Over the last decade, research into unmanned and autonomous vehicles has greatly increased. With applications ranging from science and exploration to humanitarian and military efforts, the rising need for autonomous vehicles demands constant innovation and growth. The Intelligent Dependable Embedded Architectures (IDEA) lab at the University of Kentucky is continually launching research oriented programs [1]. A few key projects focus on the development of Unmanned Aerial Vehicles (UAV). Through this research, at the University of Kentucky, the need to develop a reliable, lightweight, node based hardware for use in light UAVs and other unmanned and autonomous vehicles became apparent. This paper addresses the design and implementation of a network processing node for light UAVs. This system utilizes a Controller Area Network (CAN) noise tolerant communications bus, a low power ZigBee Wireless Network for expanded inner plane communications and Silicon Laboratories C8051F041 microcontrollers to provide the necessary inputs/output and data processing. The final result will be a flight ready light UAV featuring distributed processing nodes to handle the servo communications and controls.

L’aviation civile moderne dépend de plus en plus sur l’interconnexion de tous les acteurs qu’il soit avionneur, équipementier, contrôleur aérien, pilote, membre d’équipage ou compagnie aérienne. Ces dernières années, de nombreux travaux ont été réalisés dans le but de proposer des méthodes pour simplifier la tache des pilotes, de mieux contrôler et optimiser l’espace aérien, de faciliter la gestion des vols par les compagnies aériennes et d’optimiser les taches de maintenance entre les vols. De plus, les compagnies aériennes cherchent non seulement a offrir a ses passagers, de plus en plus exigeants, des services de divertissements, de messagerie et de navigation sur le Web mais également des services de connexion a Internet pour leurs propres appareils. Cette omniprésence de connectivité dans le domaine aéronautique a ouvert la voie a un nouvel ensemble de cyber-menaces. L’industrie doit donc être en mesure de déployer des mécanismes de sécurité qui permettent d’offrir les mêmes garanties que la sûreté de fonctionnement tout en permettant de répondre aux nombreux besoins fonctionnels de tous les acteurs. Malgré tout, il existe peu de solutions permettant l’analyse et la détection d’intrusion sur les systèmes avioniques embarqués. La complexité des mises a jour sur de tel système rend difficile l’utilisation de mécanismes strictement a base de signatures alors il est souhaitable que des mécanismes plus "intelligents", a l’abri de l’évolution des menaces, puissent être développés et mis en place. Cette thèse s’inscrit dans une démarche de mise en place de mécanismes de sécurité pour les communications entre le sol et l’avion, et plus particulièrement un système de détection d’intrusion pour le système de communication aéronautique ACARS visant a protéger les fonctions Air Traffic Control (ATC) et Aeronautical Operational Control (AOC) embarquées dans l’avion. Fonde sur la détection d’anomalie, un premier modèle propose permet de discriminer les messages ACARS anormaux a l’aide d’une technique empruntée a la classification de texte, les n-grammes. Un second modèle propose, également fonde sur la détection d’anomalie, permet de modéliser, a l’aide des chaines de Markov, l’ensemble des messages échanges entre le bord et le sol durant un vol complet permettant de détecter des messages ne faisant pas partie d’une communication normale. Une dernière contribution consiste en une alternative a la courbe ROC pour évaluer les performances d’un système de détection d’intrusion lorsque le jeu de données disponible contient seulement des instances normales. / Modern civil aviation is increasingly dependent on the interconnection of all players, be it aircraft manufacturers, air traffic controllers, pilots, crew members or airlines. In recent years, much work has been done to propose methods to simplify the task of pilots, to better control and optimize airspace, to facilitate the management of flights by airlines and to optimize the maintenance tasks between flights. In addition, airlines are seeking not only to provide more demanding passengers with entertainment, messaging and web browsing services, but also Internet connection services for their own devices. This omnipresence of connectivity in the aeronautical field has paved the way for a new set of cyber threats. The industry must therefore be able to deploy security mechanisms inline with safety requirements while allowing the many functional needs of all actors. Despite this, there are few solutions for intrusion detection and analysis on avionics systems. The complexity of updates on such a system makes it difficult to use strictly signature-based mechanisms, so it is desirable that more "smart" mechanisms, threats evolution proof, be developed and deployed. This thesis is part of an approach to put in place security mechanisms for communications between the ground and the airplane, and more particularly an intrusion detection system for the aeronautical communication system ACARS to protect the Air Traffic Control (ATC) and Aeronautical Operational Control (AOC) functions. Based on anomaly detection technique, a first proposed model makes it possible to discriminate the abnormal ACARS messages using a technique borrowed from the text classification, n-grams. A second proposed model, also based on anomaly detection technique, allows to model a sequence of messages, using Markov chains, exchanged between the ground and the airplane during a flight, allowing to detect messages not taking part of a normal communication. The last contribution consists of an alternative to the ROC curve to evaluate the performance of an intrusion detection system when the available data set contains only normal instances.

Dans le cadre de l’avion plus électrique, les avionneurs cherchent à remplacer les commandes de vol hydrauliques par des commandes de vol électriques, avec pour intérêt de diminuer le poids, et d’améliorer la flexibilité des équipements aéronautiques. Sachant que sur un A380, la distance cumulée pour les câbles peut atteindre plus de 500 km, la solution consistant à faire cohabiter les transmissions de données et de puissances au sein de mêmes câbles grâce à la technologie CPL pourrait contribuer à réduire la masse de câble dans un avion. Cependant les câbles de puissance n’ont pas été dimensionnés pour transmettre un signal informationnel, et les équipements présents sur le réseau sont source de bruits. Dans ce contexte nous souhaitons montrer la faisabilité d’une transmission CPL soumise aux contraintes avioniques tout en respectant les normes aéronautiques. La première partie des travaux a consisté à mesurer le canal de propagation sur un banc de test représentatif d’un environnement aéronautique. Le canal de propagation est composé de deux coupleurs de type inductif ou capacitif dont le but est de connecter les câbles de télécommunication au réseau de puissance et d’une paire bifilaire torsadée de puissance d’une longueur de 32 m représentative d’un réseau HVDC ±270 V. Nous avons alors testé trois architectures différentes : l’architecture point-À-Point avec coupleur capacitif, l’architecture point-À-Point avec coupleur inductif et l’architecture point-À-Multipoints avec coupleur inductif. Le but de ces mesures a été d’évaluer la fonction de transfert du canal sur la bande [1 ; 100] MHz. Nous avons alors calculé les éléments caractéristiques du canal comme la bande de cohérence et l’étalement des retards. Après la caractérisation du canal de propagation, nous avons choisi et dimensionné les algorithmes de traitement du signal au regard des spécifications aéronautiques à savoir : un débit utile de 10 Mbit/s, un temps de latence de 167-334 μs, un TEB de 10-12 et le respect du gabarit de la DO-160 en émission conduite. Au regard de la fonction de transfert du canal, nous avons choisi d’utiliser l’OFDM comme technique de transmission. Ainsi, à l’aide de la caractérisation du canal de propagation nous avons au cours d’une étude paramétrique défini les paramètres de la transmission OFDM au regard des spécifications de débit et de temps réel. Dans un second temps, nous avons implanté les paramètres OFDM ainsi que la modélisation du canal de propagation dans une chaine de transmission Matlab. Cette chaine nous a alors permis de vérifier les paramètres issues de l’étude paramétrique ainsi que de définir le système de codage de canal (Reed-Solomon et code convolutif) pour respecter les spécifications aéronautiques. La dernière partie de cette thèse a consisté en l’étude du système de synchronisation. Du fait de la stabilité du canal de propagation, nous avons considéré une synchronisation fine du système lors d’une phase d’initialisation puis nous nous somme focalisé sur le dimensionnement d’un système de suivi dans le but de corriger le décalage de fenêtre FFT dû au défaut de fréquence d’échantillonnage. Pour limiter les pertes de débit lors de la phase de suivi, nous avons proposé une estimation de l’erreur de fréquence d’échantillonnage sur la phase des données reçues sur une période de 20 symboles OFDM. / In the new aircrafts, hydraulic flight control systems are replaced by electric flight control systems. The main interests are a better flexibility of the aeronautical equipments and a decrease in maintenance costs and construction costs, but the major problem is the increasing of the wires length. In order to decrease this length, it has been proposed to use power line communications (PLC) technology for flight control systems. The decrease of wire will first decrease aircraft weight and therefore the consumption of kerosene and on the other hand will simplify maintenance and construction. The first part of this work is the measurement and the characterisation of the propagation channel on an aeronautic test bench (with HVDC supply and loads). This channel is composed of two couplers (inductive or capacitive) in order to connect the telecommunication system on the power wires with galvanic isolation and one twisted pair of 32 m longs. We have tested three architectures: the point-To-Point architecture with capacitive coupler, the point-To-Point architecture with inductive coupler and the point-To-Multipoint architecture with inductive coupler. The purpose of these measurements is to measured the transfer function on the [1 ; 100] MHz bandwidth. Then, we have computed the channel parameters like the coherence bandwidth and the delay spread. The second step was the design of the signal processing algorithm in order to satisfy the aeronautical specifications: a useful bite rate of 10 Mbit/s, a latency of 167- 334 μs, a BER of 10-12 and the respect of the DO-160 gauge in conducted emissions. For the transmissions, we have chosen the OFDM technology which has been use with success in other PLC systems. With the channel characterization, we have proposed a parametric study in order to define the OFDM parameters to satisfy the bite rate and the real time constraints. After, we compute digital simulations with Matlab to check the OFDM parameters. With these simulations, we have also defined the channel coding parameters (Reed-Solomon and convolutional coding) to satisfy the aeronautical specifications. The last part of this study was the design of the synchronisation system. Because of the channel stability, we considered a precise synchronisation after an initialisation period. Then, we focus on the estimation of the FFT shift, due to the sampling frequency shift, during a following-Up period. In order to avoid the decrease of the latency and the bitrate due to the pilot symbols or pilot sub-Carriers insertion, we proposed to correct the FFT shift with the receive data thanks to the maximal likelihood algorithm.

Embedded microcomputers are used in a wide range of applications nowadays. Avionics is one of these areas and requires extra attention regarding reliability and determinism. Thus, these issues should also be born in mind in addition to performance when evaluating embedded microcomputers. This master thesis suggests a framework for performance evaluation of two members of the PowerPC microprocessor family, namely the MPC5554 from Freescale and PPC440EPx from AMCC, and analyzes the results within and between these processors. The framework can be generalized to be used in any microprocessor family, if required. Apart from performance evaluation, this thesis also suggests also a new terminology by introducing the concept of determinism levels to be able to estimate determinism issues in avionics applications more clearly, which is crucial regarding the requirements and working conditions of this very application. Such estimation does not include any practical results as in performance evaluation, but rather remains theoretical. Similar to Automark™ used by AutoBench™ in the EEMBC Benchmark Suite, we introduce a new performance metric score that we call ”Aviomark” and we carry out a detailed comparison of Aviomark with the traditional Automark™ score to be able to see how Aviomark differs from Automark™ in behavior. Finally, we have developed a graphical user interface (GUI) which works in parallel with the Green Hills MULTI Integrated Development Environment (IDE) in order to simplify and automate the evaluation process. By the help of the GUI, the users will be able to easily evaluate their specific PowerPC processors by starting the debugging from MULTI IDE.

This thesis introduces a Large Neighborhood Search (LNS) method to solve a multi-processor avionics scheduling problem. In a typical scheduling problem, tasks are scheduled with exact starting times. In this thesis however, tasks will instead be assigned to disjoint time segments, called buckets. For an assignment to be feasible, precedence relations and capacity constraints related to network and computing resources need to be fulfilled. The introduced LNS method relies on solving Mixed-Integer Programming (MIP)-models. To make progress in the search for a feasible assignment, we construct a MIP-model that allows violation of the problem constraints at a cost of increased objective value. The LNS method uses two operators, a destroy operator that chooses a set of tasks that are allowed to change buckets, and a repair operator that through solving the MIP-model creates a new schedule. This thesis develops 11 types of destroy operators and 30 (concrete) variants of them. The MIP-based LNS is evaluated on a set of 60 instances with up to 84 000 tasks and 21 processors. The instances belongs to six categories of varying difficulty. The MIP-based LNS solves 50 instances within our time limit, and the largest instance solved has 77 757 tasks. This is significantly better than solving the complete MIP-model in a single step. With this approach only 36 instances can be solved within our time limit and the largest instance solved has 48554 tasks.

This thesis describes the design of solution for remote management and control of Honeywell Primus EPIC avionics test bench. The thesis also describes avionics, test bench, specifications and data transfer via RS-422 bus and ARINC 429.

This thesis is focused on a project of all metal aircraft by UL-2 and LSA rules. The background research of aircrafts in existing category has been made in the market. The concept, with whom this thesis deals with, has been projected thanks to this analysis. The second part of the thesis is focused on avionics equipments of aircrafts. Market analysis has been made and the way of medernizing small sports airfts' equipment in categories UL and LSA has been projected.

Le but de cette thèse est d’étudier le diagnostic de systèmes de test utilisés en aéronautique chez AIRBUS HELICOPTERS, appelés bancs d’intégration avioniques.Les hélicoptères embarquent une vingtaine de fonctionnalités pour offrir aux clientsd’hélicoptère les fonctions qui vont lui permettre d’opérer son appareil dans toutes lesconditions de vol (visibilité réduite, accès restreint, terrain hostile, en zone de combat). Les tests d’intégration permettent de valider le système embarqué par rapport à un ensemble d’exigences définies par les autorités de certification européenne et américaine. Ils consistent à évaluer l’état des sous-systèmes avioniques au sein du système global, c’est-à-dire à l’aide de simulation de l’environnement réel de l’hélicoptère. Chez AIRBUS HELICOPTERS, pour diminuer le coût des tests réalisés sur l’hélicoptère, des tests préliminaires dans un environnement simulé, appelé banc d’intégration, sont effectués. Le banc d’intégration doit être compatible avec les différentes configurations de l’hélicoptère et les simulations de son environnement. Nous nous intéressons dans cette thèse au diagnostic du banc d’intégration avionique. La mise en œuvre de méthodes de diagnostic est indispensable pour identifier les causes de défaillances du banc d’intégration. Nous avons travaillé sur un modèle de diagnostic adapté au banc d’intégration. Les notions de diagnostic fonctionnel et structurel ont été définies et ont servi à la mise en place d’un algorithme de diagnostic. Nous avons ainsi défini des fonctions de vérification que nous avons intégrées au banc de test afin de valider notre méthode. / The aim of this thesis is to study the diagnostic of test systems used at Airbus HELICOPTERS called avionics test benches. Helicopters embark twenty features to offer helicopter customers functions that will enable to operate the aircraft in all flight conditions (reduced visibility, restricted area, hostile terrain, in a combat zone). Integration tests are used to validate the embedded system with regards to a set of requirements defined by the European and US certification authorities. The state of avionics subsystems is assessed within the overall system, that is to say, using simulation of the real environment of the helicopter. AIRBUS HELICOPTERS wants to reduce the cost of the tests of the helicopter, preliminary testing in a simulated environment, called integration benches. The integration bench must be compliant with the various configurations of the helicopter and simulation environment.We are interested in this thesis in the diagnosis of avionics integration bench. The implementation of diagnostic methods is essential to identify the causes of failures of integration benches. We work on a diagnostic model adapted to the integration bench. functional and structural diagnostic concepts were defined and used for the establishment of a diagnostic algorithm. We have defined verfications functions we have integrate on test benches to validate our method.

Traditionnellement, dans le domaine avionique les logiciels utilisés à bord de l’avion sont totalement séparés des logiciels utilisés au dehors afin d’éviter toutes interaction qui pourrait corrompre les systèmes critiques à bord de l’avion. Cependant, les nouvelles générations d’avions exigent plus d’interactions avec le monde ouvert avec pour objectif de proposer des services étendu, générant ainsi un flux d’information potentiellement dangereux. Dans une précédente étude, nous avons proposé l’utilisation de la virtualisation pour assurer la sûreté de fonctionnement d’applications critiques assurant des communications bidirectionnelles entre systèmes critiques et systèmes non sûr. Dans cette thèse nous proposons deux contributions.La première contribution propose une méthode de comparaison d’hyperviseur. Nous avons développé un banc de test permettant de mesurer les performances d’un système virtualisé. Dans cette étude, différentes configurations ont été expérimentées, d’un système sans OS à une architecture complète avec un hyperviseur et un OS s’exécutant dans une machine virtuelle. Plusieurs tests (processeur, mémoire et réseaux) ont été mesurés et collectés sur différents hyperviseurs.La seconde contribution met l’accent sur l’amélioration d’une architecture de sécurité existante. Un mécanisme de comparaison basé sur l’analyse des traces d’exécution est utilisé pour détecter les anomalies entre instances d’application exécutées sur diverse machines virtuelles. Nous proposons de renforcer le mécanisme de comparaison à l’exécution par l’utilisation d’un modèle d’exécution issu d’une analyse statique du bytecode Java.Afin de valider notre approche, nous avons développé un prototype basé sur un cas d’étude identifié avec Airbus qui porte sur l’utilisation d’un ordinateur portable dédié à la maintenance / Traditionally, in avionics, on-board aircraft software used to be totally separated from open-world software in order to avoid any interaction that could corrupt critical on-board systems. However, new aircraft generations require more interaction with off-board systems to provide extended services, which makes these information flows potentially dangerous.In a previous work, we have proposed the use of virtualization to ensure dependability of critical applications despite bidirectional communication between critical on-board systems and untrusted off-board systems. In this thesis, we propose two contributions.The first contribution concerns the establishment of a benchmark of hypervisors. We have developed a test bed to assess the performance impact induced by the use of virtualization. In this work, various configurations have been experimented ranging from a basic machine without an OS up to the complete architecture featuring a hypervisor and an OS running in a virtual machine. Several tests (computation, memory, and network) are carried out, and timing measures are collected on different hypervisors.The second contribution focuses on the improvement of an existing security architecture. A comparison mechanism based on the analysis of execution traces is used to detect discrepancies between replicas supported by diverse virtual machines. We proposeto strengthen the comparison mechanism at runtime by the use of an execution model, derived from a static analysis of the java bytecode

<p>The dissertation research was conducted to examine articles, research, and studies that have been collected in recent years to understand energy management for general aviation airplane pilots. The experiment was broken down into four phases with control and treatment groups which have evaluated the real-world problem of energy management in aviation. The four phases were to fly a flight profile, evaluate the energy state of the airplane within the flight by video, fly the same flight profile again, and a post-flight interview with the pilots. The idea of this experiment was to recognize the lack of understanding in energy management in pilots, build a conceptual model, and lastly verify and validate Phase II of the model by utilizing previous studies and research. Additionally, the three main goals were to assess the ability to interpret energy management, assess the ability to control the aircraft, and lastly, to interview for perception of energy management. The data was collected on the flight training device’s G1000, and the researcher analyzed the data using R, Minitab, Excel, and NVivo. The research provided ideas for creating a future model to evaluate energy management, validated by testing Phase II of the model to understand assessing energy management in real time, and interviewed pilots on their experiences with energy management, identified gaps in general aviation research, and suggested methods of how to facilitate understanding of energy management.</p>