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Ce document est la propriété d ’EADS CCR ; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’EADS CCRet son contenu ne peut être divulgué © EADS CCR 2004

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, …)