Utmaningar inom bemannade och obemannade flygande farkoster

Predrag PucarSaab AerosystemsLinköpings universitet 2008-11-10

Disposition

Utmaningar:

Beslutsstöd för pilotUAV i kontrollerat luftrumModeller - verktyg i utvecklingsarbetet

Beslutsstöd i Gripen

Vad är beslutstöd i Gripen?

Multisensorintegration• Presentation: Information från flera

sensorer skapar en förståelig lägesbild till pilot eller förband.(bilden visar F-35 cockpit, Gripen konkurrent i bl a Norge)

• Styrning: Flera sensorer samverkar för att optimera informationsflödet. (bilden visar F-35 sensorer, Gripen konkurrent i bl a Norge)

Vad är Beslutstöd i Gripen?

AR

L1L0

OF1

W2

W1

R11R12

R13 R21

W3 W4 OF2

Mission

Situationsanalys• Tolkning av den sammanställda

lägesbilden för att ge piloten ett informationsövertag.(Vad är min motståndares nästa drag?)

Taktiskt Stöd• Föreslå till pilot eller automatiskt

genomförande av åtgärder baserat påsituationsanalysen(Vad bör mitt nästa drag vara?)

Uppdragsstöd• Hjälpmedel för pilot och förband att

genomföra sitt uppdrag.

Vilka utmaningar står beslutstödsområdet inför i framtida Gripen?

Det krävs vidareutveckling för att fortsätta ha ett konkurrenskraftigt beslutstöd i GripenVi har hård konkurrens från moderna plattformar som betonar sensorfusion och sensorsamverkan.

F-35 Eurofighter Rafale

Vilka utmaningar har vi inom multisensor integration i framtida Gripen?

En kraftigt ökad mängd information från sensorer kommer vara tillgänglig!• Ny högprestanda AESA Radar• Infra-Red Search and Track (IRST)• Uppgraderat EWS system• Uppgraderat IFF system• Bredbandsdatalänk ökad information från samarbetande enheter

En utmaning är att anpassa dagens sensorfusion för att hantera detta samtidigt som det ska fungera med ett realtidsystems begränsningarMed fler bildalstrande sensorer uppstår behovet av bildfusion, ett helt nytt område för Gripen

Vilka utmaningar har vi inom multisensor integration i framtida Gripen?

Mer sensorer innebär ökad pilotbelastning för att kunna genomföra sitt uppdragFör att lösa detta krävs ett beslutstöd som möjliggör att piloten inte behöver fundera på hur han ska kombinera sina sensorer. Detta ska ske automatiskt!Vi ser även en möjlighet att automatiskt låta sensorer hos flera flygplan inom ett förband samverka, både för skydd, spaning och bekämpning. Detta måste idag piloterna sköta till stor del via tal

Vilka utmaningar har vi inom situationsanalys och Taktiskt stöd i framtida Gripen?

Med fler nya precisionsmätande sensorer, kraftfullare displayer och bredbandsdatalänkar öppnas möjligheten för tillförlitliga taktiska stödfunktioner! • Ett exempel är att systemet kan föreslå manövrering i kombination

med motåtgärder för att undvika ett hot när man kan positionera hotet noggrant

En utmaning är att bygga upp ett helt nytt beslutstöd för en baksitsoperatör i den tvåsitsiga versionen av Gripen. Tills nu har dessa plan nyttjas i utbildningssyfte. Roller som kan tänkas är bland andra:• EW Operatör• Spaningsoperatör• Mission Commander

Vilka utmaningar har vi inom uppdragsstöd i framtida Gripen?

Införa mer automatik i form av automatisk omplanering av uppdrag. Tekniker finns men de måste fungera skarpt i ett realtidsystem där beräkningskraften är begränsadHanering av civila protokoll och regler blir allt viktigare för att kunna delta i internationella operationerAutomatiserad fördelning av mål-, spaning- och uppdragsrutter inom förbandet för att öka effektiviteten

Logistik

Något som vi anser är en konkurrensfördel är möjliggöra avancerad anpassning av beslutstödet hos kund genom att införa ett via stödsystem laddningsbart systemBygga dessa system modellbaserat, kräver ny verktygskunskap och nytt tankesätt

UAV i kontrollerat luftrum

Slide 13© ASD 2007©© ASD 2007ASD 2007

UAV Major Civil/SecurityApplications

Security:

• Border surveillance / reconnaissance

• All types of borders, movements

• Police / Terrorist action surveillance

• Maritime surveillance

• Survey and inspection of pipelines & power lines

• Tracking / Photography

Services:• Cartography and mapping

• Search and rescue

• Fire fighting monitoring and management

• Disaster Relief

• Environmental surveillance:• Oil spill / pipeline inspection

• Fishing restrictions

• Mineral exploration

• Imaging spectrometry

• Agricultural spraying

• Aerial photography

• Atmospheric / scientific / oceanographic / geophysical research

• Telecommunications relay platforms

UAVS are potentially more cost-effective and will

most probably have technology spin off for

Commercial Air Transport Systems

(e.g. single pilot/pilot free operation and safety)

Reduce the risk to humans in hazardous areas

Utmaningar

Anpassa regelverk• Ökar möjligheten att använda UAV• Nödvändigt för att få volym i civil UAV-marknad

Sense and avoid• Ett viktigt krav – att kunna se och undvika andra farkoster i

luftrummet

201020082006 2015

Sturup Demo

European single sky

Manned S&A UAV S&A

Sturup Demo

Analysis Centre

ESSL Tower ControlerAPP Radar Controller UAV Operator

03-10-06

Mixed Initiative from the Pilot, the Operator, the ATC and the System

• The operator needs to understand the behavior and intentions of the UAV e.g. to avoid creation of dangerous situations, stress, fatigue or reduced capacity due to UAV’s in the air space

• Coordination and command authority particular important for abnormal situation

Remote Control Station and operator Air Traffic Control

Operator

Manned Aircraft

Trust

Trust

Trust

Authority

Presence

03-10-06

Auto ACAS

Objective: Allow aircraft to operate in close vicinity without risk of collisions

• Three Overall Requirements• Ensure avoid capability• Minimize unnecessary activation of the system,

nuisance free operation• Does not create new dangerous situations

• General principles• Aircraft in vicinity exchange info on state vector and

intentions• Collision avoidance methods ensures that at least one

collision free path exists• The system overrides the pilot when needed to assure

collision free path

Auto ACAS?- no.Why do You ask?

Sense and avoid

Två huvudsakliga program på Saab:

Gripen – Auto ACASDemonstratorprogram för elektrooptiskt baserat S & A

03-10-06

AvoidShort time reaction- no humans in the loopCollision Avoidance Methods

Basic case- heads on collision avoidance

UAV Intruder

S&A

TCAS

Detection:Likely objectInitial track assumption

Final point of avoidance activationinitial point of avoidance activation

Warning?

ATM

SenseEO/IRRadar

Cooperative

Separate“Normal” ATC methodsVisual separation maneuvers

Model Based Systems Engineering

Development cost is crucial

Cost

Operational and maintenance cost

Production and development cost

1st generation 2nd 3rd

Operational effect

1955-1960-

1970-

1950-

1990-

Gripen

Gripen Demo first flight

27:th of May 2008

MBSE – Lean Development

Embedded

I/O

Ground

OpAmp

Diode

U = 1

Modellintegration och Systemsimulering

F

Struktur Fysiskasystem

ElektronikOptronik

Class G

Prop

GetSpe

Class H

Number

Logik/Styrning

Användning, Behov, Krav

f(t) -> L (s)Reglering

G(s)

F(.)

Modeller avinformation, behov,tjänster m.m.

Modeller avfysiska objekt

MBSE – modeling domains

MMIVirtuell

Omvärld

ArkitekturDefinitioner

What do we gain from systems modeling?

Create understanding

Data storageAnalyze SimulationTransformation

CommunicationVisualizationDocumentation

??!

MMost rapidchangesin this area… … but the changes

have to help us In this area

MBSE Visionen

Dokumentation Kod

Dimensionering Analys

“ Modellen är informationsbärare. Kod och dokumentation är produkter som genereras utgående från Modellen”

1553B Network

HUD Camera

DTU

WTU

BOY

FPU/RAU

Gun BOY

FTU/FAU

BOY

Pylon 1L Pylon 2L Pylon 3L Pylon 5L Pylon 4 Pylon 5R Pylon 3R Pylon 2R Pylon 1R

RS-422

UCP

RS-422

TAP

IFF

SMU

LCP

ACP

MassMemory

Unit

Cockpit switches(including HOTAS)

Cockpit indicators

DiscreteInput/Output

AMU

V/UHF2

V/UHF1FMC-1

RTHI 1 | 21553B

VideoProcessor

Unit

Serial Link

Real-time high-integrity LAN

Analog videoDigital video

Commercial Ethernet

Discrete I/O

“Bus 1”“Bus 2”“Bus 3”“Bus 4”

1553B

RS-422

Electronic Warfare Unit

IDM

SATCOM

Radar

IRST

LWR

TWD

FMC-2

RTHI 1 | 21553B

AIU

1553B RTHISwitch

A

Eth.Switch

TMC-1

RTHI 1 | 2 | 3 | 41553B

Eth.

RTHISwitch

B TMC-2

RTHI 1 | 2 | 3 | 41553B

Eth.

Analog or digital video

GECU

INS, GPS

RALT

OBOGS

B-ECU

FADEC

AECU

Anti-g

ADC-1

ADC-2

WAP

FCS

APECU

ILS, VOR

TACAN

CSMU

RS-485 / A-429Converter

RS-485

HDD

A-429

HDD HDD HUD HMD

I och med valet av IMA* och ett ARINC-653 är stora bitar av den grundläggande arkitekturen givna.

Funktionerna i vårt system realiseras i ett antal Applikationer som var och en utgör en egen Partition.

Varje Applikation är placerad i en eller möjligen flera (flera i fallet redundans eller backup-system) Moduler dvs. CPU:er med tillhörande I/O-funktioner.

* Integrated Modular Avionics

Partition 1

Partition OS

Application S/W

Partition 2

Partition OS

Application S/W

Partition 3

Partition OS

Application S/W

CORE OS

Module H/W

Board Support Package (BSP)

System Specific Functions(I/O –Drivers etc.)OS Kernel

ARINC-653-1 APEX

Avionik-arkitektur

When development teams meet => coordination of limited resources:SpaceWeightPowerCoolingBand-withCPU-time

Skilled engineersTime-scheduleFlight test

The Gripen systemWhy is it called complex?

Safety EngineeringConfiguration ControlRequirements ManagementManagement of engineering budgets• Weight • Power• Cooling

Engineering special techniques• Modeling & Simulation• Optimization

Information handling & control• Interfaces• Changes• Traceability

Risk Status & Control

Systems Engineering challenges inaerospace development

Subcontractor Management-ilities• Availability & Reliability• Maintainability• Reusability• Security

Performance of SE activities• Education & training• Decision logging & communication• Design Reviews