Slik implementeres pålitelige navigasjonssystemer for luftfartøyer med presisjonskomponenter på en kostnadseffektiv måte

Utvikling av avanserte løsninger for referansesystem med luftdata, flyposisjon og kurs (ADAHRS – air data, attitude, and heading reference system) er avgjørende for å sikre nøyaktig navigasjon og sikkerhet i bemannede og ubemannede luftfartøysystemer. For å skape robuste og pålitelige ADAHRS-konstruksjoner trenger utviklere komponenter som kan takle flere utfordringer relatert til utformingen av flyelektronikk-navigasjonssystemer, for eksempel sensornøyaktighet, miljømessig motstandsdyktighet og systemintegrasjon.

Artikkelen beskriver hvordan moduler for presisjonsdatainnsamling og treghetsmålingsenheter (IMU-er) fra Analog Devices håndterer disse utfordringene og forenkler utviklingen av effektive ADAHRS-løsninger.

Luftfartssikkerhet bygger på avanserte sensorbaserte systemer

Tilgjengeligheten av nøyaktig informasjon om flyytelse er svært viktig for sikkerheten i alle luftfartssegmenter, som spenner fra ubemannede atmosfæriske systemer (UAS – unmanned aerial system) til tunge passasjerfly. Flyelektronikksystemenes evner, som følger de aerodynamiske forbedringene i luftfartøy, har utviklet seg fra pilotens tradisjonelle «sekspakning» av flygeinstrumenter basert på magnetiske kompass, mekaniske gyroskoper og vakuumdrevne flygeinstrumenter, til stadig mer sofistikerte «glassførerkabiner» med elektroniske flygeinstrumentsystemer (EFIS) på grafiske displayer.

ADAHRS, som er underlagt EFIS, integrerer egenskapene til en luftdatamaskin og et flyposisjon- og kursreferansesystem (AHRS – attitude and heading reference system), som kreves for å utfylle navigasjonshjelpesystemer for det globale navigasjonssatelittsystemet, GNSS (global navigation satellite system), for eksempel det amerikanske globale posisjoneringssystemet (GPS) og dets tilknyttede bakkebaserte forsterkningssystem for store områder, WAAS (wide area augmentation system). Luftdatamaskinen beregner høyde og vertikal-, luft- og bakkehastighet ved hjelp av atmosfæriske trykkmålinger og utendørs lufttemperatur. For å tilveiebringe luftfartøyets flyposisjon (stigning, roll og giring) og kursdata som trengs for dødregning (dead reckoning) i treghetsnavigasjon, er ADAHRS avhengig av en kombinasjon av gyroskoper for endringer i vinkelhastighet, akselerometre for endringer i lineærhastighet og magnetometre for magnetisk kurs. Fremskritt innen sensorteknologi har dramatisk endret egenskapene til disse svært viktige sensorene.

Tidligere var komplekse fiberoptiske gyroskoper eller ringlasergyroskoper blant de få tilgjengelige teknologiene som kunne levere tilstrekkelig nøyaktighet for luftfart. I dag gir tilgjengeligheten av avanserte mikroelektromekaniske systemer (MEMS – microelectromechanical system) utviklere en teknologi som kan tilfredsstille krav på tvers av ulike luftfartsplattformer (figur 1).

Figur 1: Avanserte MEMS-gyroskoper har unike egenskaper som gjør dem til den foretrukne teknologien for flyelektronikksystemer. (Bildekilde: Analog Devices)

I tillegg til gyroskoper, akselerometre og magnetometre, er ADAHRS-funksjonaliteten også avhengig av pålitelige datastrømmer fra sensorer som rapporterer utendørs lufttemperatur og -trykk. Andre trykk-, kraft- og posisjonssensorer leverer data om posisjon og lasting av flyflater, landingsstell og nesehjulstyring. Ekstra sensorer gir viktige data om motorytelse og drivstoff som trengs for motorinformasjonssystemer, samt kabintemperatur, -trykk og -oksygennivåer.

En kombinasjon av sensordatainnsamlingsmoduler med høy ytelse og MEMS IMU-er fra Analog Devices, gir utviklere de svært viktige komponentene som kreves for å levere flyelektronikkløsninger med pålitelighets-, nøyaktighets-, størrelses- og kostnadsegenskapene som gjør at de kan brukes over hele spekteret av luftfartssystemer.

Bruk av sensordatainnsamlingsmoduler og IMU-er i moderne flyelektronikk

For å innhente data fra det brede spekteret av sensorer i en hvilken som helst flyplattform, tilbyr datainnsamlingsmoduler med høy ytelse en rekke ytelsesmuligheter for hver sensormodalitet og hvert funksjonskrav. Med Precision Signal Chain µModule-løsningene, integrerer Analog Devices vanlige signalbehandlingsundersystemer, slik som signalbehandlingsblokker og A-D-omformere i en kompakt SIP-enhet (SIP – system-in-package) for å løse tøffe konstruksjonsutfordringer. µΜodulene integrerer også de viktige passive komponentene med overlegne samsvars- og driftsegenskaper som er bygget ved å bruke Analog Devices iPassive®-teknologien, som minimerer temperaturavhengige feilkilder og forenkler kalibrering samtidig som de reduserer termiske utfordringer. Betydelig reduksjon av løsningens fysiske størrelse gjør det mulig å legge til flere kanaler/funksjoner for skalerbare luftfartsinstrumenter som krever presisjon og stabilitet istedenfor temperatur og tid. µModulene forenkler signalkjedens materialliste (BOM – bill of materials), reduserer følsomheten for eksterne kretser og forkorter konstruksjonssykluser, noe som derfor reduserer de totale eierkostnadene.

Analog Devices ADAQ4003- og ADAQ23878-μModulene er utviklet for å oppfylle de krevende datainnsamlingskravene, og de integrerer en fullstendig differensiell driverforsterker for en A-D-omformer (FDA, figur 2) med en motstandsmatrise som er presisjonstilpasset til 0,005 %, en stabil referansebuffer og en A-D-omformer med et suksessivt approksimasjonsregister (SAR) på 18 bits, som er i stand til å levere henholdsvis 2 megasamplinger per sekund (MSPS) og 15 MSPS.

Ved å kombinere en μModule-datainnsamlingsenhet som ADAQ4003 med en fullstendig differensiell instrumentforsterker med programmerbar forsterkning (PGIA – programmable-gain instrumentation amplifier), slik som Analog Devices sin LTC6373, kan utviklere implementere en enkel løsning for mange av de komplekse sensorkravene for luftfartssystemer.

Figur 2: Utviklere kan effektivt oppfylle mange luftfartssensorkrav ved å kombinere en LTC6373, fullstendig differensiell PGIA med et ADAQ4003 μModul-datainnsamlingssystem. (Bildekilde: Analog Devices)

Som nevnt tidligere, tilbyr MEMS-baserte sensorer en effektiv løsning for å levere de kritiske dataene som kreves for ADAHRS-funksjonalitet. Ved å integrere MEMS triaksiale gyroskoper og triaksiale akselerometre med temperatursensorer og andre funksjonelle blokker, kan IMU-er med seks frihetsgrader – for eksempel Analog Devices sin ADIS16505, en presisjonsminiatyr-MEMS IMU og ADIS16495-treghetssensor av taktisk grad – tilby det komplette funksjonssettet som kreves for å forenkle utviklingen av flyelektronikkundersystemer (figur 3).

Figur 3: ADIS16505 IMU-en og ADIS16495 IMU-en (som vises her) integrerer sensorer med en styring, kalibrering, signalbehandling og selvtestblokker for å gi en komplett løsning for de elektroniske målesystemenes underliggende flyelektronikksystemer som ADAHRS. (Bildekilde: Analog Devices)

Når disse systemene kombineres i ADAHRS kan de levere de essensielle komponentene i treghetsnavigasjonssystemer som er i stand til å gi den nødvendige kursen til ønsket destinasjon, selv uten satellitt- eller bakkebaserte navigasjonsmidler. I likhet med en hvilken som helst annen produsert enhet, er MEMS-baserte enheter gjenstand for ulike kilder til ytelsesbegrensning som kan forringe nøyaktigheten til kalkulert navigasjon. Uunngåelige variasjoner i produksjon, interne støykilder og miljømessige virkninger begrenser for eksempel nøyaktigheten til et MEMS-gyroskop.

Produsenter dokumenterer ytelsesvirkningene av disse variasjonene i en rekke databladparameterspesifikasjoner. Blant disse spesifikasjonene kan følsomhets-, ikke-linearitets- og skjevhetsparametere direkte påvirke ADAHRS-nøyaktigheten. I gyroskoper kan begrenset følsomhet (måleoppløsning for vinkelhastighet) resultere i kursfeil (Ψ) og posisjonsfeil (d_e) under svinger (figur 4, venstre); ikke-lineær respons (avvik fra ideell lineær respons) kan resultere i lignende feil etter en rekke manøvrer som f.eks. S-svinger (figur 4, midten); og gyroskopforskyvning resulterer i vandring i kurs og posisjon selv under marsjfart (rett og jevn flyvning uten akselerasjon) (figur 4, høyre).

Figur 4: Gyroskopets følsomhetsbegrensninger, ikke-linearitet og forskyvning (bias) kan resultere i akkumulering av kursfeil (Ψ) og posisjonsfeil (d_e) under svinger (venstre), S-svinger (midten) og marsjfart (høyre). (Bildekilde: Analog Devices)

Forskyvningsfeil oppstår fra feiljusteringen av hver gyroskopakse til andre akser eller kapslingen, skaleringsfeil og gyroskopets feilaktige respons på lineær akselerasjon som rotasjon på grunn av asymmetrier i MEMS-produksjonen. For ADIS16505 og ADIS16495 IMU-ene fastsetter Analog Devices korreksjonsfaktorer for forskyvning som er spesifikke for hver enhet ved å teste dem ved flere rotasjonshastigheter og temperaturer. Disse delspesifikke korreksjonsfaktorene for forskyvning lagres i det interne flashminnet til hver del, og påføres under sensorens signalbehandling.

I tillegg til de korrigerbare forskyvningsfaktorene, påvirker tilfeldig støy fra ulike kilder forskyvningsfeil over tid. Selv om det ikke er mulig å kompensere for denne tilfeldige støyen direkte, kan virkningene reduseres ved å ta samplinger over lengre integrasjonstider. I hvilken grad lengre samplingstider vil redusere støy, beskrives i et diagram for Allan-avvik (eller Allan-varians) i et gyroskopdatablad, som viser støy i grader per time (°/t) i forhold til integrasjonsperioden (τ) (figur 5).

Figur 5: Allan-avviksdiagrammer for MEMS-gyroskopene i ADIS16495 IMU-en (venstre) og ADIS16505 IMU-en (høyre) beskriver muligheten for utvidet samplingstid for å kompensere for tilfeldig vandring. (Bildekilde: Analog Devices)

Minimumet til Allan-avviksdiagrammet representerer det beste tilfellet for gyroskopets vandring over tid, en parameter som kalles IRBS (in-run bias stability) som vanligvis er spesifisert som summen av gjennomsnittet og ett standardavvik i et datablads spesifikasjoner. For utviklere som lager svært nøyaktige ADAHRS-løsninger, leverer IRBS-en til en IMU en viktig parameter for å forstå den best tenkelige ytelsen som er mulig med den aktuelle delen. Gyroskop-eksperter klassifiserer IMU-er, f.eks. Analog Devices sin ADIS16495, som «taktisk grad» når gyroskopets IRB-verdier er mellom 0,5° og 5,0°/t.

ADIS16495 har stramme spesifikasjoner på tvers av flere viktige parametere for å imøtekomme mer krevende taktiske konstruksjoner. Ved hjelp av den forbedrede ytelsen, integrerer ADIS16495 et par MEMS-gyroskoper og en dedikert samplingssignalkjede på 4100 hertz (Hz) for hver av de tre aksene (figur 6).

Figur 6: ADIS16495 IMU-en av taktisk grad forbedrer gyroskopets nøyaktighet og vandringsytelse ved å gjennomsnittsregulere utgangen fra et par MEMS-gyroskoper med dedikerte signalkjeder. (Bildekilde: Analog Devices)

Samplinger fra hver signalkjede kombineres deretter ved å bruke en separat samplingsfrekvens (f_SM) på 4250 Hz for å gi en vinkelhastighetsmåling som reduserer virkningen av støy. Ved å kombinere denne samplingsmetoden med strengere ytelsesspesifikasjoner, er resultatet en IMU som er i stand til å oppfylle mer krevende krav til flyelektronikk.

Rask utvikling og utforskning av IMU-baserte konstruksjoner

For å bidra til å fremskynde utviklingen av konstruksjoner basert på IMU-ene, tilbyr Analog Devices et omfattende sett med utviklingsverktøy. Analog Devices sin FX3-programvarestakk er utviklet for å støtte EVAL-ADIS-FX3 IMU-evalueringskortet (figur 7) og tilknyttede breakout-kort, og omfatter en fastvarepakke, et .NET-kompatibelt programmeringsgrensesnitt (API) og et grafisk brukergrensesnitt (GUI). Et «wrapper»-bibliotek som kommer med API-en, gjør det mulig for utviklere å arbeide med alle utviklingsmiljøer som støtter .NET, inkludert de for Matlab, LabView og Python. Under utvikling gjør FX3-GUI-en for evaluering det mulig for utviklere å enkelt lese og skrive til registre, registrere data og plotte resultatene i sanntid.

Figur 7: EVAL-ADIS-FX3-evalueringskortet er en del av en omfattende maskinvare- og programvarestøttepakke som kan hjelpe til med å anvende Analog Devices sine IMU-er. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

ADAHRS-flyelektronikkløsninger utgjør kjernen i EFIS-ene som er under stadig utvikling. Med utviklingen av presisjonsgyroskoper, akselerometre og magnetometre basert på MEMS-teknologier, kan flyelektronikksystemer tilby flyytelse og navigasjonsmuligheter som tidligere var utilgjengelige for alle, bortsett fra de største flåtene av kommersielle fly. Ved å bruke datainnsamlingsmoduler og svært integrerte IMU-er fra Analog Devices, kan flyelektronikkutviklere konstruere mer kostnadseffektive, mindre løsninger for å oppfylle de strenge kravene til funksjonalitet, sikkerhet og pålitelighet i luftfartssystemer.