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InDiKa und der ZAL Endpoint – viel Digitalisierung auf kleinster Fläche

Die Zukunft ist digital. Das gilt in der Luftfahrtforschung besonders für die Flugzeugkabine. Technologische Innovationen und Digitalisierung sorgen zukünftig für ein reibungsloses und nahtloses Passagiererlebnis: vom Inflight-Entertainment bis zur Stimmungsbeleuchtung in der Kabine. Dafür entwickeln Ingenieur:innen im Fachbereich InDiKa, kurz für Intelligente Digitale Kabine, Kommunikationstechnologien und innovative Systeme stetig weiter.

Innerhalb der ZAL GmbH arbeitet ein Forschungsteam an vorderster Front der digitalen Kabinentechnologie. Es setzt Projekte zu Anwendungsfällen innerhalb der Kabine um, wie innovative Kabinenbeleuchtung, Kameras in Kombination mit AI oder neuartige Sensorik. Das geschieht auf Basis von eingebetteten und verteilten Systemen, drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationsnetzwerken sowie neuen Technologien für Sensoren und Aktoren. Dabei ist die Eigenentwicklung von eingebetteter Hard- und Software wesentlich, die die ZAL GmbH auch Kund:innen als hochflexible und individualisierte Dienstleistung anbietet.

Das Kabinennetzwerk in Flugzeugen versorgt alle Funktionen in der Kabine. Dazu zählen Leselicht, Klimaanlage, Lautsprecher, Bildschirme, Crew Interphone und vieles mehr. Aktuelle Kabinennetzwerke bestehen aus zahlreichen Geräten, die oft über verschiedene eigne Kommunikationsverbindungen miteinander verknüpft sind. Es ist vorgesehen, dass zukünftige Kabinennetzwerke zu „all IP“-Lösungen vereint werden, die auf Ethernet-Verbindungen basieren. Alle Geräte innerhalb des Netzwerks, vom Backbone bis zu den Endgeräten können über standardisierte Protokolle auf Basis des Internet-Protokolls (IP) kommunizieren. Das bedeutet, dass zukünftig sämtliche Kommunikation in der Kabine über ein IP-basiertes Netz abgewickelt wird.

Die intelligente digitale Kabine ist ein Konglomerat an einzelnen Lösungen, die ineinander verzahnt sind. Eine davon ist der ZAL Endpoint, ein vielseitiges Endgerät der nächsten Generation von Flugzeugkabinen. Der Endpoint vereint verschiedene Teiltechnologien in sich:

Eine dieser Technologien ist Single-Pair-Ethernet (SPE). Mit seiner reduzierten Komplexität in der Verkabelung ist SPE ein vielversprechender Kandidat, um in der Kabine Endgeräte mit einem Multi-Gigabit-Backbone zu verbinden. SPE benötigt nur zwei Kabeladern: ein Twisted Pair, für Geschwindigkeiten bis zu 1 Gbit/s. Im Vergleich: Beim herkömmlichen Ethernet, wie man es von zu Hause kennt, sind acht Kabeladern, also vier Twisted Pairs, nötig. Im Flugzeug kann SPE daher Kosten einsparen, denn die Kabel sind leichter, weniger komplex und einfacher zu produzieren. In verschiedenen Projekten testet das ZAL zusammen mit seinen Partnern SPE für den Einsatz im Flugzeug. Auch in kundenspezifischen Hardwareentwicklungen hat das InDiKa-Team es bereits erfolgreich eingesetzt.

Eine weitere Technologie ist das sogenannte Time-Sensitive Networking (TSN). TSN ist eine Sammlung von Industriestandards, die das herkömmliche Ethernet mit verschiedenen Verfahren und Protokollen erweitert. Ziel hierbei ist es, geringe Verzögerungen und eine hohe Zuverlässigkeit zu garantieren, auch wenn die Netzwerklast hoch ist, z. B. durch das Inflight-Entertainment. Für die Kabine ermöglicht TSN ein gemeinsam genutztes Netzwerk. Ein Beispiel ist das Passenger Announcement System, das eine bestimmte maximale Verzögerung einhalten muss, um die Synchronität von Lippen und Lautsprechern für die Sprachverständlichkeit zu gewährleisten. Eine Priorisierung des dazugehörigen Datenverkehrs macht das möglich. Das ZAL testet und bewertet TSN in zahlreichen Projekten und berät Partner hinsichtlich der für ihren Anwendungsfall relevanten Teilstandards und einer geeigneten Netzwerkkonfiguration.

Um den ZAL Endpoint zu betreiben, verwenden die Expert:innen das für eingebettete Systeme gedachte Open-Source-Echtzeitbetriebssystem Zephyr OS. Sie setzen das von der Linux Foundation unterstützte System als universelle Plattform projektübergreifend ein. Das Team kann Quellcodes so hardwareunabhängig wiederverwenden und von projektübergreifenden Entwicklungsanstrengungen profitieren. Auf Basis von Zephyr OS entwickeln die ZAL Ingenieur:innen für Kund:innen sowohl anwendungsspezifische Applikationen als auch hardwarenahe Treiber.

Der ZAL Endpoint ist eine vielseitige Hardware für Anwendungsfälle innerhalb der Kabine. Die Platine mit Standardstecker ist eine Plattform für Forschung und Entwicklung, die die genannten Technologien zum ersten Mal in einem Prototypen vereint. Der Endpoint verfügt bereits über Single-Pair-Ethernet, einen aktuellen Mikrocontroller und eine Stromversorgung auf Basis von 28VDC, wie sie in der Kabine vorliegt. Softwareseitig kann der Endpoint mit Zephyr OS verwendet werden und integriert sich in ein TSN-fähiges Netzwerk. Über einen mikroBUSTM-Header und zusätzliche Steckverbinder können je nach Anwendung Erweiterungsboards eingesetzt werden.
Der Endpunkt ist somit als Einzelelement nutzbar, aber je nach Bedarf auch erweiterbar. Er verkürzt die Entwicklungszeiten für zukünftige Anwendungsfälle in der Kabine erheblich.

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