- Tous les équipements de la fusée TEXUS seront compatibles OPC UA d'ici fin 2025, avec une intégration progressive déjà effective depuis 2017.
- L'utilisation d'OPC UA permet d'augmenter les points de données scientifiques d'environ 64 à 4 000 par expérience, améliorant significativement la collecte et l'analyse.
- La communication par OPC UA, basée sur Ethernet, assure un transfert de données efficace, sécurisé et en temps réel entre la fusée, le sol, et le cloud.
- La modularité d’OPC UA facilite l’intégration, la maintenance et l’expansion des systèmes d’expérimentation complexes, tout en assurant un bon niveau de cybersécurité.
Spécification de prise en charge TEXUS OPC UA pour une gestion optimisée des données
Airbus Defense and Space, une division du groupe européen Airbus, utilise l' OPC UA depuis 2017. Le programme « Technological Experiments in Zero Gravity », ou TEXUS, tire largement parti de l'OPC UA. L'ensemble de l' e de gestion des données et la communication sécurisée et transparente sont optimisés pendant et après le vol de la fusée.
Le logiciel de vol embarqué à bord de la fusée et tous les systèmes au sol communiquent via OPC UA. La spécification compagnon spécialement développée contrôle les capteurs, les actionneurs et les contrôleurs. D'ici la fin 2025, tous les appareils, à bord et au sol, seront entièrement compatibles avec OPC UA. La TEXUS 61 sera donc la première fusée de recherche entièrement intégrée à OPC UA d'Airbus Defence and Space.
Programme de fusées TEXUS
Airbus Defence and Space
Airbus Defence and Space fait partie du groupe Airbus. La division est spécialisée dans les systèmes spatiaux militaires et civils. Airbus Defence and Space mène également des activités de recherche et développement pour la production d'équipements destinés à la défense et à l'espace, notamment des avions militaires, des lanceurs et des engins spatiaux. En outre, la société propose des services connexes tels que la cybersécurité et le renseignement militaire.
Fondé en janvier 2014, ce segment d'activité repose sur trois piliers principaux : les avions militaires (MiAS), les systèmes spatiaux et le renseignement connecté (CI). En 2023, Airbus Defence and Space est présent dans 35 pays et emploie environ 34 000 personnes de plus de 86 nationalités. Les principaux sites de la division sont situés en France, en Allemagne, en Espagne, au Royaume-Uni, en Italie, aux Pays-Bas et en Afrique du Sud.
Expériences technologiques en apesanteur
L'abréviation TEXUS signifie « Technological Experiments in Zero Gravity » (expériences technologiques en apesanteur). En 1976, les bases du programme de recherche TEXUS, initialement national, ont été jetées.
À ce jour, 60 missions de recherche ont été menées à bien dans le cadre d'un programme européen-allemand de fusées-sondes. Le projet a été commandé par le Centre aérospatial allemand (DLR) et l'Agence spatiale européenne (ESA).
TEXUS est financé depuis ses débuts par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Action climatique (BMWK). De plus, de nombreux instituts de recherche et universités du monde entier contribuent activement au développement de ce projet. Ils mènent des expériences biologiques, physiques et en sciences des matériaux à bord de la fusée de recherche sans équipage.
Les conditions spatiales d'apesanteur sont ici cruciales. Aujourd'hui, TEXUS est le programme de fusées le plus ancien pour les expériences scientifiques et les essais technologiques en apesanteur.
Airbus est la plus grande entreprise aérospatiale européenne et l'une des principales entreprises mondiales du secteur aéronautique. Le siège social d'Airbus est situé à Leyde (Pays-Bas). Avec 147 893 employés issus de 147 pays, Airbus est présent dans plus de 180 sites à travers le monde et travaille avec environ 18 000 fournisseurs directs à l'échelle mondiale.
Base mobile pour fusées
Fusées-sondes
Les fusées-sondes transportent des expériences scientifiques et technologiques à la limite de l'espace avant de revenir sur Terre avec une charge utile de 5 mètres de long depuis une altitude de 250 kilomètres. TEXUS permet de mener des expériences biologiques, physiques et en science des matériaux en microgravité. En général, trois à quatre modules d'expérimentation sont embarqués, chacun répondant à des objectifs d'étude spécifiques.
Le vol d'une fusée de recherche sans équipage dure jusqu'à 15 minutes. La période réelle d'apesanteur ne dure que 6 minutes. La fusée elle-même mesure 13 mètres de long, a un diamètre de 45 cm et une masse totale de 2 680 kg. Avec une capacité de charge utile de 400 kg, TEXUS peut accueillir des expériences d'une masse maximale de 280 kg. La longueur du module de charge utile est de 5,3 mètres. Son diamètre est de 438 mm.
Expériences de recherche à bord du TEXUS
SIMONAL'expérience Space Investigation of MONotectic Alloys (Investigation spatiale des alliages monotectiques) vise à analyser les processus de séparation de phases dans un alliage monotectique afin d'améliorer les modèles de comportement des matériaux lors de la ségrégation ou du mélange dans les masses fondues.
GECO Dans le cadre del'expérience Gravity Elicited Calcium Oscillations, les scientifiques utilisent un microscope à fluorescence équipé d'un laser à balayage 3D pour observer des cellules vivantes dans des conditions de microgravité. Ils capturent ainsi des images 3D afin d'étudier les variations de la concentration en calcium.
PHOENIX IIL'objectif est d'étudier les processus de combustion en apesanteur et l'inflammation spontanée des gouttelettes de carburant afin d'augmenter l'efficacité de la combustion, en particulier pour les moteurs et les carburants plus respectueux de l'environnement. Une meilleure compréhension de ces processus pourrait augmenter considérablement leur efficacité.
SaFariRecherche surla cristallisation du silicium liquide en microgravité afin de développer des prévisions et des modèles plus précis de son comportement de cristallisation. Le silicium est essentiel pour les cellules solaires ; il est donc important d'améliorer sa production afin de favoriser la transition écologique.
TOPOFLAME Cetteexpérience étudie le comportement d'une flamme en microgravité en brûlant un combustible sous une pression gazeuse constante, similaire aux conditions dans les engins spatiaux. L'objectif principal est d'améliorer la sécurité à bord des engins spatiaux en étudiant la propagation du feu en microgravité.
T-REX Réalisationd'études biologiques sur des cellules humaines, appelées lymphocytes T. Recherche sur les mécanismes de perception de la microgravité dans les cellules mammifères.
Vol de la fusée de recherche
Au cours de sa trajectoire balistique, une fusée de recherche atteint une altitude maximale d'environ 260 kilomètres, accomplissant son voyage du décollage à l'atterrissage en environ 15 minutes. Pendant cette courte période, les expériences à bord sont exposées à l'apesanteur pendant environ six minutes. Il s'agit d'une occasion rare d'acquérir des connaissances sur divers phénomènes liés à l'apesanteur.
Enrico Noack - Ingénieur , Airbus Defense and Space
Intégration OPC UA
Premier contact avec OPC UA
Airbus Defense and Space a découvert OPC UA grâce à son partenaire AMS Soft. Ce dernier utilisait déjà OPC UA dans le secteur automobile et a également recommandé cette solution pour les logiciels de vol. En 2016, une équipe de projet OPC UA chez Airbus Defense and Space a commencé à étudier OPC UA comme solution potentielle pour la communication de données. La première étape a consisté à examiner les options et les obstacles à la mise en œuvre d'un nouveau système pour le programme de missiles TEXUS.
La décision d'envisager sérieusement OPC UA comme solution potentielle a été prise à la suite d'un examen complet des spécifications plutôt que de tests approfondis. Après un examen approfondi de la norme, Airbus Defence and Space a rapidement reconnu la compatibilité d'OPC UA avec les exigences du projet. En conséquence, l'intégration d'OPC UA dans les processus opérationnels a été immédiatement mise en œuvre.
Étape par étape vers OPC UA
La phase de test opérationnel pour l'intégration d'OPC UA dans TEXUS a également débuté en 2016. Les préparatifs initiaux ont été effectués et les définitions ont été établies dès le début. La première phase a été réalisée rapidement, de sorte que la mise en œuvre a été achevée en moins d'un an. La rapidité de tous les processus de la première phase a été facilitée par l'introduction progressive de composants individuels du système au lieu d'une intégration complète d'OPC UA.
De cette manière, les premiers composants ont pu être rapidement intégrés dans le système. « Bien que l'introduction n'ait couvert qu'une partie du système en 2017 pour des raisons organisationnelles, il n'y avait aucune réserve concernant OPC UA », explique Enrico Noack. À l'époque, les modules expérimentaux existants fonctionnaient indépendamment d'OPC UA. Une introduction progressive de nouveaux éléments, tout en conservant les systèmes existants, était donc nécessaire.
La solution envisagée prévoyait que les nouveaux modules expérimentaux soient entièrement intégrés à OPC UA lors de leur introduction. Les modules existants sont équipés d'adaptateurs au sol afin de fonctionner en parallèle avec l'ancienne modulation par impulsions codées (PCM). Cela signifie que le système pourra toujours accueillir les anciens modules.
L'adoption de l'OPC UA a été motivée par deux facteurs clés : la capacité Ethernet et le modèle de données intégré au serveur. La capacité Ethernet permet de tester et d'utiliser le système à distance, éliminant ainsi la nécessité d'une présence physique. De plus, le modèle de données intégré simplifie la réalisation des modules de test en facilitant l'accès et la compilation des informations requises.
Andreas Schütte - Responsablede programme pour les missions suborbitales, Airbus Defense and Space
Tous les modules seront conformes à l'OPC UA d'ici 2025
Au cours des prochains mois, jusqu'à la fin de 2025, tous les systèmes de fusées et au sol doivent être intégrés à OPC UA. La fusée TEXUS 60 (lancée en mars 2024) est la dernière fusée de recherche et le dernier lancement pour lesquels des adaptateurs ont été utilisés. Deux modules d'expérimentation à bord de TEXUS 60 fonctionnaient déjà avec OPC UA. Un troisième n'était pas encore conforme à OPC UA. Ce troisième module doit maintenant être intégré à OPC UA. Lorsque TEXUS 61 sera lancé, tous les modules d'expérimentation seront intégrés à OPC UA. La préparation du lancement de TEXUS 61, équipé de modules OPC UA entièrement intégrés, devrait commencer à la fin de 2025.
Gestion des données avec OPC UA
Intégration des appareils, machines et capteurs avec OPC UA
Les principaux éléments intégrés au système avec OPC UA sont les capteurs, les actionneurs et les contrôleurs. L'UEIPAC de United Electronic Industries (UEI) est un composant principal qui, en tant que contrôleur embarqué, fournit l'interface avec une gamme de capteurs et d'actionneurs. IBV Systems a développé un logiciel pour cette plateforme, qui capture les données sur Linux en temps réel et contrôle les actionneurs.
Un autre dispositif important est la Tinker Board d'ASUS, qui est principalement utilisée au sol. Ces systèmes embarqués simplifient l'utilisation des capteurs. Les contrôleurs de la société suisse Meerstetter Engineering sont actuellement utilisés pour TEXUS. Ils sont intégrés au système via l'UEIPAC, qui permet la communication via OPC UA.
Cette intégration augmente l'efficacité opérationnelle en permettant une communication fluide via le module RS422 et l'exécution de commandes via les protocoles OPC UA. L'UEIPAC et le logiciel convertissent toutes les données et commandes reçues au format OPC UA, ce qui rationalise la communication et améliore l'interopérabilité au sein du système.
Performances de l'OPC UA chez TEXUS
Avec OPC UA, le nombre de points de données par expérience passe de 64 à 4 000.
OPC UA permet une meilleure compréhension du système, car des données de communication complètes peuvent être transmises en temps réel.
L'intégration du système est simplifiée.
Un dépannage efficace est désormais possible, alors qu'il était auparavant long et fastidieux.
En cas de défaillance de la communication des données, celles-ci sont temporairement stockées dans le module d'expérience.
Spécification de prise en charge OPC UA
La spécification de prise en charge OPC UA de TEXUS comprend les types de données, les types d'images, les méthodes et les configurations d'espace de noms, et optimise la gestion et le stockage des données. Cela garantit la normalisation et l'interopérabilité.
OPC UA a également considérablement augmenté le nombre de points de données par expérience, passant de 64 à 4 000. L'efficacité de chaque vol de recherche et de chaque expérience individuelle a ainsi été considérablement accrue, car beaucoup plus de données scientifiques sont générées.
De plus, OPC UA offre une meilleure visibilité sur le système, car des données de communication complètes peuvent être transférées en même temps que les données de mesure. Cela simplifie l'intégration du système et permet, si nécessaire, un dépannage efficace. Auparavant, la recherche d'erreurs était longue et fastidieuse.
Autres avantages de l'OPC UA chez TEXUS
Les modules sont autonomes et peuvent contrôler les expériences de manière indépendante.
Les expériences de base peuvent également être réalisées pendant les interruptions de communication.
Après la récupération du module, les scientifiques ont accès à toutes les données de l'expérience.
L'intégrité des résultats de recherche reste garantie.
Les données de gestion collectées à bord sont transmises en temps réel aux systèmes et appareils au sol.
Gestion optimisée des données
OPC UA est utilisé à la fois dans les systèmes embarqués et au sol. Dans le système embarqué, il est utilisé dans le logiciel de vol pour la capture de données et le contrôle des expériences. Au sol, OPC UA est utilisé dans les affichages, les archives et les systèmes au sol pour permettre l'accès aux données aux ingénieurs de développement. Tous les systèmes et appareils au sol sont donc compatibles avec OPC UA et permettent un contrôle centralisé et une conversion des données via des adaptateurs pour l'intégration dans des bases de données.
Résultat : une gestion des données hautement efficace sur différentes plateformes.
Débit de données OPC UA
Le débit de données maximal pour la connexion espace-sol est d'environ 5 Mbit/s pour toutes les expériences combinées. Le protocole OPC UA est si léger qu'une moyenne de 32 Kbit/s par expérience est suffisante. OPC UA transfère efficacement les données modifiées et évite les retransmissions inutiles, ce qui est idéal pour traiter de grandes quantités de données telles que les 4 000 points de mesure du projet TEXUS.
De plus, seules les données nécessaires au scénario en question sont transférées. OPC UA augmente considérablement les performances et l'efficacité de la transmission des données.
Défis et avantages
Les défis de l'intégration OPC UA
Le plus grand défi auquel TEXUS a été confronté a été la transition du système de communication espace-sol vers Ethernet, en remplacement de la norme de communication précédente.
Si l'ancienne norme offrait les avantages d'une trame de données fixe, son manque de flexibilité inhérent exigeait le respect de protocoles spécifiques, ce qui limitait le fonctionnement du système.
Comme OPC UA est basé sur Ethernet, l'ensemble du chemin de transmission a dû être converti, ce qui a nécessité la conformité à deux normes en même temps.
Au départ, les limitations de bande passante constituaient un obstacle majeur, car seuls 32 kbits/s par expérience étaient initialement disponibles pour la transmission de données OPC UA. Pour surmonter ces défis, il a fallu procéder à des ajustements et à des efforts de persuasion considérables, en particulier lors de la conversion du système de service fourni par OHB de l'ancien format PCM à la nouvelle norme.
Grâce à des initiatives de communication précoces et à des stratégies de mise en œuvre progressive, une capacité de transmission entièrement basée sur Ethernet a finalement été atteinte.
OPC UA sert d'autoroute de données réputée pour son transfert rapide, riche, contrôlé et sécurisé. La Fondation OPC anticipe toujours nos besoins, prouvant ainsi son approche proactive, comme avec PubSub. Au cours des trois années qui ont précédé la mise en œuvre, la collaboration avec OPC Labs et Unified Automation a joué un rôle déterminant dans nos progrès et nous sommes très satisfaits du résultat de nos efforts.
Enrico Noack - Ingénieur , Airbus Defense and Space
Avantages de la communication basée sur OPC UA
Le principal avantage réside dans la normalisation rendue possible par l'utilisation d'Ethernet. Cette interface omniprésente facilite l'utilisation polyvalente des modules d'expérimentation en dehors des environnements de fusées, notamment dans la tour de chute ZARM à Brême et lors de vols paraboliques.
De plus, l'instrumentation modulaire peut désormais fonctionner de manière indépendante, car OPC UA stocke le modèle de données dans le serveur, ce qui permet un fonctionnement transparent avec un seul ordinateur portable, sans avoir besoin d'un système de gestion de données centralisé.
« Cela augmente l'efficacité, en particulier lorsque nous devons développer jusqu'à quatre modules expérimentaux par an », explique Enrico Noack. Ce processus rationalisé permet également aux ingénieurs de personnaliser les affichages et de configurer le logiciel de vol de manière indépendante afin de répondre aux exigences scientifiques.
Intégration et modularité
La capacité d'OPC UA en matière d'intégration et de modularité des systèmes permet de combiner différents systèmes et fonctionnalités grâce à des microservices. La possibilité d'intégrer différents systèmes, fonctions et même différents systèmes d'exploitation, tels que Windows et Linux, augmente la flexibilité et l'interopérabilité. Le principe de conception modulaire d'OPC UA favorise l'adaptabilité et la collaboration, permettant l'intégration transparente des partenaires et de leurs capacités uniques.
L'intégration de divers services donne lieu à un vaste paysage logiciel. Ce paysage doit être entretenu de manière cohérente. Un concept a été développé et mis en œuvre en collaboration avec l'Université des sciences appliquées de Brême (HSB). L'accent est mis sur la modularité qui souligne la polyvalence et le potentiel de réussite de l'OPC UA dans des projets de recherche tels que TEXUS.
Sécurité et données en temps réel
Mesures de sécurité dans le déploiement de l'OPC UA
Les considérations de sécurité sont très importantes dans les scénarios de déploiement OPC UA. Diverses mesures sont prises pour garantir l'intégrité des données et la protection contre les cybermenaces. Ces activités ont été guidées par la société Vectano.
Une approche clé chez TEXUS consiste à utiliser des réseaux séparés et sécurisés qui garantissent l'isolation et la protection des données sensibles. Par exemple, les réseaux en vol sont exclusivement dédiés à l'expérience, et les VLAN internes, au sein de l'environnement d'exploitation, compartimentent davantage les expériences afin d'accroître la sécurité.
L'accès externe au réseau, par exemple pour la surveillance des expériences par les scientifiques, est restreint, les données étant transmises à des plateformes cloud via PubSub. Cette stratégie empêche tout accès non autorisé au réseau et renforce ainsi les mesures de sécurité.
Transmission des données en temps réel
La transmission des données en temps réel vers les différents sites impliqués dans TEXUS est assurée par l'utilisation de technologies existantes, en particulier l'accès cloud pour le personnel pendant les lancements de fusées, comme l'Esrange.
Grâce à la plateforme développée par la société Humatects, chaque expérience se voit attribuer sa propre instance accessible via des plateformes cloud, ce qui permet aux utilisateurs d'accéder à distance aux données de l'expérience et de les analyser via des applications de navigateur.
Les données sont transférées vers le cloud via OPC UA, et leur récupération est facilitée par l'intégration de services provenant de sources externes, tels que ceux développés pour la Station spatiale internationale (ISS), qui utilisent des protocoles tels que AMQP pour le transfert de données.
Unified Automation a apporté son soutien au développement de protocoles de transfert afin de garantir la compatibilité et l'efficacité de l'échange de données entre OPC UA et le cloud, optimisant ainsi les processus de transfert de données entre les différents sites distribués.
Unified Automation
Depuis 2007, Unified Automation propose des bibliothèques pour le développement d'applications et des outils logiciels pour une utilisation efficace de l'OPC UA, ce qui en fait l'un des fournisseurs les plus matures de technologie OPC UA commerciale. De nombreux grands fabricants d'automatismes, fournisseurs de solutions et utilisateurs finaux font confiance aux produits et services OPC UA professionnels de Unified Automation.
Nous conseillons Airbus sur l'intégration d'OPC UA depuis le tout début. Les fonctionnalités d'OPC UA et la mise en œuvre mature de nos boîtes à outils commerciales permettent une utilisation fiable dans un système hautement complexe tel que la fusée de recherche TEXUS. La modularité est obtenue grâce à des modèles de données standardisés qui communiquent de manière sécurisée et en temps réel, Airbus exigeant et utilisant avec succès toute la gamme des technologies OPC UA.
Matthias Damm - Directeurexécutif , Unified Automation
Progrès supplémentaires avec OPC UA : développement d'une interface avec l'IA
L'une des avancées actuelles de l'OPC UA est le développement d'une interface avec l'intelligence artificielle (IA). Cette initiative vise à établir un pont entre l'OPC UA et la technologie IA, en particulier dans la création d'un système d'assistance à l'opérateur. L'intégration de l'IA promet d'apporter un soutien indispensable au fonctionnement d'installations d'essai et d'expérimentation complexes, qui nécessitent généralement une expertise technique.
Grâce à ce système d'assistance à l'opérateur, les scientifiques bénéficient d'un meilleur accès aux configurations expérimentales et peuvent ainsi en élargir l'utilisation. Divers départements d'Airbus participent à cette collaboration afin d'explorer conjointement les possibilités et d'optimiser les fonctionnalités.
