Die Rolle von Datenbussen für zukünftige

Transcrição

Luftfahrt / Aviation
Informations-Highways –
Die Rolle von Datenbussen für
zukünftige Raumschiffe
FH-Prof. Dr. Holger Flühr
Avionics & ATC Technology
FH JOANNEUM Graz
10/09/10, Holger Flühr
Datenbusse für zukünftige Raumschiffe
Übersicht
Warum Datenbusse?
Technologie von Datenbussen
Beispiele „ziviler“ Datenbusse
Datenbusse in der Luft- und
Raumfahrt
Integration und Zuverlässigkeit
Flühr: Datenbusse für zukünftige Raumschiffe
Blick in das Cockpit des Space Shuttles Atlantis
(© NASA)
10/09/10
-1-
1
Warum Datenbusse?
MFD
10/09/10
-2-
Warum Datenbusse?
Kurskreisel
Künstlicher Horizont
Höhenmesser
Fahrtmesser
Beschleunigung
(horizontal)
Variometer
Beschleunigung
(vertikal)
10/09/10
-3-
2
Warum Datenbusse?
HUD
10/09/10
-4-
Warum Datenbusse?
HSI
10/09/10
-5-
3
Warum Datenbusse?
Avionik-Konzept Ares I Crew Launch Vehicle
(© NASA)
10/09/10
-6-
Warum Datenbusse?
Systemintegration
10/09/10
-7-
4
Übersicht
Warum Datenbusse?
Raumfahrt
Artist’s concept of NASA’s Orion crew
exploration vehicle in lunar orbit
(© NASA)
10/09/10
-8-
Bezeichnung
Längsschnitt
Querschnitt
Einfachdraht
Paralleldrahtleitung
Koaxialleitung
Streifenleitung
10/09/10
-9-
5
Wie schnell kann an einem Datenbus
Information übertragen werden?
Beispiel: Lichtschalter
Wird der Schalter geschlossen,
fließt elektrischer Strom, das
Leuchtmittel leuchtet
I
t=0
S
Schnellster Ausbreitungsvorgang: Lichtgeschwindigkeit
widerstandsfreie
Drähte
R1=1Ω
Woher weiß die Quelle, welche
Stromstärke im Leiter fließen
darf?
R2=1Ω
U0=2 V
l
Generator
Verbraucher
10/09/10
-10-
Analogiebetrachtung:
Elektrisches Schaltbild
∆z
i(z,t)
Elektrische Vorgänge entlang
des Leitungsstücks:
Widerstands-, Induktivitätsbelag
i(z,t)
i(z+∆z,t)
i(z,t)
i(z+∆z,t)
G‘·∆z
∆i(z,t)
Leitung wird in kleine Stücke
unterteilt gedacht
Elektrische Vorgänge zwischen
den Leitungsstücken:
Ableitbelag, Kapazitätsbelag
i(z+∆z,t)
C‘·∆z
i(z,t)
i(z+∆z,t)
i( z + ∆z , t ) = i( z ) − ∆i ( z , t )
∆u(z,t)/2
R‘/2·∆z L‘/2·∆z
u(z,t)
u(z+∆z,t) u(z,t)
u(z+∆z,t)
R‘/2·∆z L‘/2·∆z
Netzwerkmodell der Leitung
∆u(z,t)/2
u ( z + ∆z , t ) = u ( z ) − ∆u ( z, t )
10/09/10
-11-
6
Führt man die Modelle beider Effekte
zusammen, erhält man das Ersatzschaltbild eines kurzen Leitungsabschnittes. Die Leitungsbeläge sind
charakteristisch für die jeweils betrachtete Leitung:
∆z
i(z,t)
i(z+∆z,t)
u(z,t)
u(z+∆z,t)
i(z,t)
i(z+∆z,t)
R‘: Widerstandsbelag (Ω/m)
L‘: Induktivitätsbelag (H/m)
ZW
C‘: Kapazitätsbelag F/m)
G‘: Ableitbelag (S/m)
ZW =
L‘·∆z
i(z,t)
R '+ jω L '
G '+ jω C '
R‘·∆z
i(z+∆z,t)
G‘·∆z
u(z,t)
C‘·∆z
u(z+∆z,t)
i(z,t)
„Wellenwiderstand“ der Leitung
i(z+∆z,t)
10/09/10
-12-
Wie schnell kann an einem Datenbus
Information übertragen werden?
v
t=0
S
R1=10Ω
R2=90Ω
Z W = 30 Ω
U0=2 V
Wird der Schalter geschlossen,
fließt elektrischer Strom, das
Leuchtmittel leuchtet
l
Generator
Verbraucher
2.5
Schnellster Ausbreitungsvorgang: Lichtgeschwindigkeit
u_aus, V
u_ein, V
Woher weiß die Quelle, welche
Stromstärke im Leiter fließen
darf?
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
time, nsec
10/09/10
-13-
7
Zi
u0
ZW
u 1 = u (0)
Leitungsanfang
(Index 1)
z=0
u 2 = u( z = l)
z
l-z
Z L = ZW
Leitungsende
(Index 2)
z=l
10/09/10
-14-
Zi
u0
ZW
u 1 = u (0)
Leitungsanfang
(Index 1)
z=0
z
u 2 = u( z = l)
l-z
ZL = 0
Leitungsende
(Index 2)
z=l
10/09/10
-15-
8
Zi
u0
ZW
u 1 = u (0)
Leitungsanfang
(Index 1)
z=0
u 2 = u( z = l)
z
l-z
ZL = ∞
Leitungsende
(Index 2)
z=l
10/09/10
-16-
Abhängig von den elektrischen
Parametern beeinflussen Datenbusse
die gesendete Information. Sie
verzerren das Signal durch
u(t) 0
1
1
0 1
0
0
t
u(t)
t
Dämpfung
(ohmsche Verluste)
u(t)
Verzögerung
t
(Ausbreitungsgeschwindigkeit)
Begrenzung der Bandbreite
(Tiefpass-Verhalten)
u(t)
t
10/09/10
-17-
9
uA-0
Raus/2
Rein
u‘A-B
uA-B
Raus/2
RGL
u0-B
Raus
Schirmung
Rein
l, ZW
Daten
Daten
Leitungstreiber
verdrillte
Zweidrahtleitung
Empfänger
10/09/10
-18-
Sicherung gegen Übertragungsfehler
Nachricht wird mit zusätzlicher
Information versehen (Parität)
Dadurch wird der Abstand
(Hamming-Distanz) zwischen
gültigen Codeworten vergrößert
gültiges Codewort
Fehlerhafte Übertragungen
können vom Empfänger nach
dem Ausschlussprinzip erkannt
und teilweise auch korrigiert
werden
10/09/10
-19-
10
Unidirektionale Busarchitektur
Bidirektionale Busarchitektur
10/09/10
-20-
Übersicht
Warum Datenbusse?
Raumfahrt
Artist’s concept of NASA’s Orion crew
exploration vehicle at ISS
(© NASA)
10/09/10
-21-
11
EIA-232 (RS-232)
USB (Universal Serial Bus)
CAN (Controller Area Network)
IEC-625 (GPIB)
Ethernet
© Aidan C. Siegel
Fiber Distributed Data Interface
__________
Bluetooth, WLAN, ZigBee, …
© Clemens Pfeiffer
10/09/10
-22-
Ethernet – Grundidee von Protokollen
ALOHA
A
B
C
© Clemens Pfeiffer
Kollision
Slotted ALOHA
p-persistent CSMA/CD
Kollision
Carrier Sense Multiple Access – Collision Detection
Aussendung in einem freien Slot nur mit Wahrscheinlichkeit p
10/09/10
-23-
12
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
10/09/10
-24-
Datenbusse in der Luft- und Raumfahrt:
ARINC 429
uA-B(t)
log. High
log. Low
Tbit
log. High ±1 V
+3 V
–3,5 V
10 V
½Tbit
tr
Zero
±0,5 V
log. Null ±1 V
TX
±2,5 V
–3,5 V
+3 V
tf
t
–10 V
RX
ARINC 429
Spannungspegel
10/09/10
-25-
13
ARINC 429
P:
Paritätsbit: ∑(Label + SDI + Data + SSM + P) = ODD
SSM:
Sign/Status Matrix
Data:
Datenfeld (BCD oder BNR-Code)
SDI:
Source/Destination Identifier
Label:
Datentyp und -parameter
ARINC 429
Wortformat
10/09/10
-26-
ARINC 429
ARINC 429
Beispiele für Label
10/09/10
-27-
14
ARINC 429
Beispiele für Equipment-ID‘s (= Datenquelle):
10/09/10
-28-
ARINC 429
Knoten 1
Knoten 3
Knoten n+1
IRS
(004H)
Knoten 0
FMS
(002H)
A429-Interface
Sender (TX)
Knoten
Empfänger (RX)
Knoten 2
Knoten n
10/09/10
-29-
15
ARINC 429
Airspeed
Range=512 kts
Wert: +1·(+256+8+4) kts = 268 kts
Normaler Betrieb/kein Fehler
ARINC 429
BNR-Wortformat
10/09/10
-30-
Mil-STD-1553
uClk(t)
t Takt
uData(t)
t Daten
0 1 1 0 0 1 0 0 1
uA-B(t)
t Man. IIBiphase
Mil-STD-1553:
Leitungscode
10/09/10
-31-
16
Mil-STD-1553
RT 1
RT 3
1553
Bus Controller
Bus Monitor
RT 2
Mil-STD-1553:
Busteilnehmer
10/09/10
-32-
Mil-STD-1553
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Mil-STD-1553-Wortaufbau
SYNC-Phase
SYNC
Command-Wort
Sub Address
Word Count
P
MSB <
Data
> LSB
Word Count
P
Daten-Wort
SYNC
Status-Wort
T/
R
Command-Wort
SYNC
Daten-Wort
RT Address
RT Address
Status
P
Status-Wort
Mil-STD-1553:
Wortaufbau
10/09/10
-33-
17
Mil-STD-1553
Controller
Kommando-Wort:
RT n: empfangen
t
Daten-Wort
Daten-Wort
RT n
Status-Wort
RT n+1
Controller
t
Kommando-Wort:
RT n: senden
RT n
Status-Wort
Daten-Wort
Daten-Wort
RT n+1
Controller
Kommando-Wort:
RT n: empfangen
RT n
t
Kommando-Wort:
RT n+1: senden
Status-Wort
Daten-Wort
Daten-Wort
RT n+1
Status-Wort
10/09/10
-34-
Mil-STD-1553
10/09/10
-35-
18
AFDX (ARINC 664)
Avionics Full Duplex Switched Ethernet
Aufbau:
Link: 2x Twisted Pair
Switches
Endsysteme
Übertragung: Voll-Duplex
Bitrate: 100 MB/s
Netz-Protokolle: basierend auf IP/UDP, IEEE 802.3
20 Sender/Empfänger pro Switch
Max. 5000 Service Access Ports
Erstmaliger Einsatz im A380
Hauptkritikpunkt: Ethernet als deterministisches System?
10/09/10
-36-
AFDX (ARINC 664)
AFDX-Switch
CPU
RX-Puffer
Switch verschiebt Nachricht in
TX-Puffer des betreffenden
Endsystems
TX-Puffer
Nachricht wird an Endsystem
weitergeleitet
interner Bus
TX
RX
Buffer Buffer
RX
TX
TX
RX
Buffer Buffer
RX
TX
TX
RX
Buffer Buffer
RX
TX
Endsystem
Endsystem
Endsystem
System A
System B
System k
10/09/10
-37-
19
AFDX (ARINC 664)
Switch
Avionik-Subsystem
Z.B. IMU
Switch
Avionik-Subsystem
Z.B. FMS
zu weiteren
Endsystem
Endsystem
Endsystem
Avionik-Subsystem
Z.B. Luftdatenrechner
Gateway
AFDXInterconnect
Endsystem
Endsystem
zu weiteren
Endsystem
AFDX:
Busarchitektur
10/09/10
-38-
AFDX (ARINC 664)
Endsystem
VL n
Switch
Avionik-Subsystem
Z.B. IMU
AFDXInterconnect
Switch
VL1
Endsystem
zu weiteren
Endsystem
Avionik-Subsystem
Z.B. FMS
zu weiteren
Endsystem
Endsystem
Endsystem
Avionik-Subsystem
Z.B. Luftdatenrechner
Gateway
AFDX:
Virtuelle Links
10/09/10
-39-
20
TTP
TTP: Time-triggered Protocol
4 – 64 Rechnerknoten (= 1 Cluster)
Bis zu 25 Mbit/s Übertragungsrate
Verschiedene physikalische Layer
Zwei parallele Kanäle
Zeitlicher Ablauf der
Kommunikation ist a-priori
definiert
Knoten 2
Knoten 4
TTPController
TTPController
TTP Ch. A
TTP Ch. B
TTPController
TTPController
TTPController
Knoten 1
Knoten 3
Knoten n
10/09/10
-40-
Runde i
Runde 1
Knoten k
Knoten 1
Runde 3
Runde 2
Runde i
Runde 1
TTP
Cluster-Cycle
WER sendet WANN welche
Nachricht (WAS)?
Knoten 3
Message Descriptor List (MEDL)
Knoten 2
Knoten k
ablaufs:
Knoten 1
TDMA-Runde
Definition des Kommunikations-
Slot*
Ch. A
N1
N2
N3
N4
N6
Ch. B
N1
N4
N5
N7
frei
* Die Belegung eines Slots kann sich von Runde zu Runde ändern
10/09/10
-41-
21
TTP
Bestimmung der globalen Zeit
(ohne externe Referenz)
Makrotick
TTPController 1
(1)n-1
Abweichung der eigenen
Uhrzeit zur Empfangszeit:
Präzisionsintervall
(1)n
(1)n+1
t
(2)n-1
Jeder Teilnehmer weiß, wer
wann was sendet
Mikrotick
(2)n
(2)n+1
TTPController 2
TTPController k
t
(k)n-1
(k)n
(k)n+1
t
Präzisionsintervall π
10/09/10
-42-
Übersicht
Warum Datenbusse?
Raumfahrt
Instrument Unit Avionics, Ares I Crew Launch Vehcle
(© NASA)
10/09/10
-43-
22
Software I
Software II
A
Hersteller A
Prozessor A
B
C
Hersteller B
Prozessor B
D
Duo-Duplex-Rechner
N-fach-Rechner
10/09/10
-44-
Verfügbarkeit eines Systems:
System A
System B
Ages = ASystem A ⋅ ASystem B
Systeme in Serie
System A
Ages = ASystem A + ASystem B − ASystem A ⋅ ASystem B
[
]
Ages = 1 − (1 − ASystem A )(1 − ASystem B )
System B
(bei 1-aus-2-Redundanz)
Systeme parallel
10/09/10
-45-
23
Einige Zuverlässigkeitsparameter:
MTBF (vereinfachte Berechnung)
MTTR
Operationelle Systeme:
MTTR = Zeit zur Reparatur defekter Module
Schätzwerte
Availability (0-100%)
1
1
MTBF = =
λ ∑ FITn
n
Failure rate λ
1
λ=
= ∑ FITn
MTBF
n
A=
MTBF
MTBM
=
MTBF + MTTR MTBM + MDT
inherent
operational
Failures in Time FIT
FIT =
Downtime DT
1,5; resistor
# of failures

DT = A / time
;
≈
3
;
Si
−
diode

109 hrs
200; LSI circuit

10/09/10
-46-
Quelle:
Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System.
NASA SP-504, 1989.
10/09/10
-47-
24
10/09/10
-48-
Fehlerklassifizierung
Catastrophic
(katastrophal))
Hazardous
(gefährlich)
Major
(schwerwiegend)
Minor
(gering)
No effect
(–)
A: Ausfall der Flugsteuerung
(Häufigkeit: einmal im Leben der
Welt-Flugzeugflotte, Folge: größere
Design Anzahl Schwerverletzter
Geforderte
oder TodesAssurance fälle)
Ausfallwahrscheinlichkeit
Häufigkeit
Notbeleuchtung
Level (DAL) C: Ausfall
proder
Flugstunde
(Häufigkeit: einmal
im Flugzeugleben,
Extremely improbable
A
< 1·10-9
Folge: Unbehagen bis hin zu (extrem
leichtenunwahrscheinlich)
Extremely remote
Verletzungen)
B
< 1·10-7
(äußerst gering)
Remote
-5
C
< 1·10
(gering)
Reasonable remote
D
< 1·10-3
(vereinzelt)
E
≥ 1·10-3
Frequent
10/09/10
-49-
25
Zusammenfassung
Warum Datenbusse?
Raumfahrt
Blick in das Cockpit des Space Shuttles Atlantis
(© NASA)
10/09/10
-50-
Events – www.fh-joanneum.at/lav
Der Weg ins All - wie wird man Astronaut?
Herr DI Dr. Peter Woditschka, Teilnehmer ESA-Astronautenselektion und
Lehrbeauftragter Studiengänge Luftfahrt/Aviation
Der Weg ins All - wie wird man Astronaut?
Erfahrungsbericht vom österreichischen Finalrunden-Teilnehmer an der ESAAstronauten-Selektion 2008/09
Inhalt: Schwerpunkt sind die Erfahrungen im Laufe der einjährigen ESA-Selektion;
insbesondere die Voraussetzungen - welche Möglichkeiten sind (für einen Studierenden)
für diese Richtung gegeben. Es folgt ein Überblick über die Astronauten-Selektion der
NASA, das Astronaut-Pilot Programm von Richard Branson bei
VirginGalactic/VirginAtlantic und der grobe Ablauf der Astronauten-Ausbildung.
FH JOANNEUM, Studiengänge Luftfahrt/Aviation
10.11.2010 | 18:00 | HS 6, 2. Stock,
FH JOANNEUM, Alte Poststraße 149, 8020 Graz
10/09/10
-51-
26
Bildnachweis
Folie 1: NASA, KSC-99PP-0412, http://www.nasa.gov/centers/langley/images/content/70412main_KSC-99PP-0412.JPG
Folie 7: NASA Ares I Crew Launch Vehicle (…), http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20090020393_2008048231.pdf
Folie 8: NASA, Constellation-Homepage: Orion Crew Exploration Vehicle, http://www.nasa.gov/mission_pages/constellation/orion/index.html
Folie 21: Lockhead Martin, JSC2006-E-43963, http://www.nasa.gov/images/content/156334main_Orion_ISS.jpg
Folie 35: https://prof.hti.bfh.ch/uploads/media/Mil_Std_1553_gaumm1.pdf
Folie 43: NASA Ares I Crew Launch Vehicle (…), http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20090020393_2008048231.pdf
Folie 47: Hannaway, Moorehead: Space Shuttle Avionics System. NASA SP-504, 1989
Folie 50: NASA, KSC-99PP-0412, http://www.nasa.gov/centers/langley/images/content/70412main_KSC-99PP-0412.JPG
10/09/10, Holger Flühr
27

Die Rolle von Datenbussen für zukünftige

Transcrição

Documentos relacionados

Aviation Management Consulting eK AMC - Anleger

WorldWind 1.3 - Universität Siegen

http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm

Embraer ERJ 170-100: Lösten Metallteile

Always Remember JURI GAGARIN - raumfahrt

Helicopter

Aus- und Weiterbildung in der Luft- und Raumfahrt

Verleihunsgsordnung