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A Probabistic Approach to handle Cumulative Effects of Personal Electronic
Devices inside Aircraft
EADS CCR Environmental Modelling
Fabien Mangeant
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Outlines
• Context of the study and general considerations
• Presentation of the electromagnetic problem
• Methodology to evaluate the vulnerability of a system
• Application of the methodologies to an aircraft
• Possible Electromagnetic Protections for Aircraft
• Conclusion and Perspectives
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Context of the study
• European Project EMHAZ FP5 (G4RD – CT – 1999 – 00093) : 2000 2004
• Eurocae WG58 on PED : On-going
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Goal :
To evaluate the electromagnetic threat due to Personal Electronic Devices (PEDs) located inside a cavity on different systems (radio communication systems, electronic equipments…)
Electromagnetic problem (1/3)
Remaining questions :
Which data to characterize the vulnerability?
How to obtain these data?
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Physical problem split into three parts:
EMISSION of the source(s) (PED)
COUPLING between source and receiver
SUSCEPTIBILITY of the receiver
Electromagnetic problem (2/3)
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Electromagnetic problem (3/3)Key Features of « PED environment inside aircraft»
• Wide frequency band (mobile phones, laptop, electronic games, …)
• Many avionics systems impacted (different failure modes)
Hypothesis used within this study
• Dimensions of the sources small compared to the size of the cavity
• Re radiating currents neglected
• « Failure mode addressed » : coupling on radio communication systems (analogic signal) by radiated field through apertures of the aircraft
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Methodology to evaluate the vulnerability of a systemEMISSION
Random variable: Ef electric field at one meter at the frequency f in free space (first approach)
Event: E choice of one PED and one orientation
fEOrient
fEPED nOrientatioPEDOrientPEDf
E,, ,,
Mathematical definition of the random variable Ef :
Eff
EE
fE
f
Ex
RE
:
Population:
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Methodology to evaluate the vulnerability of a systemCOUPLING
Random variable: Cf transfer function between emitter and receiver at the frequency f
Event: C choice of one position and one orientation of the emitter
Mathematical definition of the random variable Cf :
Cf
Cf
CC
fC
f
Xx
RC
:
fCfC
OrientfC
System Age
fC
AgeOrientPosition
AgeOrientPosition
,,, ,,
,,Population:
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Methodology to evaluate the vulnerability of a systemSUSCEPTIBILITY
Random variable: Sf level of susceptibility in electric field at the frequency f
Event: S choice of one receiver and one orientation
Mathematical definition of the random variable Sf :
Sf
Sf
SS
fS
f
Xx
RS
:
fSOrient
fS OrientPositionOrientceiver ceiverfS
,, ,,Re Re
Population:
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Methodology to evaluate the vulnerability of a systemVULNERABILITY
Random variable: Zf safety margin between the transmitted power to the receiver by the PED via the system
Mathematical definition of the random variable Zf:
ffff
ff
ff
fS
fC
fE
f
ECSZwith
Zz
RZ
:
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one electromagnetic source emits an electromagnetic field
events E, C, S are not mutually excluded
independence of the random variables
Methodology to evaluate the vulnerability of a systemSTATISTICAL HYPOTHESIS
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• Emission max(Ef)• Coupling max(Cf)• Susceptibility min(Sf)
• The safety margin in the worst-case approach is equal to:
• The criterion of interference is the following :
WCfWCfWCfWCf ECSZ
0WCfZ
Methodology to evaluate the vulnerability of a systemWORST- CASE APPROACH
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• Limit state:
• Safety domain:
• Domain of interference:
0 ffff ZL
0 ffff ZS
0 ffff ZI
Methodology to evaluate the vulnerability of a system
PROBABILISTIC APPROACH
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fS
fC
fESCE
Ef
Cf
Sf
ceInterferen
ECSP
,,
0Pr
Probability of interference
Methodology to evaluate the vulnerability of a system
PROBABILISTIC APPROACH : EFFET OF ONE PED
ffceInterferen ZP 0Pr
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Interferences due to several PEDs
=> incoherent sources (no relation between the phase over the time)
=> coherent sources (difference of phase is constant over the time)
Methodology to evaluate the vulnerability of a system
PROBABILISTIC APPROACH : CUMULATIVE EFFECT OF PEDs
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Methodology to evaluate the vulnerability of a system
PROBABILISTIC APPROACH : CUMULATIVE EFFECT OF PEDs
Probability of interference
ffceInterferen ZP 0Pr
Limit State Function
21
1
2
1
**N
i
fi
fi
N
i
fi
fi
ff ECECSZ
Coherent sources Incoherent sources
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Application of the methodologies to an aircraft
Data necessary:
Worst case approach: extremum values of Ef, Cf, Sf
Probabilistic approach: law of distribution of Zf
=> How to generate these data?
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• EMISSION / WORST-CASE APPROACH
Application of the methodologies to an aircraft
EMISSION
“Global” envelop of emission
EMHAZ
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Numerical model of A 319
Numerical model of A 319
Application of the methodologies to an aircraft
COUPLING
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Probabilistic Approach
Probabilistic ApproachWorst-case
Application of the methodologies to an aircraft
COUPLINGComputations with ASERIS-BE
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Application of the methodologies to an aircraft
COUPLING
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Application of the methodologies to an aircraft
SUMMARY• Susceptibility of the receivers not yet studied => Data to be provided to finish the analysis
• On-going work on Coupling Models (analytical formulas taking into account
• Good behavorial representativeness of the model
• Relative analysis possible
• Dynamics of simulation smaller than dynamics of measurement in the case of a generic mock-up
• Importance of the apertures (doors, windows, slot)
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Conclusion
Problems split into three parts Emission Coupling Susceptibility
Data Random variables with marginal laws
Two approaches of the vulnerability Worst case approach Probabilistic approach
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Possible Electromagnetic Protections For Aircraft
-100
-80
-60
-40
-20
0
10 100 1000 10000Frequence (MHz)
dB
501-30-1 501-15 570-30 570-15 501-X 570-X X-X-1
Attenuation of different
samples at 50 cm
SHIELDED WINDOWS
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Possible Electromagnetic Protections For Aircraft
VOLUMIC ABSORBERS
Emerson Cuming Eccosorb AN : Carbon loaded, laminate
polyurethane sheets (open-cell foam absorber)
Frequency range 600 MHz - 40 GHz
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-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
70 80 90 100 110 120 130 140 150
Frequency (MHz)
Tra
ns
fer
Fu
nc
tio
n (
dB
)
PED 4 SO_WO PED 4 SC_WO PED4 Slot shielded Noise
20 dB attenuation for the mock-up on
VHF – UHF – ATC band
Possible Electromagnetic Protections For Aircraft
Seal Only
Seal + Shielded Windows
No Protection
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Future works
Interferences due to several PEDs => decorrelated sources (no relation between the phase)=> correlated sources (difference of phase is constant over the time)=> Link to be made with realistic data
Statistical Data and hypothesis to be precised
• Correlation between the different random variables
• Better Methods to be used (Mode Stirring Chambers, Probabilistic Methods, …)