder GALILEO Enthält bereits: Integritätsüberwachung Hohe Genauigkeit (Autoland) -5-
Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Funktionsprinzip Entfernungsbestimmung Messung Signallaufzeit Gesendetes Signal Laufzeit Dt t c 0 299.792 km/s Empfangenes Signal t Entfernung (Range) R R c 0 Dt -6-
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-
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 = 299000 km/s 1 ms DR = 299 km PSR Annahme: Gangunterschied: 1 ms DR Flughöhe h Länge l Breite j -8-
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-
Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Elemente eines GNSS-Systems Weltraum-Segment Boden-Segment Benutzer-Segment -10-
Funktion & Elemente eines SATNAV-Systems Elemente eines GNSS-Systems: Benutzersegment Quelle: Wikipedia -11-
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 20.200 km Quelle: Wikipedia -12-
EGNOS: Satellitengestützte Augmentierung geostationärer Satellit GEO WAAS EGNOS MSAS GNSS-Satelliten GNSS-Orbit GAGAN Referenz-Empfänger Kontrollstation -13-
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-
EGNOS: Satellitengestützte Augmentierung -15-
Erderkundung Konzept der 4D-Trajektorien (Flugbahnvorgabe) Vulkanausbruch, Aschewolke -16-
Erderkundung Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), STS-99 (2000) (1) Höhenmodell (2) Gittermodell (3) Interpolation (4) Textur -17-
Landesysteme PAPI VASI MSBLS -18-
Landesysteme Mikrowellen-Landesystem (Microwave Scan Beam Landing System, MSBLS) -19-
MLS TO FRO Ausschweben FL Anflug EL Abflug BKAZ MLS: Funktionsprinzip DME/P Anflug AZ -20-
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-
Landesysteme VASI Visual Approach Slope Indicator Ball Bar Ball-Bar-System -22-
Datenbusse Systemintegration -23-
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-
Integration und Zuverlässigkeit -25-
Integration und Zuverlässigkeit Quelle: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504, 1989. -26-
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 < 1 10-9 im Flugzeugleben, Extremely improbable Folge: Unbehagen bis hin zu leichten (extrem unwahrscheinlich) B Verletzungen) < 1 10-7 Extremely remote (äußerst gering) C < 1 10-5 Remote (gering) D < 1 10-3 Reasonable remote (vereinzelt) E 1 10-3 Frequent -27-
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-
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 1-5 -29-
Risikobewertung und Zuverlässigkeit T 1-3 Loss of Electrical Power p = p A p B =4,9 10-10 [1/h] p A = 4,9 10-7 [1/h] Loss of Both DC Main Buses Failure of RAT to deploy p B = 1 10-3 [1/h] p A-1 = 7 10-4 [1/h] p A-2 = 7 10-4 [1/h] Loss of Main DC Bus #1 Loss of Main DC Bus #2-30-
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-
Weltraumtechnologien für die Zivilluftfahrt oder: Luftfahrttechnologien für die Raumfahrt? FH-Prof. Dr. Holger Flühr Avionics & ATC Technology Luftfahrt / Aviation, FH JOANNEUM Graz, Holger Flühr