Avionica_2024.pdf

Ian Perissinotto Appunti di Sistemi Avionici ed Equipaggiamenti di Bordo A.A. 2023/24 Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Torino Indice Introduzione 9 Funzionalità dei sistemi avionici 9 Calcolatori avionici 12 Digital Da...

Ian Perissinotto Appunti di Sistemi Avionici ed Equipaggiamenti di Bordo A.A. 2023/24 Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Torino Indice Introduzione 9 Funzionalità dei sistemi avionici 9 Calcolatori avionici 12 Digital Data Bus 21 Esempi di bus per uso aeronautico 23 Architetture dei sistemi avionici 24 Architetture distribuite 24 Architettura digitale federata 25 Avioniche Integrate Modulari 25 Comunicazioni in Radiofrequenza 29 Fondamenti delle comunicazioni RF 29 Sistemi di comunicazione 33 Antenne 36 Sistemi di comunicazione per aeromobili 40 Gestione dei segnali a bordo 40 SATCOM 40 VHF 41 ACARS 42 HF 43 Radar - S&I 46 S&I - Surveillance and Identification 50 Radar secondario - Transponder 53 Traffic Collision Avoidance System - TCAS 55 ADS-B 58 Componenti elettronici di Bordo 59 Electrostatic Sensitive Devices - ESD 59 Fibre ottiche 61 Display 63  3 Strumentazione di Bordo 66 Primary Flight Display - PFD 66 Navigation Display - ND 66 Architetture dei display - EFIS 67 Electronic Flight Bag - EFB 68 Air Traffic Situation Unit - ATSU 69 Strumentazione in cabina 70 Sensori aria e inerziali 73 Flight Control System - FCS 77 Modi operativi FBW 78 Architetture FBW 78 Autopilot Flight Director System - AFDS 78 Flight Warning System 81 Terrain Awareness Warning System - TAWS 82 Automatic Diagnostic System 83 Servomeccanismi 85 Anello aperto 85 Anello chiuso 86 Performance dei servomeccanismi 87 Componentistica 88 Navigazione 90 Piano di volo IFR 91 Flight Management System - FMS 92 Bussole 92 Radionavigazione 93 Instrument Landing System - ILS 96 Microwave Landing System - MLS 98 Global Navigation Satellite System - GNSS 100 Global Positioning System - GPS 100 Augmentation del GNSS 101 Elenco delle figure 1 Evoluzione dell’integrazione dei sistemi avionici 10 2 ATA Chapters 11 3 Architetture dei calcolatori 12 4 Vista esplosa di un computer avionico 12 5 Sistemi di controllo ad anello aperto e chiuso 13 6 Generica linea di input 14 7 Multiplexer a 4 ingressi e 1 uscita 14 8 Fenomeno dell’aliasing 15 9 Conversione digitale-analogico 15 10 Struttura di un computer 16 11 Hard real-time e soft real-time 17 12 Configurazioni per la memoria di un sistema avionico 18 13 Assemblers, compilers e sistemi operativi 19 14 Una Data Word tipica 21 15 Topologie dei data bus 21 16 Protocollo time-slot allocation 22 17 Transmission rate di vari data bus 23 18 Evoluzione delle architetture dei sistemi avionici 24 19 Architettura analogica distribuita 24 20 Architettura avionica federata 25 21 Architettura IMA 26 22 Rack e armadi per avionica IMA 26 23 RTOS ARINC 653 28 24 Onda elettromagnetica 29 25 Polarizzazione 30 26 Signal power spectrum e waterfall plot 30 27 Bande di frequenza 31 28 Nomenclatura NATO per bande RF 31 29 Spettro RF 31 30 ACP in un Airbus A320 40 31 RMP in un Airbus A320 40 32 Range VHF in linea di vista 41 33 Spaziatura dei canali a 25 kHz e a 8.33 kHz 42 34 Sovramodulazione e aliasing tra due canali adiacenti 42 35 RMP di un Airbus A350 con i tre canali VHF 42  5 36 Schema di funzionamento dell’ACARS 43 37 Spettri RF di segnali HF 44 38 Principio di funzionamento del radar 46 39 Assorbimento atmosferico 46 40 Modo di ricerca aria-aria 47 41 Modo di ricerca ground-mapping 47 42 Effetto della risoluzione angolare 47 43 Radar a impulsi 48 44 Principio di funzionamento del radar meteo 50 45 Display EFIS + radar meteo di un Airbus A350 51 46 Pannello di controllo WXR di un Airbus A320 51 47 Display radar meteo di un EFIS 51 48 Principio di funzionamento del radar altimetro 52 49 Display PFD con altitudine radio, A350 52 50 Radar di sorveglianza primario - PSR 52 51 Radar di sorveglianza secondario - SSR 52 52 Transponder in modo C 53 53 Transponder in modo S 54 54 Principio di funzionamento del transponder - Pannello di control- lo ATC A320 54 55 Side-lobe suppression (SLS) 54 56 Interrogazione spuria da un Side-lobe 55 57 Variazione dell’advisory emessa in base al transponder dell’intruder 57 58 Volume di spazio aereo protetto dal TCAS 57 59 Manovra eseguita in seguito a una Resolution Advisory (RA) - Air- bus A350XWB Systems Briefing 57 60 Architettura tipica di un sistema TCAS 57 61 Architettura dell’ADS-B 58 62 Display con indicazioni del traffico ADS-B - FAA Instrument Fly- ing Handbook 58 63 PFD - Airbus A350 66 64 HSI in Rose Mode e Arc Mode - Dassault Falcon 2000EX 67 65 Navigation Display - Airbus A350 67 66 Schermo CPDLC di un FMS Honeywell 69 67 Anemometro e meccanismo di funzionamento 70 68 Altimetro e meccanismo di funzionamento 71 69 Principio di funzionamento del variometro 71 70 Principio di funzionamento di virosbandometro e coordinatore di virata 71 71 Virate corrette e con slip/skid 71 72 Bussola magnetica 72 73 Funzionamento di un Girodirezionale 72 74 Principio di funzionamento di un orizzonte artificiale 72 75 Strumentazione a T 72 76 Accelerometro Pendulous Force Feedback 73 77 Giroscopio di posizione 73 78 Ring Laser Gyro 74 6 79 Effetto Sagnac su un RLG 74 80 Principio di funzionamento di un LRG 74 81 Gimballed Platform 75 82 Kearfott Attitude Heading Reference System (AHRS) 75 83 Air Data Computer - Collins 76 84 Relazioni tra le funzioni di volo 77 85 Attuatore classico 77 86 Attuatore FBW 77 87 Leggi di controllo FBW 78 88 Architetture FBW Airbus e Boeing 78 89 Loop di controllo autopilota 79 90 Glareshield A350 79 91 Layout di un FCP 80 92 GPWS A350 82 93 Architettura ECAM A350 83 94 Controllo open loop 85 95 Controllo closed loop 86 96 Controllo di posizione dell’equilibratore 87 97 SID RNAV V RWY 16 - LFKB 90 98 Carta di avvicinamento ILS - LFKB RWY 34 91 99 MCDU A320 92 100 Principio di un antenna a loop 93 101 Antenna ADF imbarcata 93 102 Diagramma di radiazione dell’ADF 93 103 Segnali irradiati dal VOR 94 104 Variazione di fase con la radiale 94 105 Indicazione TO/FROM su un Course Deviation Indicator (CDI) 94 106 EHSI 94 107 Principio del radar secondario 95 108 Slant range 95 109 Piani individuati dall’ILS 96 110 Antenna del Localizer 96 111 Antenna del Glideslope 96 112 Avvicinamento ILS 97 113 Marker Beacons 98 114 Confronto tra ILS e MLS 98 115 Scanning dell’MLS 98 116 Calcolo del range da uno o due satelliti 100 117 Segmenti del sistema GPS 100 118 Treno di impulsi 100 119 Pseudorange 100 120 Calcolo della posizione con 4 satelliti 100 Elenco delle tabelle Introduzione Il termine Avionica, coniato nella seconda metà degli anni ’30, indica in maniera generale le AVIation electrONICS e le loro fun- zioni sempre più complesse e diversificate. Il primo sviluppo dei sistemi avionici è essenzialmente militare, durante la II Guerra Mondiale, in sistemi stand-alone che verranno successivamente inte- grati. Ad oggi, circa il 50% del costo di un velivolo, di un sistema d’arma o di un veicolo spaziale è imputabile ai sistemi avionici. Si individuano due principali passaggi evolutivi nello sviluppo dei sistemi elettronici di bordo: Anni ’60/’70 - Introduzione dei transistor e quindi dei com- ponenti a stato solido, che sostituiscono tubi e valvole Anni ’70/’80 - Avvento dei circuiti integrati La diminuzione di peso e dimensioni conseguente queste innova- zioni ha permesso di imbarcare sempre più elettronica sui velivoli ed impiegarla in tutti i sottosistemi. Funzionalità dei sistemi avionici Ogni sistema avionico ha generalmente le seguenti funzioni: Communication: capacità di comunicare a bordo del velivolo, con altri velivoli o con ground stations (PA, Radio, servizi ATC...) Surveillance - Identification: osservare l’ambiente cir- costante e individuare altri velivoli e oggetti, identificarli e permettere alle ground stations di identificare il velivolo Navigation: Determinare posizione e vettore velocità del velivolo - Determinare rotte e posizioni di waypoint Flight Control: Legato al punto precedente, determinare l’assetto (attitude) del velivolo e controllarlo (guidance) Vehicle Management: gestione degli Housekeeping Data di tutti i sistemi imbarcati Defense: Capacità di rilevare, localizzare e identificare le minacce, e di attivare le adeguate contromisure 10 appunti di sistemi avionici ed equipaggiamenti di bordo Figura 1: Evoluzione dell’integrazione dei sistemi avionici Weapons management and attack: gestione degli arma- menti CNI: Communication, Navigation, Nel tempo, i sistemi avionici sono stati sempre maggiormente Identification integrati tra loro, passando da sistemi completamente indipendenti, a sistemi stand-alone che scambiano informazioni ad avioniche integrate, che usano gli stessi componenti per svolgere funzioni anche molto diverse tra loro. Questo comporta un aumento di: Complessità: per avere quindi alta affidabilità è necessaria la ridondanza, che genera un aumento di peso e costi. Le avioniche integrate possono anche redistribuire le funzioni sui componenti non danneggiati. Affidabilità: il sistema continua a funzionare nonostante la failure di un componente Supportability: si cerca di riutilizzare più componenti hardware e software dai progetti precedenti, abbattendo quindi i costi di certificazione Software programs: aumento del numero di software Memoria: aumento fisico della memoria disponibile Throughput: numero di operazioni al secondo Capacità di Data Handling: gestione e manipolazione dei dati generati dal sistema Obsolescenza: Per ridurre i costi, si cerca di utilizzare, soprattutto in ambito civile, più componentistica elettronica COTS1. Le 1 Component Off The Shelf: prime avioniche e quelle odierne militari utilizzano soprattutto componentistica commerciale componenti certificati standard MIL, S o RAD-HARD2. Questi 2 RADiation HARDening per ambienti componenti possono costare anche 100 volte in più rispetto al soggetti a radiazioni loro equivalente COTS (in termini di prestazioni). Subiscono  introduzione 11 test accelerati con radiazioni. Si preferisce utilizzare componenti COTS e montarne di più per ridondanza. La componentistica MIL era progettata per andare meno in obsolescenza L’avionica integrata genera una diminuzione delle dimensioni, quindi del peso e del consumo di energia a bordo3 3 Un amplificatore a valvole consuma più di uno a stato solido a transistor Un Sistema è un insieme di elementi (hardware, software, per- sone, strumenti) strutturati in maniera tale da assolvere a una Il concetto di sistema varia a seconda funzione (missione) per soddisfare una necessità (indicata dal delle circostanze: un attuatore è un sistema di componenti (pistoni, cliente) valvole...) ma è anche parte del flight Il sistema avionico è (come ogni sistema) un insieme di sottosiste- control system di un lanciatore. Il lanciatore è parte di un sistema globale mi, divisi in diversi equipaggiamenti composti da singoli componenti e di accesso allo spazio per un’agenzia moduli spaziale. System −→ Subsystems −→ Equipment −→ Components / Modules L’Avionica rompe i confini tradizionali dei sottosistemi. Oggi è presente in percentuale diversa anche in sistemi non avionici, come ad esempio il controllo della spinta dei motori o il sistema idraulico, soprattutto con progetti di more electric aircraft. Aircraft System Figura 2: ATA Chapters Aircraft Training Support Facilities Personnel 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 Environmental Avionics Electrical Interiors Mechanical Propulsion Auxiliary Airframe Segment Segment Segment Segment Segment Segment Segment Segment 21: Air 22: Auto- 24: Electrical 25-10: Crew 27: Flight 21: Air 28: Fuel 53: Fuselage Conditioning flight Power Accomod’n Controls Conditioning 25-20: 21: Cabin 33-30,-40-50 29: Hydraulic 55: 23: Coms Pass’gr 54: Pylon Pressure Lighting Power Empenage Accomod’n 30: Ice & 31: 25-30: Water, Waste, Lavs 32: Landing 71: Power Rain Recording & 57: Wing & Galleys Gear Plant Protection Indicating 25-60: 34: 76: Power 35: Oxygen Emergency Navigation Control Provisions 36: 33-10: Signs Pneumatic & Lights Calcolatori avionici I calcolatori per l’avionica sono Embedded Systems: sono ba- sati su un processore (unità pensante) che lavora in tempo reale per controllare un sottosistema, senza la necessità di un’interfeccia con l’utente. Devono lavorare in ambienti ostili a causa delle condizioni esterne e delle interferenze elettromagnetiche interne. Desktop/Laptop Personal Computer (PC) Figura 3: Differenti architetture di un Avionics Computer (LRU) calcolatore avionico e un di PC CPU Maths (Pentium etc) Co-processor Analogue to Video Monitor Central Memory (VDU) Analogue Digital Processor Inputs Conversion Unit (A/D) BIOS Boot Hi-Speed DRAM Video Digital to Memory SRAM cache Main Memory Processor Analogue Analogue (Firmware) memory Northbridge Outputs Conversion (D/A) Memory Questi calcolatori sono molto dipen- Synchro to denti dal tempo, dato che devono Keyboard Digital lavorare in real time. Il clock inter- Southbridge Synchro Conversion (S/D) Local Bus to USB no fornisce solo un certo tempo per Mouse Analogue Discrete svolgere una determinata operazione. Inputs & I/O Outputs Hard Drive Local Bus to SCSI Aircraft Power Power Supply Bus Interface Local Bus to CD/DVD Drive 115Vac or Unit (RX/TX) LAN Ethernet 28Vdc Local Bus to Other PCI Devices Data Bus Network Network Tecnologie Hardware I componenti hardware vengono valutati secondo due parametri: flessibilità ovvero la capacità di cambiare funzionamento e svolgere operazioni diverse e process intensity o ottimizzazione, ovvero la capacità di svolgere al meglio le operazioni per cui il componente è stato progettato. In base a queste due caratteristiche: si individuano tre famiglie di Figura 4: Vista esplosa di un computer componenti: avionico ASIC: Application Specified Integrated System - Esegue un’u- nica operazione in modo estremamente ottimizzato. Non è riprogrammabile. FPGA: Field Programmable Gate Array - É composto da una parte programmabile e da una non programmabile.  calcolatori avionici 13 DSP: Digital Signal Processor - Ad esempio un processore, esegue molte operazioni diverse in modo non ottimizzato Sistemi di controllo I calcolatori e gli equipaggiamenti avionici sono la base dei sistemi di controllo. I principali sono quelli ad anello aperto e ad anello chiuso con feedback. Figura 5: Sistemi di controllo ad anello aperto e chiuso Data handling Il sistema di gestione dei dati combina le informazioni dalle va- rie fonti e le rende disponibili ad essere scaricate (downlink) o utilizzate a bordo Condizionamento e protezione del segnale Un velivolo rappresenta un ambiente molto ostile per i segnali analogici a media-bassa tensione. Il cablaggio del velivolo può funzionare come un’antenna, specialmente in strutture composite. Vanno quindi adottate misure specifiche per limitare gli effetti di picchi di tensione e corrente dovuti a fulmini, HIRF (High Intensity Radio Fields) e interferenze con altri componenti elettronici. 14 appunti di sistemi avionici ed equipaggiamenti di bordo Figura 6: Generica linea di input Aircraft Signal Digital Digital Clamping EMI Filtering Hysteresis Wiring Conditioning Conversion Processing ADC Suppress Filter RF Noise Suppress Condition Voltage Surge Jitter Signals Spikes Suppression Si includono le seguenti protezioni aggiuntive dai singoli feno- meni: Voltage clamping - Protegge dai picchi di tensione, presenti anche quando si accende o si collega una linea EMI Filtering4 - Elimina il rumore RF (da radiofrequenza) e 4 Electro Magnetic Interference minimizza le sovracorrenti Surge protection - Minimizza le sovracorrenti dovute ad effetti esterni Isteresi - Evita le resistenze magnetiche nel passaggio del segna- le da 0 a 1 e viceversa Multiplexer - MUX Multiplexing è un termine generico che indica l’operazione di in- viare diversi segnali analogici o digitali lungo un’unica linea di trasmissione comune. Figura 7: Multiplexer a 4 ingressi e 1 Il multiplexer serializza i segnali di ingresso. Questi ultimi ven- uscita gono selezionati attraverso i select pins (segnale binario) e inviati uno a uno all’output. In questo modo può entrare un’unica linea nell’ADC MUX 16 canali → 4 select pins - 24 MUX 8 canali → 3 select pins - 23 Analog to Digital converter - ADC Il convertitore analogico - digitale svolge le due operazioni di sam- pling (campionamento nel tempo) e quantizzazione (nella tensione) di un segnale analogico.  calcolatori avionici 15 Il sampling è governato dal Teorema di Nyquist fc : frequenza di campionamento fm : massima frequenza del segnale da f c > 2, 2 · f m campionare Di solito non si impiega il fattore 2,2 ma la frequenza di campio- namento è almeno 10 volte quella del segnale analogico, per non perdere informazioni. Le dimensioni dello step sull’asse tensione seguono la regola Vpp : tensione del segnale in ingresso M: livello di quantizzazione = 2n con Vpp n bit usati per quantizzare il segnale ∆V = (dai parametri di missione) M Il massimo errore di quantizzazione (errore tra il segnale analogico e quello digitale) è definito come Ovvero metà dello step di max( E) = 0, 5 · ∆V quantizzazione Parametri importanti degli ADC: Refresh rate: intervallo tra due output di dati consecutivi, ovvero ogni quanto il dato in output viene aggiornato Latenza: tempo necessario a ricevere l’output dato l’input 3.0 Uso dei filtri anti-aliasing Lower Upper Il fenomeno dell’aliasing avviene quando il segnale cambia più 2.0 Sideband Sideband Amplitude velocemente di quanto lo si misura, ovvero quando la frequenza di sampling è più bassa della frequenza di Nyquist. 1.0 Aliasing Non tutti i sistemi di un velivolo sono sistemi di controllo a sam- pling continuo; alcuni, come ad esempio l’estensione del carrello 0.0 di atterraggio, sono controllati da un singolo evento. In questi si- fs 2fs Frequency 3fs stemi è fondamentale gestire le latenze di processing e controllare Figura 8: Fenomeno dell’aliasing la corretta sequenza degli eventi. I malfunzionamenti dovuti a ciò possono essere controintuitivi e non prevedibili. Conversione digitale - analogico +2.0 Impulse Train +2.0 Zeroth Order Hold +2.0 Figura 9: Conversione Reconstructed Analogue Signal +1.0 +1.0 +1.0 digitale-analogico Amplitude Amplitude Amplitude 0.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 -1.0 -2.0 -2.0 -2.0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Time (secs) Time (secs) Time (secs) Impulse Train.vsd 200412 ZO Hold Output.vsd 200412 Reconstructed Analogue Output.vsd 200412 Zero Order D-to-A Hold Zeroth Converter Digitised Analogue Output Order Output (Impulse Hold Train) Il processo che genera un segnale analogico a gradini, a partire dalla serie di dati quantizzati digitali è detto Zeroth Order Hold (ZOH) ed è il processo inverso del Sample and Hold (SH) usato per una conversione AD. Il circuito ZOH produce informazioni continue fisse in una scala a gradini. Questa scala viene filtra- ta per smussare i gradini e ottenere un segnale analogico quasi sinusoidale. 16 appunti di sistemi avionici ed equipaggiamenti di bordo Architettura dei computer avionici I sistemi avionici dei velivoli moderni, sempre più complessi, uti- lizzano computer basati su microprocessori. Questi sistemi com- binano hardware e software e sono in grado di processare grandi quantità di dati in breve tempo. I componenti principali di un calcolatore sono: Una Central processing unit (CPU) Una memoria composta da dispositivi read/write (RAM) e read only (ROM) Input e Output (I/O) Un Address bus che specifica le posizioni delle celle di memoria Un Data bus che trasferisce i dati Un Control bus che fornisce il tempo e i segnali di controllo al sistema Figura 10: Struttura di un computer Gestione e sincronizzazione del tempo La gestione del tempo è importante per la sincronizzazione e la datazione / time-tagging delle informazione. Il tempo può essere fornito da diversi sistemi, quali ricevitori GPS, contatori controllati dal computer, oscillatori ultra-stabili e timer hardware. I parametri critici per questa funzione sono: Time word granularity: il più piccolo incremento di tempo misurabile Stability requirement: dipende dalle prestazioni dell’oscilla- tore e si riferisce alla capacità di mantenere la time word senza introdurre errori. Oggi, gli orologi atomici hanno una grande stabilità Acceptable uncertainty: l’incertezza può essere dovuta alla natura non sincrona di un processore sotto interrupt control. Interruzioni con alta priorità possono ritardare l’aggiornamento della time word.  calcolatori avionici 17 Real-time processing Gestione ed elaborazione delle informazioni mentre l’evento avviene o subito quando l’informazione è creata. Solitamente, l’elaborazione fatta a bordo e dai sistemi embedded è in tempo reale. Hard real-time: richiede che i risultati vengano ottenuti in un Figura 11: Hard real-time e soft real- determinato tempo, uscire dai limiti imposti ha conseguenze time gravi. Soft real-time: richiede solo che la richiesta sia eseguita il prima possibile; mancare un limite di tempo degrada le prestazioni, ma il processo non viene interrotto. Watchdog timer Quando un computer di un veicolo spaziale è usato per fornire capacità di decision-making a bordo, si è soliti fornire un metodo per determinare i guasti ai computer indipendenti dal processore stesso: questo elemento è detto Watchdog timer. Questo verifica che hardware e software del computer funzionino come previsto. Soli- tamente, questa funzione sfrutta uno o più timer che devono essere resettati dal computer di bordo prima di un time-out. Se questo non avviene, il watchdog timer esegue un’azione di ripristino pre- determinata, ad esempio un reset del computer, un’interruzione o una sospensione che viene mantenuta fino a quando non si riceve un comando da terra. Memoria La memoria conserva la sequenza di istruzioni da eseguire, oltre a fornire spazio per le costanti, variabili in input, variabili intermedie e risultati in output dal processo di calcolo. Memoria a semiconduttori ROM (Read Only Memory) per codice di programmi e ogni tipo di dato permanente che deve essere conservato. I dati conservati sono detti non volatili perché si mantengono intatti quando l’alimentazione è scollegata. Memoria a semiconduttori RAM (Random Access Memory) per dati transitori e variabili utilizzate dai programmi. É una memoria volatile. Per indicare la dimensione dello Memoria Flash per immagazzinare software applicativo. Ha spazio di archiviazione, si utilizzano un’alta densità e velocità, ma un limitato numero (