cockpit-instrumentierung und systemintegration in der luft...

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


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)



19/09/08 -2-

Inhalt

MFD



19/09/08 -3-

Von den Basisinstrumenten zum“Multi Functional Display” (MFD)



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



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)



19/09/08 -6-

Basisinstrumente: Höhenmesser

Druckmessung:Messung des atmosphärischenDrucksReferenzierung auf Airport-Luftdruck (QNH)

Laufzeitmessung:RADAR-PrinzipElektromagnetischer Puls wirdausgesendetAus Laufzeit folgt Höhe



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)



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



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)



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)



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



19/09/08 -12-

Sensorik (Trägheitsplattform)



19/09/08 -13-

Integrierte Darstellung am MFD

Fahrtmesser

Beschleunigung(horizontal)

Beschleunigung(vertikal)

Höhenmesser

Variometer

Kurskreisel Künstlicher Horizont



19/09/08 -14-

Inhalt

HUD



19/09/08 -15-

Die Instrumente immer im Auge: “Head Up-Display” (HUD)



19/09/08 -16-

Motivation für HUDs

Mensch-Maschine-Interaktion:

Pilot hat gleichzeitig im Blickfeld:AußensichtEssentielle Flugdaten

Keine Ablenkung bedingt durchBlickrichtungswechselKonzentration auf Flugführung

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/HUD_view.jpg



19/09/08 -17-

Aufbau eines Head Up-Display

Außensicht

Daten

Spiegel

Projektor

Symbol-generator

Kollimator-Linse

Beobachter

Combiner



19/09/08 -18-

Sicht mit dem Head Up-Display



19/09/08 -19-

Inhalt

HSI



19/09/08 -20-

Navigation beim Wiedereintritt: “Horizontal Situation Indicator” (HSI) und

Landehilfen



19/09/08 -21-

Anflug- und Gleitwinkelbefeuerung

Gleitpfad



19/09/08 -22-




19/09/08 -23-


Anflugbefeuerungssystem (ALS):Laterale Richtungs- (Kurs-) information



19/09/08 -24-


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



19/09/08 -25-


Anflugwinkelbefeuerungssystem (VASIS):Vertikale Richtungsinformation (Gleitpfad)

IIIIII

ABA/B

I weiß/weißII rot/weißIII rot/rot



19/09/08 -26-


Unter dem Gleitpfad(Bereich III)

III

IIIAB

A/BI weiß/weißII rot/weißIII rot/rot



19/09/08 -27-


Über dem Gleitpfad(Bereich I)

IIIIII

ABA/B

I weiß/weißII rot/weißIII rot/rot



19/09/08 -28-


HSI

?



19/09/08 -29-

Instrumentenlandesystem

GleitpfadCodierung der Quadranten:- links/oben: 90 Hz („gelb“)- rechts/unten: 150 Hz („blau“)

Landekurs: LocalizerAnflugwinkel/Gleitweg: Glide Slope



19/09/08 -30-


Funkübertragung

Funkübertragung



19/09/08 -31-


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



19/09/08 -32-


Funkübertragung:90/150 Hz (li/re)

Funkübertragung:90/150 Hz (o/u)



19/09/08 -33-


Landekurs:Zwei teilweise überlappende Antennenkeulen tragen die links/rechts (90/150 Hz) Information

Localizer-Antenne

90 Hz

150 Hz

Landebahn



19/09/08 -34-

+- +

-

+- -

+

+- -

+

+- +

-

-+ +

-

+- +

-


Strahlformung durch Interferenz von Einzel-Dipolen(Darstellung des Grundprinzips)

ϑE

BetrachteteKonfiguration:

Landebahn

Localizer-Antenne

Localizer-Antenne



19/09/08 -35-


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



19/09/08 -36-

“Horizontal Situation Indicator” (HSI)



19/09/08 -37-

Inhalt

System-integration



19/09/08 -38-

Datenkommunikation an Bord des Shuttles: Datenbusse und

Systemintegration



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



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



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



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



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



19/09/08 -44-

Bus-Architekuren

Unidirektional

Bidirektional



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



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 /=



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)



19/09/08 -48-

Komplexität der Shuttle-Avionik



19/09/08 -49-

Komplexität der Shuttle-Avionik

Quelle: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504, 1989.



19/09/08 -50-

Inhalt

G e s a m t s y s t e m



19/09/08 -51-

Simulation: Final Approach einesShuttles auf Runway 33 des Kennedy

Space Centers


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

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