Freitag, 29. September 2023 · 0 min read
NASA Echtzeitverarbeitung von PCM Daten
Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem (RPS)
Für die neue Trägerrakete Space Launch System (SLS) hat die NASA die Konfiguration aller Telemetriesysteme so geändert, dass die Übertragung auf Ethernet-Paketen basiert und georäumliche Dateiformat-Header nach USGS-DEM für die Dekodierung von Nachrichten benutzen.
Dewesoft und das Realtime & Playback Subsystem Laboratory haben dafür ein leistungsstarkes Tool zur Fehlersuche und Datenerfassung entwickelt – ein Ethernet-Empfänger-Plug-in für die Datenerfassungssoftware DewesoftX. Letztlich lieferte Dewesoft elf hochmoderne Datenerfassungssysteme und übertrug DewesoftX-Softwarelizenzen auf die neuen Geräte.
Die NASA (National Aeronautics and Space Administration) ist eine unabhängige Behörde der US-Bundesregierung, die für das nationale zivile Raumfahrtprogramm sowie die Forschung in Bereich der Luft- und Raumfahrttechnologien zuständig ist.
Beim neuen Space Launch System (SLS) handelt es sich um eine Superschwerlast-Einwegträgerrakete, die sich seit August 2019 in der Entwicklung befindet. Es ist die Hauptträgerrakete für die NASA-Pläne zur Erkundung des Weltraums, einschließlich der im Rahmen des Artemis-Programms geplanten bemannten Mondflüge und einer möglicherweise folgenden bemannten Marsmission.
Das Launch Control Center (LCC) ist ein vierstöckiges Gebäude an der südöstlichen Ecke des riesigen Vehicle Assembly Buildings im Bereich des Launch Complex 39 im Weltraumbahnhof des Kennedy Space Centers der NASA auf Merritt Island, Florida.
Hier werden seit dem unbemannten Testflug der Apollo 4 im Jahr 1967 Starts von Raumfahrzeugen abgewickelt, darunter auch die aller amerikanischen Raumflüge mit menschlichen Besatzungen. Auch das Space-Shuttle-Programm der NASA nutzte das LCC. In jüngerer Zeit ist das Zentrum zur Vorbereitung der bevorstehenden SLS-Missionen, die 2020 mit Artemis 1 beginnen sollen, renoviert worden.
So wurden das LCC und der Launch Complex 39B zwischen 2016 und 2018 komplett aufgerüstet, um den Anforderungen der SLS-Rakete und des Orion-Raumfahrzeugs sowie von kommerziellen Partnern zu genügen. Unter anderem wurde die Startrampe 39B modifiziert und mit modernsten Kommunikations- und Wettermesssystemen ausgestattet.
Das PCM-Telemetrie-Labor
Das LCC ist physisch mit dem Vehicle Assembly Building verbunden und umfasst Büros und Labore für Telemetrie-, Ortungs- und Instrumentierungsausrüstung, das automatisierte Startmanagementsystem und vier Kontrollräume.
Der Dewesoft-Endanwender im LCC ist das Realtime & Playback Subsystem Laboratory, das für die gesamte Echtzeit-Telemetriedatenverarbeitung zuständig ist. Die Systeme erfassen an weit entfernten oder unzugänglichen Punkten Mess- und andere Daten und übertragen diese automatisch an Empfangseinrichtungen zu ihrer Überwachung und Analyse.
Die Telemetrie-Überwachungssysteme verifizieren unabhängig voneinander Missionsdaten von Bodengeräten, Raketen und Raumfahrzeugen und dienen der Fehlersuche bei Fahrzeugen und Nutzlasten. Sie bieten:
Echtzeit-Plot- und Retrieval-Funktionen an der Instrumententafel im Kontrollraum oder im Büro,
Echtzeit- und Fast-Echtzeit-Tools zur Fehlerbehebung mit Datenbereitstellung für externe Benutzer,
Extraktion der wesentlichen Informationen aus den Daten, mit Zusatzfunktionen wie Datenzusammenführung, Datenintegritäts-Check und Datenpersistenz,
digitale Speicherung und Übertragung analoger Daten,
Bit-Anomalie-Erkennung und Messskalierung in Echtzeit oder im Anschluss an die Prüfung,
Datenanalyse auf Bit-Ebene,
intelligente und autonome Datenüberwachung, Datenerfassung, Umrechnung in technische Einheiten und Analyse rund um die Uhr,
vielfältige Datenausgabemethoden und Berichtsformate.
Seit 2008 verwendet das LCC dieDatenerfassungssoftware DewesoftX in Kombination mit Dewetron-Computern und Pulse-Code-Modulation (PCM-Encoder)-Telemetriekarten, um analoge Daten für die Fernübertragung in ein serielles Digitalformat umzusetzen . Wenn sich das Signal-Rausch-Verhältnis eines Analogsignals durch Dämpfung verschlechtert, verstärkt sich bei Verstärkung des Signals auch das Rauschen. Digitale Signale lassen sich leichter vom Rauschen trennen und können in den Originalzustand regeneriert werden.
Echtzeit-Datenvisualisierung in DewesoftX beim Start der Raumfähre Atlantis
Die bisher verwendeten Datenerfassungssysteme (Dewetron-901), für die die Dewesoft Softwarelizenzen galten, mussten jedoch ersetzt werden. Bei dieser fälligen Aufrüstung wollte und konnte das LCC die Lizenzen behalten und übertragen.
200.000 Ethernet-Datenkanäle
Die Datenerfassungssoftware DewesoftX ist nun in der Lage, Ethernet-Daten von über 200 000 Kanälen zu verarbeiten, die über Telemetrie-Hochfrequenzsignal-Antennen in Echtzeit von der SLS-Rakete empfangen werden. Diese Daten umfassen SPS-Booster-Daten, Haupttriebwerksdaten, Nabelschnurdaten der Trägerrakete, Avionikdaten der Rakete, Telemetrie der 2. Stufe und Vollkapsel-Telemetrieverbindungen.
Das LCC muss in der Lage sein, die insgesamt über 200 000 Parameter betreffenden Daten in überschaubaren Teilmengen aufzubereiten. Dazu sind mehrere Dewesoft-Verarbeitungsstationen erforderlich, die die Rohdaten der Ethernet-Kanäle zu SI-konformen Parametern dekommutieren. Die besondere Herausforderung liegt dabei im Konfigurationsmanagement und in der Steuerung der Anzeige von mehr als 300 Parametern auf einem einzigen Display.
Darüber hinaus müssen die Daten dann zum Vergleich mit den Daten der von der NASA für die SLS-Rakete entwickelten Startkontroll-Software auf die Echtzeit-Displays der Analysten in die Kontrollräume übermittelt werden.
IRIG-106-Chapter-10-Schnittstelle
Dewesoft bietet eine breite Auswahl an Datenerfassungshardware, die für den Telemetriemarkt geeignet ist. Sie nutzt die Datenerfassungssoftware DewesoftX, die in der Lage ist, in Echtzeit über Ethernet oder aus einer zuvor angelegten Chapter-10-Datei IRIG-106-Chapter-10-Daten von jedem Telemetrie-Datenrekorder zu lesen.
So können Daten aus mehreren synchronisierten Datenquellen erfasst, gespeichert, angezeigt und analysiert werden. Die Software ist zudem in der Lage, die Erfassung von Standard-Analogdaten mit der von Telemetrie-, Flugzeugbus- (PCM, ARINC 492, MIL-STD-1553, iNet), Video- und vielen anderen Daten zu kombinieren.
In diesem Fall bestand die Lösung in der Verwendung von SIRIUS-R3-Datenerfassungssystemen. Die drei Windows-Server, auf denen bereits die Datenerfassungssoftware DewesoftX lief, und die in einer Virtual-Machine-Umgebung als Mainframe-Verarbeitungsstation zur Datenreduktion und -aufzeichnung dienten, wurden um elf R3-Systeme mit kompletten Dewesoft-Lizenzen ergänzt.
Datenerfassung mit schnellen Abtastraten
SIRIUS-R3-Datenerfassungssysteme sind in Standard-PC-Gehäuse eingebaut und können in Racks montiert werden. R3 verfügt über DualCoreADC®-Analogeingänge mit einem Dynamikbereich von 160 dB und Erfassungs- und Datenübertragungsraten von 200 kHz pro Kanal oder optionale Hochgeschwindigkeitsverstärker, die Geschwindigkeiten bis zu 1 MHz pro Kanal erreichen.
Ein R3-Gehäuse kann bis zu drei SIRIUS-DAQ-Slices mit insgesamt 48 Analogkanälen, 24 Zähler-/Encoderkanälen, 72 Digitalkanälen und 3 Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus-Ports aufnehmen. Eine Reihe unterschiedlicher Verstärker ermöglicht den Anschluss und die Erfassung praktisch aller Sensor- und Signaltypen.
Bei LCC wurden die R3-Systeme mit einer zusätzlichen Ethernet-Port-Karte ausgestattet. Dann konnten die Softwarelizenzen übertragen werden, und jedes System wurde mit der DEWESoft-X-Software für professionelle Entwickler, Ethernet Receiver, dem iNet-Plug-in, der Net Option für Client/Server Broadcast sowie dem PCM-Plug-in und einem Chapter-10-Plug-in ausgestattet.
Datenerfassungssoftware - ARINC 429, MIL-STD-1553
IRIG-106 Chapter 10 ist Teil der Norm IRIG 106 für die digitale Flugdatenerfassung, einer umfassenden Telemetrie-Norm zur Gewährleistung der Interoperabilität. Im Chapter 10 - Digital On-Board Recorder Standard sind der Betrieb und die Schnittstellen digitaler Flugdatenschreiber definiert.
Das Chapter-10-Plug-in von DewesoftX ist ein spezielles Plug-in zum Lesen einer geschlossenen aufgezeichneten Datei oder eines Echtzeit-Ethernet-Streams mit nach IRIG-106 Chapter 10 formatierten Daten. Das Plug-in empfängt den eingehenden Chapter-10-Datenstrom aus der Wiedergabe einer geschlossenen Datei von der Festplatte oder direkt aus dem Echtzeit-Ethernet-Stream. Es sucht dann die in der Chapter-10-Datei eingebettete Zeit, um auch die Dewesoft-Hauptuhr entsprechend zu stellen.
Anschließend bereitet das Chapter-10-Plug-in die einzelnen im Datenstrom enthaltenen Datenkanäle für die Verarbeitung vor. Für die Analog-, Video- und diskreten Daten organisiert das Plug-in die Datenkanäle für die korrekte Verarbeitung und Anzeige. Komplexere Datentypen wie PCM und Arinc 429/MIL-STD-1553 werden zur Weiterverarbeitung an die entsprechenden Plug-ins in der DEWESoft-X-Software weitergeleitet.
Über Konfigurationsmanagement-Tools können alle Verarbeitungsstationen simultan die gleichen Daten verarbeiten. Mit Hilfe der Dewesoft IRIG-ACDC-Karte in jedem R3-Gehäuse können alle Systeme zeitsynchronisiert werden, um eine perfekte Datenkorrelation zu gewährleisten.
Pulse-Code-Modulation (PCM) ist die einfachste Form der Wellenform-Codierung. PCM-Telemetrie-Encoder werden verwendet, um die Daten in ein serielles Digitalformat umzusetzen und zur Dekodierung und Analyse auf einem Träger an einen anderen Ort zu übertragen.
Das PCM-Plug-in für DewesoftX umfasst die Bitsynchronisierung, Rahmensynchronisierung und Dekommutierung für SIRIUS-2xPCM, Ulyssix-Karten oder das Chapter-10-Plug-in. Es kann Tausende von Kanälen dieser Schnittstellen dekodieren und unterstützt eingebettete Streams und Fremdfunktionsschnittstellen (FFI). Die Daten werden unter Verwendung des IRIG-Zeitcodes wieder mit den Analogdaten- und Video-Streams synchronisiert.
IRIG-106-Chapter-10-Bodenstation
Mit Hilfe von Plug-ins ist DewesoftX in der Lage, IRIG-106-Chapter-10-Daten vollständig zu dekodieren, visualisieren und analysieren. Verwendet wird dabei das Standard-Eingabeformat für Telemetrie-Datenschnittstellen mit Chapter-10-Ethernet-Paketen in Echtzeit, bestehend aus:
PCM-Daten (unkomprimiert, komprimiert, Durchsatz)
MIL-1553- und ARINC-429-Busdaten
iNET-Datenaufzeichnung nach modernsten Telemetrie-Standards
Standard-Video und High-Speed-Video
Ethernet- und UART-Kanälen
Analogdaten
Ethernet-Daten
TMATS (Setup-Kanal)
Timing (absolute Zeit)
Die Möglichkeit, Daten in den Modi Durchsatz, komprimiert und unkomprimiert aufzuzeichnen, bietet die erforderliche Flexibilität und liefert ein All-in-One-Verarbeitungs- und Aufzeichnungspaket für die Bodenstation. Die DewesoftX-Software kann auch Chapter-10-Dateien wiedergeben. Die Daten werden rahmensynchronisiert und dekommutiert. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, jede Chapter-10-Datei wiederzugeben und zu verarbeiten, ohne eine ganze Bodenstation zu binden.
Das Dewesoft-System speichert immer Rohdaten und bietet optimale Möglichkeiten für die Offline-Datenverarbeitung und -Visualisierung.
Fazit
Durch die langjährige Zusammenarbeit mit einem Kunden wie dem LCC entsteht eine vertrauensvolle Beziehung. Dewesoft und das LCC haben in den mehr als 10 Jahren ihrer Zusammenarbeit stets offen kommuniziert, um einerseits die Leistungsfähigkeit der LCC-Labore, andererseits mithilfe des Feedbacks aber auch die von Dewesoft zu verbessern.
Diese gute Kooperation hat die Entwicklung des Ethernet-Receiver-Plug-ins als Powertool für die Fehlerbehebung und Datenerfassung ermöglicht. Mit den Filterketten und Vorlagen für die Umrechnung technischer Einheiten kann es nun im Rahmen des Leistungsumfangs der Dewesoft-Software jeden Ethernet-Stream in beliebigen Quellen- und Diagrammparametern aufspüren.
Dewesoft X3 ist in der Lage, Daten von mehreren Ethernet-Datenströmen zu empfangen und zu dekodieren. Dafür stehen diverse Filtermöglichkeiten (TCP, UDP, Datenfilter) zur Verfügung, und es wird die Datendekodierung mit verschiedenen Formaten (Motorola, Intel, Float, Signed, Unsigned ...) unterstützt. Möglich ist lineares und nicht-lineares (polynomielles) Scaling.
Das Ethernet-Receiver-Plugin eignet sich für den industriellen Markt, die Datenerfassung und Fehlersuche am Prüfstand, die Telemetrie-Bodenstation und vieles mehr. Müsste man das Plugin einem Messtechniker in zwei Worten beschreiben so käme man auf „Messtechnik-Wireshark“
