Hur man kostnadseffektivt implementerar tillförlitliga navigationssystem för flygplan med precisionskomponenter

Att utveckla sofistikerade lösningar för referenssystem för flyginformation, läge och kurs (ADAHRS) är avgörande för att säkerställa korrekt navigering och säkerhet i bemannade och obemannade flygplanssystem. För att skapa robusta och tillförlitliga konstruktioner för ADAHRS behöver utvecklare komponenter som kan hantera flera utmaningar inom konstruktion av flygnavigationssystem, inklusive sensornoggrannhet, miljötålighet och systemintegration.

Artikeln beskriver hur precisionsmoduler för datainsamling och enheter för tröghetsmätning (IMU) från Analog Devices hanterar dessa utmaningar och förenklar utvecklingen av effektiva ADAHRS-lösningar.

Flygsäkerhet bygger på sofistikerade sensorbaserade system

Tillgången till korrekt information om flygprestanda är avgörande för säkerheten inom alla flygsegment, från drönare (UAS) till tunga jetflygplan med passagerare. I takt med de aerodynamiska förbättringarna av flygplanen har avioniksystemens kapacitet utvecklats från pilotens traditionella "sex flyginstrument" baserade på magnetiska kompasser, mekaniska gyroskop och vakuumdrivna flyginstrument, till alltmer sofistikerade "glascockpits" med grafiska elektroniska flyginstrument (EFIS).

ADAHRS, som ligger till grund för EFIS, integrerar de funktioner hos en dator för flyginformation och ett referenssystem för läge och kurs (AHRS) som krävs för att komplettera satellitsystem för navigation (GNSS), såsom USA:s globala positioneringssystem (GPS) och GPS:s tillhörande markbaserade WAAS (wide area augmentation system). Datorn för flyginformation beräknar höjd och vertikal-, flyg- och markhastighet med hjälp av atmosfäriska tryckmätningar och utomhusluftens temperatur. För att tillhandahålla data om flygplanets läge (stigning, roll och girning) och den kurs som behövs för död räkning vid tröghetsnavigering använder ADAHRS en kombination av gyroskop för förändringar i vinkelhastighet, accelerometrar för förändringar i linjär hastighet och magnetometrar för magnetisk kurs. Framsteg inom sensortekniken har förändrat karaktären hos dessa viktiga sensorer dramatiskt.

Tidigare var komplicerade fiberoptiska gyroskop eller ringlasergyroskop bland de få tillgängliga tekniker som kunde leverera tillräcklig noggrannhet för luftfart. I dag finns det avancerade mikroelektromekaniska system (MEMS) som förser utvecklare med en teknik som kan uppfylla kraven för olika avionikplattformar (figur 1).

Figur 1: Avancerade MEMS-gyroskop har unika egenskaper som gör dem till den föredragna tekniken för elektroniska avioniksystem. (Bildkälla: Analog Devices)

Tillsammans med gyroskop, accelerometrar och magnetometrar är funktionen i ADAHRS även beroende av tillförlitliga dataströmmar från sensorer som rapporterar utomhusluftens temperatur och tryck. Andra sensorer för tryck, kraft och position ger information om flygytornas position och belastning, landningsställ och noshjulsstyrning. Ytterligare sensorer ger viktig information om motorns prestanda och bränsle som behövs för motorinformationssystem, samt kabintemperatur, tryck och syrenivåer.

En kombination av högeffektiva moduler för insamling av sensordata och MEMS IMU:er från Analog Devices förser utvecklare med de viktiga komponenter som krävs för att leverera avioniklösningar med tillförlitlighet, noggrannhet, storlek och kostnadsegenskaper som gör att de kan användas i alla typer av flygsystem.

Tillämpning av moduler för insamling av sensordata och IMU i modern avionik

För att samla in information från det stora utbudet av sensorer i alla flygplattformar erbjuder högeffektiva moduler för datainsamling en rad olika prestandaegenskaper för respektive sensormodalitet och funktionskrav. Med sina µModule-lösningar med noggrann signalkedja integrerar Analog Devices vanliga delsystem för signalbehandling, inklusive signalbehandlingsblock och analog- till digitalomvandlare (ADC) i en kompakt SIP-enhet (system-in-package) för att lösa tuffa konstruktionsutmaningar. μ-Module innehåller även viktiga passiva komponenter med överlägsna matchnings- och avvikelseegenskaper som bygger på tekniken iPassive® från Analog Devices, för att minimera temperaturberoende felkällor och förenkla kalibreringen samtidigt som de termiska utmaningarna minskar. En betydande minskning av lösningens format möjliggör tillägg av fler kanaler/funktioner för skalbara flyginstrument som kräver noggrannhet och stabilitet över temperatur och tid. µModules förenklar materiallistan för signalkedjan, minskar prestandakänsligheten för externa kretsar, förkortar designcyklerna och minskar därmed den totala ägandekostnaden.

ADAQ4003 och ADAQ23878 är μModules från Analog Devices som är utformade för att uppfylla de krävande datainsamlingskrav och integrerar en helt differentiell ADC-drivförstärkare (FDA, figur 2) med en 0,005 % precisionsmatchad resistormatris, en stabil referensbuffert och en ADC med 18-bitars SAR (successive approximation register) som kan leverera 2 MSPS respektive 15 MSPS.

Genom att kombinera en μModule-datainsamlingsenhet som ADAQ4003 med en helt differentiell instrumentförstärkare med programmerbar förstärkning (PGIA), som LTC6373 från Analog Devices, kan utvecklare implementera en enkel lösning på många av de komplicerade avkänningskrav som ställs på flygsystem.

Figur 2: Utvecklare kan på ett effektiv sätt uppfylla många av flygets avkänningskrav genom att kombinera en helt differentiell LTC6373 PGIA med datainsamlingssystemet ADAQ4003 μModule. (Bildkälla: Analog Devices)

Som tidigare nämnts erbjuder MEMS-baserade sensorer en effektiv lösning för att leverera den viktiga information som krävs för ADAHRS-funktioner. Genom att integrera MEMS-gyroskop med tre axlar, accelerometrar med tre axlar, temperatursensorer och andra funktionsblock kan IMU:er med sex frihetsgrader, som den noggranna MEMS IMU:nADIS16505 från Analog Devices och tröghetssensorn ADIS16495 av taktisk kvalitet, tillhandahålla den kompletta uppsättning funktioner som krävs för att förenkla utvecklingen av delsystem för avionik (figur 3).

Figur 3: IMU:n ADIS16505 och IMU:n ADIS16495 (som visas här) integrerar sensorer med en styrenhet, kalibrering, signalbehandling och självtestblock för att tillhandahålla en komplett lösning för elektroniska mätsystem i delsystem för avionik som ADAHRS. (Bildkälla: Analog Devices)

Kombinerade i ADAHRS kan dessa system tillhandahålla de väsentliga komponenterna i tröghetsnavigeringssystem för att tillhandahålla den nödvändiga kursen till önskad destination även utan satellit- eller markbaserade navigeringshjälpmedel. Som med alla tillverkade enheter är MEMS-baserade enheter föremål för olika type av prestandabegränsningar som kan försämra noggrannheten i den beräknade navigeringen. Till exempel begränsar oundvikliga variationer i tillverkningen, interna bruskällor och miljöeffekter ett MEMS-gyroskops noggrannhet.

Tillverkarna dokumenterar effekterna av dessa variationer i ett stort antal datablad med parameterspecifikationer. Bland specifikationerna kan parametrar för känslighet, olinjäritet och lutning direkt påverka noggrannheten i ADAHRS-system. I gyroskop kan begränsad känslighet (upplösning vid mätning av vinkelhastighet) leda till kursfel (Ψ) och positionsfel (d_e) vid svängar (figur 4, vänster); olinjärt svar (avvikelse från idealiskt linjärt svar) kan leda till liknande fel efter en serie manövrar som S-svängar (figur 4, mitten); och gyroskopets förstärkning leder till avvikelser i kurs och position även vid marschfärd (rak och plan flygning utan någon acceleration) (figur 4, höger).

Figur 4: Gyroskopets känslighetsbegränsningar, olinjäritet och förstärkning kan leda till ackumulering av kursfel (Ψ) och positionsfel (d_e) vid svängar (vänster), S-svängar (mitten) och marschfart (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Lutningsfel uppstår på grund av att respektive gyroskopaxel är feljusterad i förhållande till andra axlar eller kapslingen, skalningsfel och gyroskopets felaktiga svar på linjär acceleration som rotation på grund av asymmetrier i MEMS-tillverkningen. För IMU:erna ADIS16505 och ADIS16495 fastställer Analog Devices korrigeringsfaktorer för lutning som är specifika för respektive enhet genom att testa dem vid flera rotationshastigheter och temperaturer. Dessa komponentspecifika korrigeringsfaktorer lagras i komponentens interna flashminne och används vid sensorns signalbehandling.

Utöver de korrigeringsbara lutningsfaktorerna påverkar slumpmässigt brus från olika källor lutningsfelet över tid. Även om det inte är möjligt att kompensera för detta slumpmässiga brus direkt, kan dess effekter minskas genom sampling över längre integrationstider. I vilken grad längre samplingstider minskar bruset beskrivs i diagrammet för Allan-avvikelse (eller Allan-varians) i ett gyroskopdatablad, som visar bruset i grader per timme (°/hr) mot integrationsperioden (τ) (Figur 5).

Figur 5: Diagrammen över Allan-avvikelsen för MEMS-gyroskopen i IMU:n ADIS16495 (vänster) och IMU:n ADIS16505 (höger) beskriver förmågan hos den förlängda samplingstiden att kompensera för slumpmässig drift. (Bildkälla: Analog Devices)

Minimum i kurvan för Allan-avvikelsen representerar det bästa fallet för gyroskopets avvikelse över tid, en parameter som kallas IRBS (in-run bias stability) och som vanligtvis anges i form av summan av medelvärdet och en standardavvikelse i databladets specifikationer. För utvecklare som skapar mycket exakta ADAHRS-lösningar, är IRBS för en IMU en viktig parameter för att förstå den bästa möjliga prestanda som är möjlig med den delen. Gyroskopexperter klassificerar IMU:er som ADIS16495 från Analog Devices som "taktisk kvalitet" när gyroskopets IRBS-värden ligger mellan 0,5° och 5°/timme.

ADIS16495 har snäva specifikationer för flera viktiga parametrar för att möta mer krävande taktiska tillämpningar. ADIS16495 innehåller ett par MEMS-gyroskop och en särskild signalkedja med 4100 Hz sampling för var och en av dess tre axlar (figur 6), vilket bidrar till den förbättrade prestandan.

Figur 6: IMU:n ADIS16495 förbättrar gyroskopets noggrannhet och drift genom att beräkna medelvärdet av utsignalen från ett par MEMS-gyroskop med dedicerade signalkedjor. (Bildkälla: Analog Devices)

Samplingarna från respektive signalkedja kombineras sedan med en separat samplingsfrekvens på 4250 Hz (f_SM) för att ge en vinkelhastighetsmätning som minskar effekten av brus. Genom att kombinera denna samplingmetod med striktare prestandaspecifikationer får man en IMU som kan uppfylla mer krävande avionikkrav.

Snabb utveckling och utforskning av IMU-baserade konstruktioner

För att påskynda utvecklingen av konstruktioner baserade på IMU:er tillhandahåller Analog Devices en omfattande uppsättning utvecklingsverktyg. Programvarustacken FX3 från Analog Devices, som utformats för att stödja derast utvärderingskort EVAL-ADIS-FX3 för utvärdering av IMU:er och tillhörande breakout-kort, består av ett firmware-paket, ett .NET-kompatibelt API (Application Programming Interface) och ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Ett wrapper-bibliotek som medföljer API:et gör det möjligt för utvecklare att arbeta med alla utvecklingsmiljöer som stöder .NET, inklusive de för MATLAB, LabView och Python. Under utvecklingsarbetet gör det grafiska användargränssnittet för utvärdering i FX3 det enkelt att läsa och skriva register, samla in data och plotta resultaten i realtid.

Bild 7: Utvärderingskortet EVAL-ADIS-FX3 är en del av ett omfattande supportpaket för hård- och mjukvara som gör det lättare att utvärdera IMU:er från Analog Devices. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

ADAHRS-avioniklösningar utgör kärnan i de framväxande EFIS-systemen. Med utvecklingen av precisionsgyroskop, accelerometrar och magnetometrar baserade på MEMS-teknik kan avioniksystem erbjuda flygprestanda och navigeringsmöjligheter som har varit utom räckhåll för alla utom de största flottorna av kommersiella flygplan. Med hjälp av datainsamlingsmoduler och högintegrerade IMU:er från Analog Devices kan utvecklare av flygelektronik konstruera mer kostnadseffektiva, mindre lösningar för att uppfylla de strikta kraven på funktion, säkerhet och tillförlitlighet i flygsystem.