Ekonomiczne wdrażanie niezawodnych systemów nawigacji lotniczej z użyciem precyzyjnych komponentów

Opracowywanie zaawansowanych rozwiązań w postaci systemów monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia precyzji nawigacji i bezpieczeństwa w bezzałogowych systemach powietrznych. Aby tworzyć solidne i niezawodne projekty systemów monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS), deweloperzy potrzebują komponentów, które mogą sprostać wielu wyzwaniom projektowania systemów nawigacji lotniczej, takim jak dokładność czujników, odporność na warunki środowiskowe i integracja systemów.

W niniejszym artykule opisano, w jaki sposób precyzyjne moduły akwizycji danych i inercyjne jednostki pomiarowe (IMU) firmy Analog Devices pozwalają sprostać tym wyzwaniom i uprościć opracowywanie skutecznych rozwiązań z kategorii systemów monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS).

Bezpieczeństwo lotnicze jest możliwe dzięki zaawansowanym systemom opartym na czujnikach

Dostępność dokładnych informacji o parametrach lotu ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa we wszystkich segmentach lotnictwa, od bezzałogowych systemów powietrznych (UAS) po ciężkie odrzutowce pasażerskie. Dorównując udoskonaleniom pod kątem aerodynamiki w samolotach, możliwości systemów awioniki ewoluowały od tradycyjnego „sześciopaku” przyrządów pokładowych pilota, opartego na kompasach magnetycznych, żyroskopach mechanicznych i przyrządach podciśnieniowych, aż po coraz bardziej wyrafinowane „szklane kokpity” z systemami elektronicznych przyrządów pokładowych (EFIS) z wyświetlaczami graficznymi.

Bazujący na systemie elektronicznych przyrządów pokładowych (EFIS) system monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) łączy w sobie możliwości komputera gromadzącego dane lotnicze oraz systemu orientacji przestrzennej i kursu (AHRS) wymaganych jako uzupełnienie narzędzi nawigacyjnych globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) dalekiego zasięgu, w tym systemu GPS oraz powiązanego z nim naziemnego systemu WAAS. Komputer przetwarzający dane lotnicze na podstawie pomiarów ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza na zewnątrz oblicza wysokość n.p.m., prędkość pionową oraz prędkość względem powietrza i ziemi. System monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) wykorzystuje kombinację żyroskopów do pomiaru zmian prędkości kątowej, przyspieszeniomierzy do pomiaru zmian prędkości liniowej oraz magnetometrów do pomiaru kursu magnetycznego. Postępy w technologii czujników radykalnie zmieniły charakter działania tych krytycznych czujników.

W przeszłości skomplikowane żyroskopy światłowodowe lub laserowe były jedną z niewielu dostępnych technologii, które mogły zapewnić wystarczającą dokładność w lotnictwie. Obecnie dostępność zaawansowanych systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) oferuje deweloperom technologię, która może spełnić wymagania różnych platform awioniki (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wysokiej klasy żyroskopy mikroelektromechaniczne (MEMS) posiadają unikalne cechy, dzięki którym stanowią preferowaną technologię w elektronicznych systemach awioniki. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podobnie jak w przypadku żyroskopów, przyspieszeniomierzy i magnetometrów, działanie systemu monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) zależy również od niezawodnych strumieni danych z czujników podających temperaturę i ciśnienie powietrza na zewnątrz. Inne czujniki ciśnienia, siły i pozycji dostarczają dane o pozycji i obciążeniu powierzchni sterowych , podwozia i skrętu koła przedniego. Dodatkowe czujniki dostarczają dane o parametrach pracy silników i paliwie, niezbędne dla systemów informacji o silnikach, a także dane o temperaturze, ciśnieniu i poziomach tlenu w kabinie.

Połączenie wysokowydajnych modułów akwizycji danych z czujników oraz mikroelektromechanicznych (MEMS) inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) firmy Analog Devices zapewnia deweloperom kluczowe komponenty wymagane do dostarczania rozwiązań awioniki o niezawodności, dokładności, rozmiarze i charakterystyce kosztowej pozwalających na ich zastosowanie we wszystkich lotniczych systemach awioniki.

Zastosowanie modułów akwizycji danych z czujników i inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) w nowoczesnej awionice

Wysokowydajne moduły akwizycji danych oferują szereg możliwości akwizycji danych z szerokiej gamy czujników na dowolnej platformie lotniczej, niezależnie od rodzaju czujnika i wymagań funkcjonalnych. Dzięki precyzyjnym rozwiązaniom łańcucha sygnałowego µModule, firma Analog Devices integruje popularne podsystemy przetwarzania sygnałów, w tym bloki kondycjonowania sygnałów i przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) w kompaktowym urządzeniu SIP (system-in-package), rozwiązując trudne wyzwania projektowe. Moduły μModule zawierają również krytyczne komponenty pasywne o znakomitych charakterystykach dopasowania i dryftu, zbudowanych z wykorzystaniem technologii iPassive® firmy Analog Devices, które minimalizują źródła błędów zależnych od temperatury i upraszczają kalibrację, a jednocześnie zapobiegają problemom termicznym. Znaczne zmniejszenie zajmowanej powierzchni pozwala na dodanie większej liczby kanałów i funkcji na potrzeby coraz większej liczby przyrządów lotniczych wymagających precyzji i stabilności w różnych warunkach temperaturowych, pomimo upływu czasu. Mikromoduły µModules upraszczają wykaz materiałów (BOM) łańcucha sygnałowego, zmniejszają wrażliwość parametrów działania na obwody zewnętrzne, skracają cykle projektowania, a tym samym obniżają całkowity koszt utrzymania.

Zaprojektowane z myślą o spełnieniu wysokich wymagań w zakresie akwizycji danych, moduły μModule ADAQ4003 oraz ADAQ23878 firmy Analog Devices zawierają sterujący wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) (FDA, ilustracja 2) z układem dopasowanych rezystorów z precyzją 0,005%, stabilnym buforem referencyjnym oraz 18-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) o rozdzielczości odpowiednio 2MSPS i 15MSPS.

Dzięki połączeniu urządzenia do akwizycji danych μModule, na przykład ADAQ4003, z pełnoróżnicowym wzmacniaczem instrumentacyjnym o programowanym wzmocnieniu (PGIA), takim jak LTC6373 firmy Analog Devices, deweloperzy mogą wdrażać proste rozwiązania przy zachowaniu zgodności z wieloma złożonymi wymaganiami systemów awioniki w zakresie czujników.

Ilustracja 2: deweloperzy mogą skutecznie spełnić wiele wymagań dotyczących czujników lotniczych, łącząc pełnoróżnicowy wzmacniacz instrumentacyjny o programowanym wzmocnieniu (PGIA) LTC6373 z systemem akwizycji danych μModule ADAQ4003. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jak wspomniano wcześniej, czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS) stanowią skuteczne rozwiązanie dostarczania krytycznych danych do systemu monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS). Dzięki integracji trójosiowych żyroskopów i trójosiowych przyspieszeniomierzy MEMS z czujnikami temperatury i innymi blokami funkcjonalnymi, inercyjne jednostki pomiarowe (IMU) z sześcioma stopniami swobody, takie jak np. precyzyjna miniaturowa inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) MEMS ADIS16505 firmy Analog Devices i czujnik inercyjny klasy taktycznej ADIS16495, zapewniają pełny zestaw funkcji wymaganych do uproszczenia prac rozwojowych nad podsystemami awioniki (ilustracja 3).

Ilustracja 3: inercyjne jednostki pomiarowe (IMU) ADIS16505 i ADIS16495 integrują czujniki z blokami kontrolera, kalibracji, przetwarzania sygnałów i autotestu, zapewniając kompletne rozwiązanie dla należących do kategorii elektronicznych systemów pomiarowych bazowych systemów awioniki, takich jak system monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wspomniane podsystemy, połączone w systemie monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS), mogą stanowić podstawowe komponenty inercyjnych systemów nawigacji, zapewniając wymagany kurs na żądane miejsce docelowe, nawet bez satelitarnych lub naziemnych pomocy nawigacyjnych. Podobnie jak w przypadku każdego produkowanego urządzenia, urządzenia mikroelektromechaniczne (MEMS) podlegają ograniczeniom wynikającym z różnych źródeł, które mogą pogorszyć dokładność nawigacji komputerowej. Na przykład dokładność żyroskopu MEMS ograniczają nieuniknione różnice produkcyjne, wewnętrzne źródła szumów i wpływ otoczenia.

Producenci dokumentują wpływ tych różnic na parametry działania w licznych arkuszach danych specyfikacji parametrów. Wśród tych specyfikacji, na dokładność systemu monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) mogą bezpośrednio wpływać parametry czułości, nieliniowości i odchylenia. Ograniczona czułość żyroskopów (rozdzielczość pomiaru prędkości kątowej) może skutkować błędami kursu (Ψ) i błędami pozycji (d_e) podczas wykonywania manewrów skrętu (ilustracja 4, po lewej). Odpowiedź nieliniowa (odchylenie od idealnej odpowiedzi liniowej) może skutkować podobnymi błędami po serii manewrów, np. manewrów w kształcie litery S (ilustracja 4, po środku), natomiast odchylenie żyroskopu powoduje dryft kursu i pozycji nawet podczas utrzymywania stałej pozycji przelotowej (lot na wprost, na stałej wysokości, bez przyspieszania) (ilustracja 4, po prawej).

Ilustracja 4: ograniczenia czułości, nieliniowość i odchylenie żyroskopu mogą skutkować akumulacją błędu kursu (Ψ) i błędu pozycji (d_e) podczas wykonywania skrętów (po lewej), manewrów w kształcie litery S (po środku) i utrzymywania stałej pozycji przelotowej (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Błędy odchylenia wynikają z braku wyrównania poszczególnych osi żyroskopu z innymi osiami lub obudową, błędów skalowania oraz nieprawidłowej reakcji żyroskopu na przyspieszenie liniowe, takiej jak obrót wynikający z asymetrii w produkcji mikroukładów elektromechanicznych (MEMS). Dla inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) ADIS16505 i ADIS16495 firma Analog Devices określa współczynniki korekcji odchylenia specyficzne dla każdego urządzenia, testując je przy różnych prędkościach obrotowych i temperaturach. Współczynniki korekcji odchylenia specyficzne dla części są przechowywane w wewnętrznej pamięci flash każdej części i wykorzystywane podczas przetwarzania sygnału czujnika.

Oprócz skorygowanych współczynników odchylenia, wraz z upływem czasu na błąd odchylenia wpływa losowy szum z różnych źródeł. Chociaż bezpośrednie skompensowanie wspomnianego losowego szumu nie jest możliwe, jego wpływ można zmniejszyć poprzez próbkowanie przy dłuższych czasach całkowania. Wpływ dłuższych czasów próbkowania na zmniejszenie szumów opisano na wykresie odchylenia Allana (lub wariancji Allana) z arkusza danych żyroskopu, który przedstawia szum w stopniach na godzinę (°/h) w funkcji okresu całkowania (τ) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wykresy odchylenia Allana dla żyroskopów MEMS w inercyjnej jednostce pomiarowej (IMU) ADIS16495 (po lewej) i w inercyjnej jednostce pomiarowej (IMU) ADIS16505 (po prawej) firmy Analog Devices opisują możliwość wydłużenia czasu próbkowania w celu skompensowania dryftu losowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Minimum z wykresu odchylenia Allana reprezentuje najlepszy przypadek dryftu żyroskopu w czasie - parametr zwany stabilnością odchylenia podczas pracy (IRBS), zwykle określany w arkuszach danych specyfikacji jako suma średniej i jedno odchylenie standardowe. Dla deweloperów tworzących wysoce dokładne rozwiązania z kategorii systemów monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS) stabilność odchylenia podczas pracy (IRBS) inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU) stanowi parametr niezbędny do zrozumienia najkorzystniejszych parametrów działania tej części. Eksperci od żyroskopów klasyfikują inercyjne jednostki pomiarowe (IMU), np. ADIS16495 firmy Analog Devices, jako urządzenia „klasy taktycznej”, gdy wartości stabilności odchylenia podczas pracy (IRBS) ich żyroskopów mieszczą się w przedziale od 0,5° do 5,0°/godz.

Urządzenie ADIS16495 charakteryzuje się wąskimi specyfikacjami w zakresie wielu istotnych parametrów, które pozwalają mu sprostać bardziej wymagającym zastosowaniom taktycznym. Urządzenie ADIS16495 posiada ulepszone parametry działania i zawiera w sobie parę żyroskopów MEMS oraz dedykowany łańcuch sygnałowy próbkowania 4100Hz dla każdej z trzech osi (ilustracja 6).

Ilustracja 6: inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) klasy taktycznej ADIS16495 poprawia dokładność żyroskopu i dryft dzięki uśrednianiu sygnału wyjściowego pary żyroskopów MEMS z dedykowanymi łańcuchami sygnałowymi. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Próbki z poszczególnych łańcuchów sygnałowych są następnie łączone przy użyciu oddzielnej częstotliwości próbkowania 4250Hz (f_SM), aby zapewnić pomiar prędkości kątowej redukujący wpływ szumów. Połączenie tej metody próbkowania z bardziej rygorystycznymi specyfikacjami parametrów działania pozwala uzyskać inercyjną jednostkę pomiarową (IMU) będącą w stanie sprostać bardziej wyśrubowanym wymaganiom awioniki.

Szybki rozwój i eksploracja projektów opartych na inercyjnych jednostkach pomiarowych (IMU)

Aby przyspieszyć opracowywanie projektów opartych na inercyjnych jednostkach pomiarowych (IMU), firma Analog Devices oferuje kompleksowy zestaw narzędzi rozwojowych. Stos oprogramowania FX3 firmy Analog Devices zaprojektowany do obsługi płytki ewaluacyjnej inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU) EVAL-ADIS-FX3 (ilustracja 7) i powiązanych płytek rozdzielczych zawiera pakiet oprogramowania układowego, interfejs programowania aplikacji (API) kompatybilny z platformą .NET oraz graficzny interfejs użytkownika (GUI). Biblioteka wrapperów dostarczana z interfejsem API pozwala deweloperom na pracę z dowolnym środowiskiem programistycznym obsługującym .NET, w MATLAB, LabView i Python. Podczas prac rozwojowych, graficzny interfejs użytkownika (GUI) do ewaluacji FX3 umożliwia deweloperom łatwe odczytywanie i zapisywanie rejestrów, przechwytywanie danych i wykreślanie wyników w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 7: płytka ewaluacyjna EVAL-ADIS-FX3 jest częścią kompleksowego pakietu sprzętowo-programowego wspomagającego testowanie inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) firmy Analog Devices. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Sercem rozwijających się systemów elektronicznych przyrządów pokładowych (EFIS) są rozwiązania awioniki w postaci systemów monitorowania danych lotniczych oraz orientacji przestrzennej i kursu (ADAHRS). Wraz z rozwojem precyzyjnych żyroskopów, przyspieszeniomierzy i magnetometrów opartych na technologiach mikroelektromechanicznych (MEMS), systemy awioniki mogą oferować dostęp do parametrów lotu i możliwości nawigacyjnych, które były niedostępne poza największymi flotami samolotów komercyjnych. Korzystając z modułów akwizycji danych i wysoce zintegrowanych inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) firmy Analog Devices, deweloperzy awioniki mogą projektować tańsze i mniejsze rozwiązania spełniające rygorystyczne wymagania w zakresie funkcjonalności, bezpieczeństwa i niezawodności w systemach awioniki.