Kosteneffectieve implementatie van betrouwbare navigatiesystemen voor vliegtuigen met precisiecomponenten

De ontwikkeling van geavanceerde ADAHRS-oplossingen (air data, attitude, and heading reference system) is cruciaal voor nauwkeurige navigatie en veiligheid in bemande en onbemande vliegtuigsystemen. Om robuuste, betrouwbare ADAHRS-ontwerpen te maken, hebben ontwikkelaars componenten nodig die meerdere uitdagingen in het ontwerp van luchtvaartnavigatiesystemen aankunnen, waaronder sensornauwkeurigheid, omgevingsbestendigheid en systeemintegratie.

Dit artikel beschrijft hoe modules voor nauwkeurige gegevensverwerving en traagheidsmetingseenheden (IMU's) van Analog Devices deze uitdagingen aanpakken en de ontwikkeling van effectieve ADAHRS-oplossingen vereenvoudigen.

Veiligheid in de luchtvaart is gebaseerd op geavanceerde, sensorgebaseerde systemen

De beschikbaarheid van nauwkeurige vluchtprestatie-informatie is cruciaal voor de veiligheid in alle luchtvaartsegmenten, van onbemande luchtvaartsystemen (UAS) tot zware passagiersvliegtuigen. Naarmate vliegtuigen aerodynamischer werden, zijn de mogelijkheden van luchtvaartsystemen geëvolueerd van het traditionele "sixpack" van vlieginstrumenten voor de piloot, gebaseerd op magnetische kompassen, mechanische gyroscopen en vacuümgestuurde vlieginstrumenten, naar steeds geavanceerdere "glazen cockpits" met een elektronisch vlieginstrumentensysteem (EFIS) met grafische weergave.

Onder het EFIS integreert het ADAHRS de mogelijkheden van een luchtgegevenscomputer en een stand- en koersreferentiesysteem (AHRS) die nodig zijn als aanvulling op GNSS-navigatiehulpmiddelen (Global Navigation Satellite System) voor de lange afstand, zoals het Amerikaanse Global Positioning System (GPS) en het bijbehorende WAAS (Wide Area Augmentation System) op de grond. De luchtgegevenscomputer berekent de hoogte en verticale, lucht- en grondsnelheid aan de hand van luchtdrukmetingen en de buitenluchttemperatuur. Om de stand (pitch, roll en yaw) en koersgegevens van het vliegtuig te leveren die nodig zijn voor dead reckoning in traagheidsnavigatie, vertrouwt het ADAHRS op een combinatie van gyroscopen voor veranderingen in hoeksnelheid, versnellingsmeters voor veranderingen in lineaire snelheid en magnetometers voor magnetische koers. Vooruitgang in de sensortechnologie heeft de aard van deze kritieke sensoren drastisch veranderd.

In het verleden behoorden complexe fiberoptische of ringlasergyroscopen tot de weinige beschikbare technologieën die voldoende nauwkeurigheid konden leveren voor de luchtvaart. Vandaag de dag biedt de beschikbaarheid van geavanceerde micro-elektromechanische systemen (MEMS) ontwikkelaars een technologie die kan voldoen aan de eisen van verschillende luchtvaartplatforms (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: High-end MEMS-gyroscopen bieden unieke eigenschappen waardoor ze de voorkeur genieten als technologie voor elektronische luchtvaartsystemen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Naast gyroscopen, versnellingsmeters en magnetometers is de ADAHRS-functionaliteit ook afhankelijk van betrouwbare gegevensstromen van sensors die de buitenluchttemperatuur en -druk rapporteren. Andere druk-, kracht- en positiesensors leveren gegevens over de positie en belasting van de vliegvlakken, het landingsgestel en de neuswielbesturing. Bijkomende sensors leveren essentiële gegevens over motorprestaties en brandstof die nodig zijn voor motorinformatiesystemen, evenals de temperatuur, druk en zuurstofniveaus in de cabine.

Een combinatie van krachtige sensordata-acquisitiemodules en MEMS IMU's van Analog Devices voorziet ontwikkelaars van de kritieke componenten die nodig zijn om luchtvaartoplossingen te leveren met betrouwbaarheid, nauwkeurigheid, afmetingen en kostenkenmerken die hun toepassing over het volledige bereik van luchtvaartvluchtsystemen mogelijk maken.

Sensordata-acquisitiemodules en IMU's toepassen in moderne luchtvaart

Voor het verzamelen van gegevens van de brede reeks sensors in elk vliegplatform bieden krachtige gegevensverzamelingsmodules een reeks prestatiemogelijkheden voor elke sensormodaliteit en functionele vereiste. Met zijn Precision Signal Chain µModule-oplossingen integreert Analog Devices veelgebruikte signaalverwerkingssubsystemen, waaronder signaalconditioneringsblokken en analoog-digitaalomzetters (ADC's) in een compact system-in-package (SIP) apparaat om moeilijke ontwerpuitdagingen op te lossen. De μModules bevatten ook de kritieke passieve componenten met superieure matching- en driftkarakteristieken, gebouwd met behulp van Analog Devices iPassive®-technologie, die temperatuurafhankelijke foutbronnen minimaliseren en kalibratie vereenvoudigen terwijl thermische uitdagingen worden beperkt. Door de aanzienlijke verkleining van de voetafdruk van de oplossing kunnen meer kanalen/functies worden toegevoegd voor schaalbare luchtvaartinstrumenten die precisie en stabiliteit over temperatuur en tijd vereisen. De µModules vereenvoudigen de Bill of Material (BOM) van de signaalketen, verminderen de prestatiegevoeligheid voor externe schakelingen en verkorten de ontwerpcycli, waardoor de totale eigendomskosten dalen.

De ADAQ4003 en ADAQ23878 μ-modules van Analog Devices zijn ontworpen om te voldoen aan de veeleisende data-acquisitievereisten en integreren een volledig differentiële ADC-driverversterker (FDA, Afbeelding 2) met een 0,005% precisie matched resistor array, een stabiele referentiebuffer en een 18-bits successive approximation register (SAR) ADC, die respectievelijk 2 megasamples per seconde (MSPS) en 15 MSPS prestaties kan leveren.

Door een μModule-data-acquisitieapparaat zoals de ADAQ4003 te combineren met een volledig differentiële programmeerbare versterker (PGIA), zoals de LTC6373 van Analog Devices, kunnen ontwikkelaars een eenvoudige oplossing implementeren voor veel van de complexe detectievereisten van luchtvaartsystemen.

Afbeelding 2: Ontwikkelaars kunnen efficiënt voldoen aan veel eisen op het gebied van luchtvaartsensors door een LTC6373 volledig differentiële PGIA te combineren met een ADAQ4003 μModule-data-acquisitiesysteem. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zoals eerder opgemerkt, bieden MEMS-sensors een effectieve oplossing voor het leveren van de kritieke gegevens die nodig zijn voor ADAHRS-functionaliteit. Door de integratie van MEMS triaxiale gyroscopen en triaxiale versnellingsmeters met temperatuursensoren en andere functionele blokken, bieden IMU's met zes vrijheidsgraden, zoals de ADIS16505 miniatuur MEMS IMU van Analog Devices en de ADIS16495 tactische traagheidssensor, de complete set functionaliteit die nodig is om de ontwikkeling van subsystemen voor luchtvaart te vereenvoudigen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De ADIS16505 IMU en ADIS16495 IMU (hier afgebeeld) integreren sensors met een controller, kalibratie, signaalverwerking en zelftestblokken om een complete oplossing te bieden voor elektronische meetsystemen die ten grondslag liggen aan luchtvaartsystemen zoals ADAHRS. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Gecombineerd in het ADAHRS kunnen deze systemen de essentiële componenten leveren van traagheidsnavigatiesystemen die zelfs zonder satelliet- of grondnavigatiesystemen de vereiste koers naar de gewenste bestemming kunnen aangeven. Zoals elk gefabriceerd apparaat zijn MEMS-gebaseerde apparaten onderhevig aan verschillende bronnen van prestatiebeperkingen die de nauwkeurigheid van berekende navigatie kunnen verminderen. Zo beperken onvermijdelijke variaties in fabricage, interne ruisbronnen en omgevingseffecten de nauwkeurigheid van een MEMS-gyroscoop.

Fabrikanten documenteren de prestatie-effecten van deze variaties in talloze datasheet parameterspecificaties. Onder deze specificaties kunnen gevoeligheid, niet-lineariteit en biasparameters de ADAHRS-nauwkeurigheid direct beïnvloeden. Bij gyroscopen kan een beperkte gevoeligheid (meetresolutie van de hoeksnelheid) resulteren in een koersfout (Ψ) en een positiefout (d_e) tijdens bochten (Afbeelding 4, links); een niet-lineaire respons (afwijking van de ideale lineaire respons) kan resulteren in soortgelijke fouten na een reeks manoeuvres zoals S-bochten (Afbeelding 4, midden); en een bias van de gyroscoop resulteert in een afwijking in de koers en positie, zelfs tijdens de kruisvlucht (rechte en horizontale vlucht zonder versnelling) (Afbeelding 4, rechts).

Afbeelding 4: Gyroscoopgevoeligheidsbeperkingen, niet-lineariteit en bias van de gyroscoop kunnen leiden tot de accumulatie van koersfouten (Ψ) en positiefouten (d_e) tijdens bochten (links), S-bochten (midden) en kruisvluchten (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Biasfouten ontstaan door de verkeerde uitlijning van elke gyroscoopas ten opzichte van andere assen of het pakket, schaalfouten en de onjuiste respons van de gyroscoop op lineaire versnelling als rotatie door asymmetrieën in de MEMS-fabricage. Voor zijn ADIS16505 en ADIS16495 IMU's bepaalt Analog Devices de biascorrectiefactoren die specifiek zijn voor elk apparaat door ze te testen bij meerdere rotatiesnelheden en temperaturen. Deze deelspecifieke biascorrectiefactoren worden opgeslagen in het interne flashgeheugen van elk onderdeel en toegepast tijdens de verwerking van sensorsignalen.

Naast de corrigeerbare biasfactoren heeft willekeurige ruis uit verschillende bronnen invloed op de biasfout in de loop van de tijd. Hoewel het niet mogelijk is om deze willekeurige ruis direct te compenseren, kunnen de effecten worden verminderd door over langere integratietijden te bemonsteren. De mate waarin langere bemonsteringstijden de ruis verminderen wordt beschreven in de Allan-deviatieplot (of Allan-variantie) van een gyroscoopgegevensblad, waarin de ruis in graden per uur (°/hr) wordt weergegeven versus de integratieperiode (τ) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Allan-deviatieplots voor de MEMS-gyroscopen in de ADIS16495 IMU (links) en ADIS16505 IMU (rechts) beschrijven het vermogen van een langere bemonsteringstijd om willekeurige drift te compenseren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het minimum van de Allan-deviatieplot vertegenwoordigt het beste geval voor de drift van de gyroscoop in de loop van de tijd, een parameter die in-run bias stability (IRBS) wordt genoemd en die meestal wordt gespecificeerd in termen van de som van het gemiddelde en één standaarddeviatie in de specificaties van het gegevensblad. Voor ontwikkelaars die zeer nauwkeurige ADAHRS-oplossingen maken, is de IRBS van een IMU een essentiële parameter voor het begrijpen van de best mogelijke prestaties met dat onderdeel. Gyroscoopdeskundigen classificeren IMU's zoals de ADIS16495 van Analog Devices als "tactical grade" wanneer de IRBS-waarden van hun gyroscoop tussen 0,5° en 5,0°/uur liggen.

De ADIS16495 heeft strenge specificaties voor meerdere essentiële parameters om te voldoen aan veeleisende tactische toepassingen. Voor betere prestaties integreert de ADIS16495 een paar MEMS-gyroscopen en een speciale 4100 hertz (Hz) bemonsteringssignaalketen voor elk van de drie assen (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De ADIS16495 tactische IMU verbetert de nauwkeurigheid en driftprestaties van de gyroscoop door het gemiddelde te nemen van de uitvoer van een paar MEMS-gyroscopen met speciale signaalketens. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Monsters van elke signaalketen worden vervolgens gecombineerd met een aparte 4250 Hz bemonsteringsfrequentie (f_SM) om een hoeksnelheidsmeting te verkrijgen die het effect van ruis vermindert. Door deze bemonsteringsmethode te combineren met strengere prestatiespecificaties ontstaat een IMU die kan voldoen aan strengere eisen op het gebied van luchtvaart.

Snelle ontwikkeling en verkenning van op IMU gebaseerde ontwerpen

Om de ontwikkeling van ontwerpen op basis van IMU's te versnellen, biedt Analog Devices een uitgebreide set ontwikkeltools. De FX3-softwarestack van Analog Devices is ontworpen ter ondersteuning van het EVAL-ADIS-FX3 IMU-evaluatiebord (Afbeelding 7) en bijbehorende uitbreidingsborden en bestaat uit een firmwarepakket, een .NET-compatibele toepassingsprogrammaverbinding (API) en een grafische gebruikersinterface (GUI). Dankzij een wrapperbibliotheek die bij de API wordt geleverd, kunnen ontwikkelaars werken met elke ontwikkelomgeving die .NET ondersteunt, inclusief die voor MATLAB, LabView en Python. Tijdens de ontwikkeling kunnen ontwikkelaars met de FX3 evaluatie-GUI eenvoudig registers lezen en schrijven, gegevens vastleggen en de resultaten in realtime plotten.

Afbeelding 7: Het EVAL-ADIS-FX3-evaluatiebord maakt deel uit van een uitgebreid hardware- en softwareondersteuningspakket om de IMU's van Analog Devices te helpen oefenen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

De luchtvaartoplossingen van ADAHRS vormen het hart van de evoluerende EFIS'en. Met de ontwikkeling van precisie-gyroscopen, versnellingsmeters en magnetometers op basis van MEMS-technologieën kunnen luchtvaartsystemen vluchtprestaties en navigatiemogelijkheden bieden die tot nu toe buiten het bereik lagen van alle commerciële vliegtuigen, behalve de grootste. Met behulp van data-acquisitiemodules en sterk geïntegreerde IMU's van Analog Devices kunnen ontwikkelaars van luchtvaart kosteneffectievere, kleinere oplossingen ontwerpen om te voldoen aan de strenge eisen voor functionaliteit, veiligheid en betrouwbaarheid in luchtvaartsystemen.