Überwachung des Ozongehalts in der Atmosphäre an Bord des unbemannten Fluggeräts Global Hawk mit NI CompactRIO

"Der NI-CompactRIO-Controller liefert die Verarbeitungsgeschwindigkeiten, den niedrigen Stromverbrauch, die Robustheit und die kompakte Größe, die für das erfolgreiche Erfassen und Übermitteln von Atmosphärendaten, drucklos, in Höhen von gut 19.500 m an Bord unbemannter Flugplattformen wie der NASA Global Hawk erforderlich sind."

- Laurel A. Watts, Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Ozonmessgeräts, das leicht und robust ist, über integrierte Datenlogger-Funktionalität verfügt, mit der Bodenstation über eine UDP- und TCP/IP-Schnittstelle kommuniziert sowie NTP-Zeitsynchronisationen durchführt, während es eigenständig im unbemannten Fluggerät NASA Global Hawk bis zu einer Höhe von 21.336 m in einem drucklosen Abteil arbeitet

Die Lösung:

Bereitstellung der Kommandos, Steuerung und Kommunikation für unsere Ozonmessgeräte in einem unbemannten Fluggerät mithilfe von CompactRIO

Autor(en):

Laurel A. Watts - Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder
Steven J. Ciciora - National Oceanic and Atmospheric Administration
Troy Thornberry - Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder
David W. Fahey - National Oceanic and Atmospheric Administration
Ru-Shan Gao - National Oceanic and Atmospheric Administration

 

Das Earth System Research Laboratory  der US-Behörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Boulder, Colorado, arbeitet zum einen daran, die Prozesse zu erforschen und zu verstehen, die die chemischen Reaktionen der Erdatmosphäre steuern, und zum anderen daran, die Arbeit der NOAA noch effizienter zu machen, langfristige Klimaänderungen zu erkennen und das Verhalten der Atmosphäre vorherzusagen.


Die für atmosphärische Zusammensetzungen und chemische Prozesse zuständige Gruppe misst Ruß, Ozon, Salpetersäure, Chlornitrat und Wasserdampf in der Atmosphäre. Wir fliegen unsere Messegeräte sowie jene anderer Gruppen in den gesamten Vereinigten Staaten in Flugzeugen auf verschiedenen Höhen und Positionen sowie zu unterschiedlichen Jahreszeiten. Anhand der gesammelten Daten können wir die Zusammensetzung und die Reaktionen in der Atmosphäre ermitteln und Verhaltensmodelle erstellen bzw. testen.

 

Aktualisierung des Ozonmessgeräts

Das bisher verwendete Ozonmessgerät wurde vor über 22 Jahren gebaut, wiegt knapp 26 kg und verfügt über DOS als Betriebssystem mit einer in Microsoft QuickBASIC programmierten Anwendung. Jetzt benötigten wir ein neues, leichteres und besser auf die Internetanbindung abgestimmtes Messgerät.


Unser neues Ozonmessgerät für unbemannte Fluggeräte besteht aus einem ultravioletten (UV) Absorptionslichtmesser mit zwei Lichtstrahlen. Ein Strahl misst das Ozon in der Luft, das in der Atmosphäre vorhanden ist, während der andere dieselbe Luft durchdringt, bei der das Ozon durch einen Scrubber entfernt wurde. Somit steht ein Referenzwert für die Messung zur Verfügung. Das gesamte Messgerät wiegt nur knapp 17 kg (einschließlich der 1,45 kg für das CompactRIO-System), wird mit einer Gleichspannung von 28 V betrieben und besitzt einen Abtasttakt mit variablen Frequenzen zwischen 0,5 und 10 Hz. Die Präzision liegt bei 2 mal 1010 Ozonmolekülen/cm3 bei einer Genauigkeit von ±5 Prozent.

 

Auswahl eines robusten, leistungsstarken Controllers

In einer früheren Fallstudie führte die NOAA Glasglockentests mit CompactRIO-Chassis durch, wobei das System bei 0,53 mbar oder ca. 52.700 m acht Stunden lang ohne Ausfall arbeitete. Compact RIO-Systeme decken große Temperaturbereiche ab (-40 bis 70 °C), haben eine geringe Leistungsaufnahme (weniger als 20 W) und bieten eine Stoßfestigkeit von 50 g sowie eine Schwingungsfestigkeit von 5 g. Die Controller verfügen über Internetanbindungsmöglichkeiten, einen USB-Anschluss für USB-Datenprodukte und FPGA-Backplanes in verschiedenen Größen für unterschiedliche Programmierniveaus.

 

Wir testeten einen PC/104-Stack, der entweder ein Windows-CE- oder ein Linux- und LabVIEW-Betriebssystem für diese Anwendung ausführt. Der Stromverbrauch des Prozessors war allerdings zu hoch, so dass sich die Ausführung des Programmcodes nur schwer im Messgerät implementieren ließ. Daraufhin wurde ein verbrauchsarmer PC/104-Rechner mit QuickBASIC programmiert, jedoch wurde dadurch die Internetkommunikation eingeschränkt. Außerdem unterstützte die verbrauchsarme Version kein Betriebssystem, das auch mit LabVIEW kompatibel ist. Daher fiel unsere Wahl auf CompactRIO als Controller für das Messgerät, denn er bietet hohe Leistung bei niedrigem Druck, geringes Gewicht, Kommunikationsfunktionen, eine Vielzahl verfügbarer Analog- und Digital-I/O-Module sowie Erweiterungsmöglichkeiten.


Die Temperatur im Messgerätegehäuse wird mithilfe von Thermistoren gemessen. Um die passende Signalkonditionierung zur Erfassung genauer Temperaturwerte mit einem Thermistor zu erhalten, erstellten wir ein benutzerdefiniertes Modul für CompactRIO. Dazu nutzten wir das Module Development Kit, das für CompactRIO-Systeme erhältlich ist.

 

 

Die Softwarearchitektur

Die LabVIEW-Anwendung für das Messgerät besteht aus dem FPGA-Code, der für die Chassis-Backplane mit integriertem FPGA kompiliert wird, um eine Schnittstelle zwischen den Modulen und CompactRIO zu bieten. Des weiteren gehört der LabVIEW-Real-Time-Code auf dem Controller dazu, der für die Funktionalität des Messgeräts und die Datenübertragung zur Bodenstation verantwortlich ist, sowie die in der Bodenstation enthaltene Datenanzeige und die Software LabVIEW auf einem Laptop mit Windows-Betriebssystem.

 

FPGA
Der Controller stellt eine Ozonmessung bereit. Dafür werden zwei eigens entworfene UV-Absorptionslichtmesser mit einer SPI-Digitalschnittstelle und rauscharmen Analog-Digital-Wandlern mit 24-Bit-Auflösung eingesetzt. Als Teil der Messgerätefunktionen müssen Temperatur, Druck und Spannung anderer Komponenten überwacht und Ventile kontrolliert werden. Dieses Programm basiert auf Interrupts und der Controller übernimmt das Timing.

 

CompactRIO
Aufgrund all der unterschiedlichen Messgeräte im Flugzeug ist ein Zeitstempel notwendig, um die Daten zu synchronisieren und die Messungen abzustimmen. Die NASA benötigt eine Synchronisation mit derselben Zeitquelle, daher wird unser Taktgeber über das Simple Network Time Protocol (SNTP) mit dem Flugzeug synchronisiert. Diese Funktion, die es für die CompactRIO-Plattform seit LabVIEW 8.6. gibt, ist für unser Messgerät erforderlich. Die Hauptanwendung ist eine Zustandsmaschine, die folgende Aufgaben übernimmt:

 

• Initialisierung: Lesen der Konfigurationsdateien, Starten des FPGAs und Einrichten der Datenaufbereitung und der Dateispeicherung

• Ausführung: eine Producer-Consumer-Architektur mit einer zeitgesteuerten Schleife für die Datenerfassung, Steuerung, einige Analysen und Fehlerbehandlung sowie eine Verbraucherschleife zum Speichern der Daten in Dateien und Pufferung zur Übertragung an die Bodenstation über UDP- und TCP/IP-Verbindungen

• Konfiguration: Rekonfiguration der Datenerfassungsbedingungen

• Abschaltroutine: Schließen von Referenzen für Programmelemente zur Vorbereitung auf das Verlassen des Programms oder Übergang in die Zustände Initialisierung oder Konfiguration

• Beenden: Anhalten des FPGAs, Schließen von Dateien und Anschlussschnittstellen sowie Freigabe von Queues

 

Darüber hinaus tauscht ein Server-VI Daten mit dem Flugzeug und mit der Bodenstation über UDP bzw. UDP und TCP/IP aus.

 

Anwendungen für die Bodenstation

Der Laptop verfügt über Client-Anwendungen zur Steuerung und Anzeige, die für die Kommunikation über UDP oder TCP/IP geschrieben wurden. Diese Programme erhalten ihre Daten vom Messgerät und schicken bei Bedarf entsprechende Kommandos. Die Datenkommunikation zwischen der Bodenstation und dem Flugzeug erfolgt für die UDP-Kommunikation mithilfe von Idiriumtelefonleitungen bzw. mit Satellitenverbindungen im Ku-Band. Bei der Befehlsübertragung kann es zu erheblichen Zeitverzögerungen kommen. Daher wurde ein Handshaking-Protokoll implementiert.
Die Daten werden dabei mit referenzierten Queues übergeben.

 

 

Erfolgreicher Betrieb in extremen Höhen

Das CompactRIO-System war robust und stellte die Schnittstelle zur Verfügung. Die verfügbaren Module lieferten Analog- und Digital-I/O für die Funktionsfähigkeit unseres Messgeräts. Bei Tests erreichte das neue Ozonmessgerät für unbemannte Fluggeräte während der NOVICE-Messkampagne in Houston, Texas, drucklos bis zu 19.500 m im NASA-Flugzeug WB-57. 2010 wurde es in einer teilweise unter Druck stehenden Bucht bei der ersten NASA-Mission Global Hawk Pacific (GloPac) des Dryden Flight Research Center der Edwards Air Force Base in Kalifornien eingesetzt.

 

Informationen zum Autor:

Laurel A. Watts
Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder
laurel.a.watts@noaa.gov

 

 

Our instrument based on CompactRIO has successfully flown on the NASA Global Hawk unmanned aeronautical vehicle (UAV), pictured at the NASA Dryden Flight Research Center.
The UAS Ozone Instrument is 18 in. long, 14 in. wide, and 9 in. high. The aircraft power connection and RJ45 connection are on top, and the air inlet and exhaust are on the side.
Our UAS Ozone Instrument with CompactRIO in the Upper Left Corner.
A close-up of the modified CompactRIO controller in the UAS Ozone instrument. Notice removal of cooling fin, mounting of CompactRIO to the base plate that acts as a heat sink, and addition of custom thermistor module and distribution board.