Sådan implementeres pålidelige flynavigationssystemer omkostningseffektivt med præcisionskomponenter

Udvikling af sofistikerede ADAHRS-løsninger (Air Data, Attitude and Heading Reference System) er afgørende for at sikre nøjagtig navigation og sikkerhed i bemandede og ubemandede flysystemer. For at skabe robuste, pålidelige ADAHRS-designs har udviklerne brug for komponenter, der kan håndtere flere udfordringer i design af flynavigationssystemer, herunder sensornøjagtighed, miljømæssig modstandsdygtighed og systemintegration.

Denne artikel beskriver, hvordan præcisionsdataindsamlingsmoduler og inertimåleenheder (IMU'er) fra Analog Devices løser disse udfordringer og forenkler udviklingen af effektive ADAHRS-løsninger.

Flysikkerhed bygger på sofistikerede sensorbaserede systemer

Tilgængeligheden af nøjagtige oplysninger om flyvepræstation er afgørende for sikkerheden i alle luftfartssegmenter, lige fra ubemandede luftfartøjer (UAS'er) til tunge passagerfly. I takt med flyenes aerodynamiske forbedringer har flyelektroniksystemernes kapacitet udviklet sig fra pilotens traditionelle "six-pack" af flyveinstrumenter baseret på magnetiske kompasser, mekaniske gyroskoper og vakuumdrevne flyveinstrumenter til stadig mere sofistikerede "glascockpits" med elektroniske flyveinstrumenter (EFIS) med grafiske displays.

ADAHRS, der ligger til grund for EFIS, integrerer funktionerne i en luftdatacomputer og et højde- og kursreferencesystem (AHRS - attitude and heading reference system), der kræves for at supplere navigationshjælpemidler med lang rækkevidde fra det globale navigationssatellitsystem (GNSS), såsom det amerikanske globale positioneringssystem (GPS) og GPS'ens tilknyttede jordbaserede WAAS-system (WAAS - wide area augmentation system). Luftdatacomputeren beregner højde og vertikal-, luft- og jordhastighed ved hjælp af målinger af atmosfærisk tryk og udetemperatur. For at levere data om flyets stilling (stigning, rulning og drejning) og kurs, der er nødvendige for kalkulering af position i inerti-navigation, er ADAHRS afhængig af en kombination af gyroskoper til ændringer i vinkelhastighed, accelerometre til ændringer i lineær hastighed og magnetometre for magnetisk kurs. Fremskridt inden for sensorteknologi har ændret karakteren af disse kritiske sensorer dramatisk.

Tidligere var komplekse fiberoptiske gyroskoper eller ringlasergyroskoper blandt de få tilgængelige teknologier, der kunne levere tilstrækkelig nøjagtighed til luftfart. I dag er der adgang til avancerede mikroelektromekaniske systemer (MEMS - microelectromechanical systems), som giver udviklere en teknologi, der kan opfylde krav på tværs af forskellige luftfartsplatforme (figur 1).

Figur 1: Højtydende MEMS-gyroskoper har unikke egenskaber, der gør dem til den foretrukne teknologi til elektroniske flyelektroniksystemer. (Billedkilde: Analog Devices)

Sammen med gyroskoper, accelerometre og magnetometre afhænger ADAHRS-funktionaliteten også af pålidelige datastrømme fra sensorer, der rapporterer udendørs lufttemperatur og -tryk. Andre tryk-, kraft- og positionssensorer leverer data om position og belastning af flyoverflader, landingsstel og næsehjulsstyring. Yderligere sensorer giver vigtige data om motorens ydeevne og brændstof, som er nødvendige for motorinformationssystemer, samt kabinens temperatur, tryk og iltniveau.

En kombination af højtydende sensordataindsamlingsmoduler og MEMS-IMU'er fra Analog Devices giver udviklere de kritiske komponenter, der kræves for at levere flyelektronikløsninger med pålidelighed, nøjagtighed, størrelse og omkostningskarakteristika, der gør det muligt at anvende dem på tværs af hele spektret af flysystemer til luftfart.

Anvendelse af sensordataindsamlingsmoduler og IMU'er i moderne flyelektronik

Til indsamling af data fra det brede udvalg af sensorer på enhver flyplatform tilbyder højtydende dataindsamlingsmoduler en række ydeevnefunktioner til hver sensormodalitet og funktionelle krav. Med præcisionssignalkæde µ-modulløsninger integrerer Analog Devices almindelige signalbehandlingsundersystemer, herunder signalbehandlingsblokke og analog-til-digital-konvertere (ADC'er) i en kompakt SIP-enhed (system-in-package) for at løse vanskelige designudfordringer. μ-modulerne indeholder også de kritiske passive komponenter med fremragende matching- og driftkarakteristika, der er bygget ved hjælp af Analog Devices iPassive®-teknologi, som minimerer temperaturafhængige fejlkilder og forenkler kalibreringen, samtidig med at de afbøder termiske udfordringer. Betydelig reduktion af løsningens fodaftryk gør det muligt at tilføje flere kanaler/funktioner til skalerbare luftfartsinstrumenter, der kræver præcision og stabilitet over temperatur og tid. μ-modulerne forenkler signalkædens stykliste (BOM), reducerer ydeevnens følsomhed over for eksterne kredsløb, forkorter designcyklusser og reducerer dermed de samlede ejeromkostninger.

Analog Devices' ADAQ4003 og ADAQ23878 μ-moduler er designet til at opfylde de krævende dataindsamlingskrav og integrerer en fuldt differentieret ADC-driverforstærker (FDA, figur 2) med et 0,005 % præcisionsmatchet modstands-array, en stabil referencebuffer og en 18-bit successiv tilnærmelsesregister (SAR) ADC, der kan levere henholdsvis 2 megasamples per sekund (MSPS) og 15 MSPS ydeevne.

Ved at kombinere en μ-modul dataopsamlingsenhed som ADAQ4003 med en fuldt differentieret instrumentforstærker med programmerbar forstærkning (PGIA), som Analog Devices' LTC6373, kan udviklere implementere en enkel løsning til mange af de komplekse sensorkrav i luftfartssystemer.

Figur 2: Udviklere kan effektivt opfylde mange af luftfartens sensorkrav ved at kombinere en LTC6373 fuldt differentieret PGIA med et ADAQ4003 μ-modul dataopsamlingssystem. (Billedkilde: Analog Devices)

Som tidligere nævnt er MEMS-baserede sensorer en effektiv løsning til at levere de kritiske data, der er nødvendige for ADAHRS' funktionalitet. Ved at integrere triaksiale MEMS-gyroskoper og triaksiale accelerometre med temperatursensorer og andre funktionsblokke giver IMU'er med seks frihedsgrader, såsom Analog Devices' ADIS16505 præcisionsminiature MEMS IMU og ADIS16495 taktisk inertialsensor, det komplette sæt af funktioner, der kræves for at forenkle udviklingen af flyelektroniske undersystemer (figur 3).

Figur 3: ADIS16505 IMU og ADIS16495 IMU (vist her) integrerer sensorer med en controller, kalibrering, signalbehandling og selvtestblokke for at give en komplet løsning til elektroniske målesystemers underliggende flyelektroniksystemer som ADAHRS. (Billedkilde: Analog Devices)

Kombineret i ADAHRS kan disse systemer levere de væsentlige komponenter i inerti-navigationssystemer, der kan give den nødvendige kurs til den ønskede destination, selv uden satellit- eller jordbaserede navigationshjælpemidler. Som med alle andre fremstillede enheder er MEMS-baserede enheder underlagt forskellige kilder til ydelsesbegrænsninger, der kan forringe nøjagtigheden af den beregnede navigation. For eksempel begrænser uundgåelige variationer i fremstillingen, interne støjkilder og miljøpåvirkninger et MEMS-gyroskops nøjagtighed.

Producenterne dokumenterer effekten af disse variationer i talrige datablade med parameterspecifikationer. Blandt disse specifikationer kan følsomhed, ikke-linearitet og bias-parametre direkte påvirke ADAHRS-nøjagtigheden. I gyroskoper kan begrænset følsomhed (opløsning af vinkelhastighedsmåling) resultere i kursfejl (Ψ) og positionsfejl (d_e) under sving (Figur 4, venstre); ikke-lineær respons (afvigelse fra ideel lineær respons) kan resultere i lignende fejl efter en række manøvrer såsom S-sving (Figur 4, midten); og gyroskopbias resulterer i en afdrift i kurs og position selv under cruise (ligeud og vandret flyvning uden acceleration) (Figur 4, højre).

Figur 4: Gyroskopets følsomhedsbegrænsninger, ikke-linearitet og bias kan resultere i akkumulering af kursfejl (Ψ) og positionsfejl (d_e) under sving (venstre), S-sving (midten) og cruise (højre). (Billedkilde: Analog Devices)

Biasfejl opstår på grund af forkert justering af hver gyroskopakse i forhold til andre akser eller pakken, skaleringsfejl og gyroskopets forkerte reaktion på lineær acceleration som rotation på grund af asymmetrier i MEMS-fremstillingen. For sine ADIS16505 og ADIS16495 IMU'er bestemmer Analog Devices bias-korrektionsfaktorer, der er specifikke for hver enhed, ved at teste dem ved flere rotationshastigheder og temperaturer. Disse del-specifikke bias-korrektionsfaktorer gemmes i hver dels interne flash-hukommelse og anvendes under sensorsignalbehandlingen.

Ud over de biasfaktorer, der kan korrigeres, påvirker tilfældig støj fra forskellige kilder biasfejlen over tid. Selvom det ikke er muligt at kompensere for denne tilfældige støj direkte, kan dens effekter reduceres gennem samplede over længere integrationstider. I hvor høj grad længere samplingtider vil reducere støjen, beskrives i et gyroskopdatablads Allan-afvigelsesdiagram (eller Allan-variansdiagram), som viser støjen i grader per time (°/hr) i forhold til integrationsperioden (τ) (figur 5).

Figur 5: Allan-afvigelsesdiagrammer for MEMS-gyroskoperne i ADIS16495 IMU (venstre) og ADIS16505 IMU (højre) beskriver den forlængede samplingtids evne til at kompensere for tilfældig afdrift. (Billedkilde: Analog Devices)

Minimum af Allan-afvigelsesdiagram repræsenterer det bedste tilfælde for gyroskopets drift over tid, en parameter kaldet IRBS (in-run bias stability), der typisk er specificeret som summen af gennemsnittet og en standardafvigelse i databladets specifikationer. For udviklere, der skaber meget nøjagtige ADAHRS-løsninger, er en IMU's IRBS en vigtig parameter for at forstå den bedst mulige ydeevne, der er mulig med den pågældende del. Gyroskopeksperter klassificerer IMU'er som Analog Devices' ADIS16495 som "taktisk kvalitet", når deres gyroskops IRBS-værdier ligger mellem 0,5° og 5,0°/time.

ADIS16495 har stramme specifikationer på tværs af flere vigtige parametre for at imødekomme mere krævende taktiske anvendelser. ADIS16495 har et par MEMS-gyroskoper og en dedikeret 4100 hertz (Hz) sampling-signalkæde til hver af de tre akser, hvilket bidrager til den forbedrede ydeevne (figur 6).

Figur 6: ADIS16495 taktisk IMU forbedrer gyroskopets nøjagtighed og drift ved at beregne gennemsnittet af output fra et par MEMS-gyroskoper med dedikerede signalkæder. (Billedkilde: Analog Devices)

Prøver fra hver signalkæde kombineres derefter med en separat prøvefrekvens på 4250 Hz (f_SM) for at give en vinkelhastighedsmåling, der reducerer effekten af støj. Ved at kombinere denne prøveudtagningsmetode med strengere ydelsesspecifikationer får man en IMU, der kan opfylde mere krævende flyelektroniske krav.

Hurtig udvikling og udforskning af IMU-baserede designs

For at fremskynde udviklingen af designs baseret på deres IMU'er tilbyder Analog Devices et omfattende sæt udviklingsværktøjer. Analog Devices' FX3-softwarestak er designet til at understøtte deres EVAL-ADIS-FX3 IMU-evalueringskort (figur 7) og tilhørende breakout-kort og består af en firmwarepakke, et .NET-kompatibelt applikationsprogrammeringsinterface (API) og et grafisk brugerinterface (GUI). Et wrapper-bibliotek, der følger med API'en, gør det muligt for udviklere at arbejde med ethvert udviklingsmiljø, der understøtter .NET, herunder miljøer til MATLAB, LabView og Python. Under udviklingen gør FX3's evaluerings-GUI det nemt for udviklere at læse og skrive registre, indsamle data og plotte resultaterne i realtid.

Figur 7: Evalueringskortet EVAL-ADIS-FX3 er en del af en omfattende hardware- og softwaresupportpakke, der hjælper med at træne Analog Devices' IMU'er. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

ADAHRS' flyelektronikløsninger udgør kernen i de EFIS'er, der er under udvikling. Med udviklingen af præcisionsgyroskoper, accelerometre og magnetometre baseret på MEMS-teknologier kan flyelektroniksystemer tilbyde flyveegenskaber og navigationsfunktioner, der har været uden for rækkevidde for alle andre end de største flåder af kommercielle fly. Ved hjælp af dataindsamlingsmoduler og højt integrerede IMU'er fra Analog Devices kan flyelektronikudviklere designe mere omkostningseffektive, mindre løsninger, der opfylder de strenge krav til funktionalitet, sikkerhed og pålidelighed i luftfartssystemer.