L'installation d'essais en vol A380

10/10/2017
Publication REE REE 2005-10
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-10:20210
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L'installation d'essais en vol A380

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TÉLÉMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL 1 a L'installation d' L en vol A380 essais Par Frédéric ABADIE, Denis LAFOURCADE, Jean-Yves PLASSE AIRBUS - EYTM rkrà rrelm A380, IENA (Installation d'Essai pourNouveaux Avions), Réseau Ethernet embarqué L'architecture d'Installation d'Essais pour de Nouveaux Avions -IENA, transposi- tion en contexte aéronautique de technologies grand public, a été rendue néces- saire par les innovations technologiques de l'A380 et par la quantité de para- mètres à acquérir. Introduction L'installation d'essais en vol (IEV) est un élément primordial dans le processus de certification d'un nouvel avion ; elle répond à des besoins très spécifiques : datation précise, conditions d'environnement sévères et performances élevées. L'ancienne génération d'IEV, conçue au début des années 80, n'avait connu depuis lors que des améliorations et des augmentations de perfor- mances, mais jamais un redesign complet n'avait été entrepris avant l'A380. Les figures 1 et 2 retracent respectivement les évolutions des quantités de chaînes de mesures et de paramètres enregistrés dans les IEV de toute la famille AIRBUS depuis l'A300. On y voit clairement la croissance expo- nentielle engendrée par l'A380, et on comprend la néces- saire refonte de l'IEV pour répondre à un besoin aussi fort. L'architecture IENA (installation d'essais pour les nouveaux avions) décrite ici montre que des technologies éprouvées dans le domaine grand public peuvent être avantageusement utilisées dans une architecture embar- quée, permettant l'utilisation de calculateurs standard tout en gagnant en modularité, flexibilité et robustesse. Les grands principes de l'architecture IENA ont été conçus dans les années 1990 par les équipes des Moyens d'essais Airbus qui avaient la lourde tâche d'imaginer l'IEV du futur. Les concepts généraux ont été validés durant une phase de recherche avant de demander aux fournisseurs de développer ces nouveaux systèmes. L'intégration et la validation ont d'abord été menées en vol sur A318 et sur A340, en appoint de l'installation d'essai classique. Le 27 avril 2005, le premier vol d'essai de l'A3 80 MSN 1 a couronné le succès de la première ins- tallation d'essais en vol au monde sur avion civil inté- grant une technologie réseau embarquée. 1. Principes L'architecture IENA est découpée en 4 niveaux : e Nl (Niveau 1) : Capteurs C'est l'étage d'entrée de l'installation d'essai, qui effectue la conversion de la grandeur physique (pression, température, contrainte...) en grandeur électrique mesu- rable (tension ou courant). Certains systèmes de Niveau 1 intègrent des fonctions de type Niveau 2 : filtrage, conversion analogique/numérique... a N2 (Niveau 2) : Acquisition Les systèmes de Niveau 2 reçoivent des entrées ana- logiques, discrètes et numériques et réalisent les fonc- tions suivantes : SSENTIEL SYNOPSIS Par sa taille et par les innovations technologiques que l'A380 intègre, la quantité d'information à enregistrer et à traiter à bord des prototypes d'essai a connu une augmentationjamais égalée. Pourassurer la campagnede certification du nouveaugéant des airs, mais aussi en prévisionde nouveauxprogrammes toujours plus exigeants, AIRBUSa entièrement repensé l'architecture de ses Installations d'Essais en Vol. Avec les concepts IENA, elles sont devenues plus performantes,plus modulaireset moins coû- teuses en tournant le dos au monde de la télémétrie classique pour entrer dans l'ère des réseauxet des télécommunications. By its size, and becauseof the technological gap that has been achievedwith A380 systems, the amount of data to be recorded and computed on board of a prototype aircraft has drastically increased.To perform the flight test campaign of the new giant, and to be ready for always demanding new programs, AIRBUS has designed from scratch a brand new Flight Test Installation architecture. With IENA, FTI havebecome more efficient, more modular, and cost-saving, by get rid of the classical telemetry technologiesto jump into the networks and telecommunications century. REE Nu 10 Novembre 2005 m D 0 s s 1 e r TÉLÉMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL i (ili 41-iij-i ?,nr ! A380 A340-600 « o c.A A340 A340 FANS A300 A310 A320 1 21 DA13PW A330, ZM21 10000 D U na n o r vv A319 q3l8 CFM A330-200 A300-600 Figitre 1. Challies de iiiesitre. 4 Ivr o 3,A, A ,/\. LP A340FANS A330-200FAN A31 A320 o32> 9/A340600 A300 A310 EIA340 A330-200 A300-600 Figttre 2. Pararvètres enregistrés. Pour les entrées analogiques : pilotage des cap- teurs, filtrage, échantillonnage, conversion analo- gique/numérique Pour les entrées numériques : sélection des labels, filtrage temporel, calcul de statistiques Pour toutes les entrées : datation synchronisée par l'horloge globale (précision et résolution : 1 ils), mise en forme des donnes en paquets IENA, émis- sion des paquets vers les destinataires de Niveau 4 e N3 (Niveau 3) : Concentration & distribution Le N3 est spécifique de l'architecture IENA ; c'est là que sont concentrés les flux de données issus des N2 et destinés aux N4. Il n'y a pas de modification de la donnée au N3, les seules actions effectuées sont la recopie et l'aiguillage des trames entrantes vers les liens de sortie. Ces fonctions sont assurées par des switchs Ethernet standard. a N4 (Niveau 4) : Enregistrement et traitement Les systèmes N4 sont les destinataires à bord des paramètres avion : . Enregistreurs de masse : pour analyse temps différé au sol . Calculateurs de bord : assurant le pré-traitement des données, l'affichage pour l'Ingénieur navigant d'essai et les commandes/contrôles de tous les péri- phériques de l'IEV . Emetteur télémesure La base de données SABRE regroupe les configura- tions complètes de tous les éléments de l'installation. Elle décrit le cheminement complet de tous les paramètres REE W 10 Novembre 2005 L'installation d'essais en vol A380 1 , _a : . u. . . N l l l l 1111 - ; "-- '-'-.,-..,--- r \ ! N2 N2 .Îr/T72ir8S ip i _i[, i.P ILEDIP /J ?' actjfu/s ! j a ;r;;er :ï Er,r.A acquis 1Ïi S i S i I S j \ 1 " 1. " Il \, 1 \, 1 " I f i i ".. ", " 1 1 < id'1..r, !', l'-'- l " l, 1 l, ...Ik le lm l,II. l,IL 1 ë.i' ? 1e 1 S I y s i " ',. " 1 r !'} 1 r--17- 1 N4Enreqi-trercrt ti4 Tr.-,iter,-,ert N4Enre-pi--trerrrt Figure 3. Ré.eaii IEVA380. avion, depuis le tout début de la chaîne (phénomène physique) jusqu'au post-traitement des paquets IENA après enregistrement. Un réseau Ethernet au coeur de l'IEV Le Niveau 3 constitue le noeud des communications dans l'installation d'essai ; il assure l'interconnexion entre les N2 et les N4 par un réseau local Ethernet switché. Les switchs N3 permettent de transférer les flux de données issus des différents émetteurs vers un ou plusieurs récepteurs N4, en recopiant les trames si nécessaire. La communication réseau utilise l'adressage Multicast (i.e. par groupes), qui permet à une trame émise par un N2 d'être acheminée vers tous les N4 qui sont abonnés à cette adresse de groupe. Les switchs et l'adressageMulticast pemlettent êgalement le partage d'information entre les 3 chaînes d'une instal- lation d'essai classique : basique, large bande et sécurité comme montré sur la fisure 3. 2. Les spécificités IENA Même s'il est largement basé sur des standards indus- c triels ou grand public, le réseau Ethernet IENA présente quelques spécificités liées au caractère embarqué de l'ins- tallation. . Multicast Statique Comme on vient de le voir, le réseau IEV utilise largement l'adressage Multicast (d'un émetteur vers c plusieurs récepteurs), qui est courant dans les réseaux industriels, mais plus rare en configuration d'aiguillage CD statique. Un adressage dynamique de type IGMP (Internet Group Management Protocol) n'a pas été implémenté car certains systèmes N2, ne comportant pas de processeur ni d'Operating System, ne pouvaient pas supporter simple- ment ce service. De plus, l'utilisation de Multicast statique permet de réduire le trafic parasite lié à IGMP, ce qui est toujours souhaitable dans un réseau orienté temps réel. · Désactivation des protocoles dynamiques Si quelques services dynamiques restent nécessaires au bon fonctionnement d'un réseau local comme celui de l'IEV, une campagne de réduction des protocoles difficilement maîtrisables a été menée pour réduire au maximum la perturbation sur le transfert des paramètres d'essai. Ainsi, des protocoles standard comme IGMP, STP (Spanning Tree Protocol) ou propriétaires comme CDP (Cisco Discovery Protocol) sont interdits sur le réseau IEV. Seuls les incontournables ARP (Address Resolution Protocol) pour permettre le téléchargement et ICMP (Internet Control Messages Protocol) pour faciliter le debug ont été conscrvés. a Adresses IP pin-programmées Afin de réduire les actions de configuration à bord de l'avion, la plupart des systèmes intègrent une prise de pin- programming encodant directement leur adresse IP uni- cast. Les activités de support sont ainsi minimisées : un système sous tension, sous réserve que ses connecteurs REE NO 10 Novembre 2005 . DOSSier) TÉLÉMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL soient branchés, prend automatiquement l'adresse IP qui lui est physiquement assignée. Il est alors immédiatement opérationnel pour transmettre des données, ou pour subir le téléchargement d'une nouvelle configuration depuis n'importe quel point du réseau. . Redondance réseau Classiquement, sur avion d'essai, les enregistreurs de masse N4 sont doublés afin de faciliter l'exploitation de données en temps différé, mais surtout pour sécuriser l'installation. La panne d'un enregistreur ne compromet ainsi pas un essai, et laisse à l'ingénieur navigant la pos- sibilité de poursuivre son vol sans pertes de données. Cette redondance peut facilement être étendue au réseau IEV lui-même : pour les premiers A380 d'essai, les systèmes N2 et N4 supportent une liaison Ethernet redondée et les switchs N3 sont doublés. Les switchs du réseau redondé supportent exactement la même configu- ration que ceux du réseau principal, et les flux de données sont identiques sur les deux réseaux. e Couche physique Pour tirer profit de la technologie AFDX (Avionics Full DupleX) de l'A380, la même couche physique a été choisie pour le réseau IEV que pour le réseau de bord avionique. Le câble STARQUAD utilisé présente des caractéristiques comparables à un câble Ethernet de caté- gorie 5e, mais supporte des conditions d'environnement et d'utilisation plus sévères. Les équipements standard (majoritairement N3/N4) ont été adaptés pour supporter la connectique et le câbla- ge AFDX. Ainsi, le câblage étant identique sur l'IEV et sur le réseau de bord avionique, les activités de produc- tion en chaîne d'assemblage sont grandement simplifiées. 3. Les défis de IENA La raison d'être d'une installation d'essais est de four- nir des mesures sur un avion : elle se doit d'être plus pré- cise, plus performante que les systèmes avion eux- mêmes, et d'acquérir toutes ses chaînes de mesure pen- dant des durées supérieures au plus long vol. Si l'on y ajoute que la définition de l'installation d'essai est tou- jours postérieure à celle de l'avion -car elle doit s'y adap- ter- et qu'elle doit être disponible bien avant le premier prototype de l'avion, on comprend combien les défis aux- quels le pôle Essai AIRBUS a été confronté ont été ten- dus : e Défis techniques Initialement, la technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode) avait été retenue pour assurer la concen- tration et la distribution des données entre le Niveau 3 et le Niveau 4. Cette solution a été abandonnée avec l'émer- gence d'Ethernet comme le standard de communication, tant dans le monde industriel que dans le grand public. L'argument décisif, lors de la conception d'une nou- velle architecture d'IEV qui doit durer plusieurs décen- nies, est la pérennité attendue, et sur ce point ATM sem- blait bien plus incertain qu'Ethernet. De plus, la techno- logie ATM est relativement plus complexe et plus coû- teuse à intégrer. e Qualité de service La première exigence sur le réseau Ethernet IEV est de garantir une transmission sans perte, la seconde exi- gence est de borner le temps de transmission des données entre les N2 et N4. Des pertes de données non détectées au sein de l'IEV peuvent remettre en cause les analyses menant à la certification de l'avion ; et un retard trop important (> 200 ms) sur les paramètres affichés au poste ingénieur navigant peut mettre en péril l'avion lors d'essais structuraux aux limites. D'un côté la technologie PCM (Pulse Code Modulation) IRIG 106 employée jusqu'alors permet une transmission très contrôlée, basée sur une émission syn- chrone et un positionnement cyclique des paramètres ; mais elle présente de fortes limitations opérationnelles (liaisons unidirectionnelles, principalement point à point) et de faibles performances (quelques Mbit/s maximum). D'un autre côté, Ethernet apporte une bande passante bien supérieure et donne de la flexibilité aux échanges (émission asynchrone, adressage souple) mais nécessite une surveillance précise de la non-saturation des équipe- ments, de la latence dans le réseau et des phénomènes de congestion. Pour répondre à ce besoin de "Management de la Qualité de Service ", les surveillances réseau effectuées aux N3 et N4 sont réinjectées dans les systèmes N2 comme paramètres de surveillance de l'IEV, permettant en temps réel à l'ingénieur navigant de connaître l'état de son installation d'essai. En temps différé, une vérification systématique de la continuité sur les paquets IENA per- met d'assurer qu'aucune donnée n'a été perdue dans le réseau. A ce jour, après près de 50 vols d'essais sur A380 MSNI, aucune perte de données n'a été constatée sur le réseau IEV durant les vols d'essai. De plus, les configurations de tous les équipements étant générées dans la base de données SABRE avant d'être portées sur avion, un outil de prédiction de la charge réseau résultante est en cours de validation au pôle Essai d'Airbus, qui affiche un status " GO/NO GO " à chaque nouvelle configuration IEV générée. . Adaptation des systèmes IEV Si Ethernet est un standard industriel de fait, il est encore rarement utilisé dans le domaine des moyens d'essais aéronautiques. Aussi nos fournisseurs ont dû adapter leurs systèmes d'acquisition, de traitement et d'enregistrement de données à cette évolution technolo- gique. Pour quelques-uns, utilisant déjà des technologies orientées réseau (PowerPC, Operating System basés Linux ou Unix...) l'effort a été minime ; mais pour REE N 10 Novembre 2005 L'installation d'essais en vol A380 IEVBasique IEV Large Bande A340500-600 2 x 4 x 786,432 = 6,30Mbit/s 64x 2,5 kHz x16bits = 2,560Mbit/s A380 80Mbit/s max 40Mbit/s observés 80Mbit/s max 50Mbit/s observés Gain x 12 max , x 6 observé x 31 max x 20observé Figtire 4. Coiiiparaisoii des bandes passantes sur les liens physiques. certains systèmes N2 développés avant le choix d'Ethernet dans les IEV Airbus et n'intégrant pas de processeurs ou étant dénués d'OS, un gros travail de développement a été accompli. Dans certains cas un développement FPGA a été effectué, dans d'autres un séquenceur a été implémenté sur micro-contrôleur. Il faut noter la très grande diversité de systèmes, provenant de multiples fournisseurs dans l'IEV A380 (4 fournisseurs uniquement pour environ 10 références de systèmes N2). L'interopérabilité n'a paradoxalement pas posé de réelle difficulté lors de l'intégration du réseau IEV, la profusion de moyens de test Ethernet fiables et de faible coût ayant permis à chaque fournisseur d'aller très loin dans la validation. a Une IEV garantie à vie La durée de vie d'une installation d'essai se compte en décennies ; par exemple l'A320 MSNI effectue encore régulièrement des campagnes d'essai après plus de 15 ans de mise en oeuvre. Malgré tout, le pôle Essai Airbus doit garantir que ses moyens d'essai sont pleinement opéra- tionnels durant toute la durée de vie d'un programme, et ce pour plusieurs programmes successifs. Le choix qui a été fait sur IENA est de se tourner réso- lument vers les technologies les plus répandues afin de sortir du marché de niche des installations d'essai et de réduire les coûts de conception, d'exploitation et de main- tenance. Malheureusement, les systèmes "COTS " (Components Off The Shelf) ont une durée de vie qui est plutôt de l'ordre de 5 ans, voire moins de 2 ans de pré- sence catalogue pour certains switchs Ethernet. Ne pouvant garantir une pérennité de fait sur les sys- tèmes individuellement, nous avons choisi la pérennité des fonctions. Pour tous les systèmes COTS, et surtout pour les switchs, nous avons retenu autant que possible des fonctions simples et répandues (UDP/IP, Multicast, 100 Mbit/s...), avec un bon niveau de confiance qu'elles perdureront sur les futures générations. Même si les équi- pements ne sont plus maintenus dans les 10 prochaines années, d'autres seront disponibles qui implémenteront ces fonctionnalités ; les adaptations aux spécificités IENA sont maîtrisées à Airbus et pourront toujours être portées sur de nouveaux systèmes. 4. Les gains apportés par IENA Comme on le voit sur la figure 4, le passage d'une IEV basée sur du PCM à un réseau Ethernet accroît énormément les performances de transmission sur le lien physique. La comparaison entre les IEV Basiques A340- 500/600 et A380 fait ressortir un gain brut d'un facteur 12, l'utilisation actuelle étant encore à la moitié de la bande passante maximale. En plus du gain très marquant en performances, l'architecture réseau induit d'autres avantages : . Partage des données entre les installations Basique, Large Bande et Sécurité, qui opéraient précédem- ment de manière indépendante Flexibilité dans l'architecture : des systèmes N2 et N4 peuvent être ajoutés ou enlevés sans autre modification que le câblage et/ou la configuration logicielle d'un switch Téléchargement en un seul point : un PC connecté sur un port de switch N3 peut télécharger n'importe quel N2/N3/N4, allégeant énormément le processus de configuration de l'IEV avant vol Réduction des coûts des équipements IEV : l'expé- rience nous a montré que la différence entre des conditions d'environnement " industrielles " et celles requises pour une installation d'essai dans un Airbus n'étaient pas trop difficiles à combler Réduction des coûts de test, de maintenance et de debug par l'utilisation d'outils très répandus et fiables issus du monde des télécommunications et des réseaux. 5. Perspectives pour les futurs programmes L'A380 est le premier Airbus à faire voler une instal- lation d'essai IENA complète, mais les prochains pro- grammes vont également bénéficier de cette technologie. Avec la maturité du réseau IEV et le premier retour d'ex- périence opérationnelle sur A380, de nouvelles opportu- nités sont d'ores et déjà à l'étude : · Déclinaison vers des installation d'essai légères pour essais en vol sur avions de série REE Nn 10 Novembre 2005 M Dossier , TELEMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL Elimination de la redondance réseau s'il est confirmé que le taux de panne des switchs est très faible, même en environnement sévère Mise à niveau en Ethernet Gigabit sur la même couche physique cuivre Transmission sans fil, dans un premier temps sur les liens de téléchargement et de debug Connexion entre le réseau IEV et le réseau usine Airbus, permettant une exploitation distribuée des données d'essai Ouverture de l'architecture IENA aux flux audio et vidéo 6. La devise Airbus : " Setting thé standards " L'architecture IENA ouvre la voie vers une nouvelle ère pour les installations d'essais en vol. Elle ferme définitivement la porte aux bonnes vieilles solutions spécifiques de transmission et d'enregistrement de données, qui ont mené à des équipements spécifiques, toujours en retard par rapport aux technologies du moment. La nouvelle architecture d'IEV Airbus supporte non seulement les évolutions technologiques de l'A380, mais elle réussit au delà de son objectif à rendre les essais en vol plus simples, plus efficaces et moins chers. Son concept modulaire lui permet de s'adapter à des installations lourdes pour avions prototypes et légères pour essais sur avions de série. Le format des paquets IENA utilisé pour véhiculer les paramètres dans le réseau IENA a été breveté par Airbus. Il est aujourd'hui proposé par les acteurs majeurs dans le domaine des moyens d'essais ; il pourra devenir dans le futur un standard pour l'enregistrement et le traitement de données à bord. mm a u e u r s Frédéric Abadie est ingénieur électronicien (ENSEEIHT, Toulouse, 1996) et titulaire d'une Maîtrise de Physique (Université Paul Sabatier, Toulouse, 1994), depuis 1998, il conçoü des systèmes d'acquisition et d'enregistrement de données pour les essais sol et vol à AIRBUS, Après avoir participé à la phase de conception de l'AFDX tAvionics Full DupleX) pour le pôle Essais. il est aujourd'hu ! responsabiedes systèmes d'acquisition AFDX, du réseau Ethernet IENA et des enregistreurs de données sur les installations d'Essais en Vol AIRBUS, Denis Lafourcade est responsable du Département de Traitement des Données au sein du pôle Essais d'AiRBUS. Diplômé en informatique et en électronique de l'Ecole Centrale de Lyon(France),il a participéaux essaisen vol de toute la famille des AIRBUS depuis le début de sa carrière en 1980 Il a conçu le premier centre de télémesure numérique à AIRBUS pour l'A320 et est un des chefs de projet de la nouvelle architecture d'Installation d'Essai en Vol appelée IENA, qui est utilisée sur le plus grand avion commercial jamais construit, 'A380. Denis est aussi pilote privé et pratique lavoltige aérienne au niveau inter- national Jean-Yves Plasse. Ingénieur en électronique diplômé de l'Institut National Polytechnique de Tou ! ouse (France), Jean-Yves Plasse est entré à la Direction des Essais en Vol d'AIRBUS en 1984 Il a participé à l'ensemble de la conception de [instru- mentation d'essai en vol pour les programmes A320, A340 et ATR Puis, après 2 ans en tant que chef du service'Aircraft Utilities'au Bureau d'Etudes Système d'AIRBUS, il a rejoint le pôle Essaisd'AIRBUS au poste de responsabledu Département Instrumentation et Installations d'Essais sol et vol. REE NO 10 Novembre 2005