Luotettavien ilmailunavigointijärjestelmien kustannustehokas toteutus tarkkuuskomponenteilla

Sofistikoituneen avioniikan lentoarvotietojen, asennon ja suuntauksen referenssijärjestelmän (Air Data, Attitude and Heading Reference System, ADAHRS) kehittäminen on kriittistä miehitettyjen ja miehittämättömien ilma-alusten tarkan ja turvallisen navigoinnin mahdollistamiseksi. Kestävien ja luotettavien ADAHRS-järjestelmien kehittämiseksi tarvitaan komponentteja, jotka ratkaisevat monenlaisia avioniikkajärjestelmän suunnitteluhaasteita, mukaan lukien antureiden tarkkuus, ympäristötekijöiden sietokyky ja järjestelmän integrointi.

Tässä artikkelissa kuvaillaan, kuinka Analog Devices -yrityksen tarkoilla tiedonhankintamoduuleilla ja inertiamittauslaitteilla (Inertial Measurement Unit, IMU) voidaan ratkaista näitä haasteita ja yksinkertaistaa tehokkaiden ADAHRS-ratkaisujen kehitystä.

Ilmailun turvallisuus vaatii sofistikoituneita anturijärjestelmiä

Tarkkojen lentotietojen saatavuus on kriittinen turvallisuustekijä ilmailun kaikilla osa-alueilla aina miehittämättömistä ilma-alusjärjestelmistä (Unmanned Aerial System, UAS) raskaisiin matkustajalentokoneisiin. Ilma-alusten aerodynamiikan parannusten myötä avioniikkajärjestelmien ominaisuudet ovat kehittyneet magneettikompasseihin, mekaanisiin gyroskooppeihin ja alipainetoimisiin lentoinstrumentteihin perustuvista lentäjän ”six-packeista” entistä sofistikoituneemmiksi graafisia näyttöjä hyödyntäviksi elektronisiksi lennonvalvontamittaristoiksi (Electronic Flight Instrument System, EFIS), joita kutsutaan ”lasiohjaamoiksi”.

EFIS-järjestelmän pohjana toimivassa ADAHRS-järjestelmässä yhdistyvät lentoarvotietokoneen sekä asennon ja suuntauksen referenssijärjestelmän (Attitude and Heading Reference System, AHRS) ominaisuudet, jotka täydentävät maailmanlaajuisen satelliittipaikannusjärjestelmien (Global Navigation Satellite System, GNSS), kuten Yhdysvaltain GPS:n (Global Positioning System) ja siihen liittyvän maan pinnalla käytettävän WAAS:n (Wide Area Augmentation System), ominaisuuksia. Lentoarvotietokone laskee korkeuden sekä pysty-, lento- ja maanopeuden käyttämällä ilmanpainemittauksia ja ulkoilman lämpötilaa. Inertiasuunnistukseen ja lokipaikannukseen tarvittavat tiedot ovat lentokoneen asento (nousu-, kallistus- ja kääntymiskulma) sekä suunta. ADAHRS tarjoaa nämä tiedot mittaamalla gyroskoopeilla kulmanopeuden muutoksia, kiihtyvyysantureilla lineaarisen nopeuden muutoksia ja magnetometreillä magneettista ohjaussuuntaa. Anturitekniikan kehitys on muuttanut näiden kriittisten antureiden luonnetta merkittävästi.

Aikaisemmin oli vain vähän teknisiä vaihtoehtoja, jotka mahdollistivat ilmailun vaatiman tarkkuuden, mm. monimutkaiset kuituoptiset tai lasertoimiset gyroskoopit. Nykypäivänä edistyneet MEMS (microelectromechanical system) -järjestelmät tarjoavat kehittäjille tekniikan, joka täyttää erilaisten ilmailualustojen lukuisat vaatimukset (kuva 1).

Kuva 1: Korkeatasoisten MEMS-gyroskooppien tarjoamat erityisominaisuudet tekevät niistä ensisijaisen tekniikan sähköisten avioniikkajärjestelmien suunnittelussa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Gyroskooppien, kiihtyvyysantureiden ja magnetometrien ohella ADAHRS vaatii luotettavaa tietovirtaa myös ulkoilman lämpötilaa ja painetta mittaavilta antureilta. Muut paine-, voima- ja asentoanturit tarjoavat tietoja aerodynaamisten pintojen, laskutelineiden ja nokkapyörän ohjauksen asennosta ja kuormituksesta. Lisäksi käytössä on antureita, jotka tarjoavat tärkeitä tietoja moottoreiden suorituskyvystä, polttoaineen tarpeesta sekä matkustamon lämpötilasta, paineesta ja happitasosta.

Analog Devices -yrityksen huipputehokkaat anturitietojen hankintamoduulit ja MEMS-IMU-yksiköt tarjoavat kehittäjille kriittiset komponentit luotettavien, tarkkojen, kompaktien ja kustannustehokkaiden ilmailuratkaisujen toimittamiseksi, joita voidaan käyttää kaikenlaisissa avioniikkajärjestelmissä.

Anturitietojen hankintamoduulit ja IMU-yksiköt modernin ilmailun tukena

Jotta tietoja voitaisiin vastaanottaa mitä erilaisimmilta ilmailujärjestelmien antureilta, tarvitaan kunkin anturin modaliteetti- ja toimintavaatimukset täyttävät korkean suorituskyvyn tiedonhankintamoduulit. Analog Devices Precision Signal Chain µModule Solutions -tuotesarja sisältää yleiset signaalinkäsittelyn alijärjestelmät, kuten signaalinkäsittelylohkot ja analogi-digitaalimuuntimet (Analog-to-Digital Converter, ADC), kompaktissa SIP (System-in-Package) -komponentissa, joka ratkaisee hankalatkin suunnitteluhaasteet. Nämä μModulit myös käyttävät sovitus- ja siirtymäominaisuuksiltaan erinomaisia Analog Devices -yrityksen iPassive®-tekniikkaan pohjautuvia kriittisiä passiivikomponentteja, jotka minimoivat lämpötilasta johtuvat virhelähteet, yksinkertaistavat kalibrointia ja vähentävät lämpöteknisiä haasteita. Ratkaisun merkittävä pienentäminen mahdollistaa useampien kanavien/toimintojen lisäämisen skaalautuviin ilmailuinstrumentteihin, joissa vaaditaan pitkäkestoista ja tarkkuutta ja stabiilisuutta lämpötilasta riippumatta. Nämä µModulet yksinkertaistavat signaaliketjun osaluetteloa (Bill of Materials, BOM), vähentävät ulkoisten piirien vaikutusta suorituskykyyn, nopeuttavat suunnittelua ja näin ollen pienentävät kokonaiskustannuksia.

Tiukkojen tiedonhankintavaatimusten täyttämiseen suunnitellut Analog Devices μModulet ADAQ4003 ja ADAQ23878 sisältävät täysin differentiaalisen ADC-ohjainvahvistimen (FDA, kuva 2) ja 0,005 %:n tarkkuudella sovitetun vastusryhmän, stabiilin referenssipuskurin ja 18-bittistä SAR (Successive Approximation Register) -rekisteriä käyttävän AD-muuntimen. ADAQ4003 pystyy tarjoamaan 2 miljoonaa näytettä sekunnissa (Megasamples per Second, MSPS) ja ADAQ23878 15 miljoonaa näytettä sekunnissa.

Kun kehittäjät yhdistävät toisiinsa μModule-tiedonhankintalaitteen, kuten ADAQ4003, ja täysin differentiaalisen ohjelmoitavan vahvistuksen instrumentaatiovahvistimen (Programmable-Gain Instrumentation Amplifier, PGIA), kuten Analog Devices LTC6373, he voivat täyttää yksinkertaisella ratkaisulla lukuisia ilmailujärjestelmien kompleksisia mittausvaatimuksia.

Kuva 2: Kehittäjät voivat täyttää tehokkaasti lukuisia ilmailun mittausvaatimuksia yhdistämällä täysin differentiaalisen LTC6373-PGIA:n ja ADAQ4003 μModule -tiedonhankintajärjestelmän. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuten aiemmin mainittiin, MEMS-pohjaiset anturit tarjoavat tehokkaan ratkaisun ADAHRS-toimintojen kriittisen datan hankkimiseksi. Yhdistämällä toisiinsa kolmen akselin MEMS-gyroskoopit, kolmen akselin kiihtyvyysanturit, lämpötila-anturit sekä muut toimintolohkot, esimerkkeinä kuuden vapausasteen IMU-yksikkö (kuten Analog Devices -yrityksen erittäin tarkka ja pienikokoinen MEMS-IMU ADIS16505) ja taktisen suorituskykyluokituksen ADIS16495-inertia-anturi, voidaan muodostaa kattava ominaisuusvalikoima, joka yksinkertaistaa avioniikan alijärjestelmien kehitystä (kuva 3).

Kuva 3: ADIS16505-IMU ja ADIS16495-IMU (kuvassa) sisältävät anturit sekä ohjaus-, kalibrointi-, signaalinkäsittely- ja itsetestauslohkot. Ne tarjoavat kattavan elektronisen mittausjärjestelmäratkaisun esimerkiksi ADAHRS-avioniikkajärjestelmien toteuttamiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun nämä järjestelmät yhdistetään ADAHRS-järjestelmäksi, ne voivat tarjota inertiasuunnistuksessa tarvittavat komponentit ja ne pystyvät tarjoamaan tarvittavat suunnistustiedot kohti haluttua määränpäätä myös ilman satelliittinavigointia tai maan pinnalla olevia navigointiavustimia. Kuten kaikenlaisissa laitteissa, myös MEMS-pohjaisissa komponenteissa on erilaisia suorituskykyä rajoittavia tekijöitä, jotka voivat laskea laskennallisen navigoinnin tarkkuutta. MEMS-gyroskoopin tarkkuuteen voivat esimerkiksi vaikuttaa valmistusprosessin väistämättömät poikkeamat, sisäiset kohinalähteet ja ympäristötekijät.

Valmistajat dokumentoivat nämä suorituskykyyn vaikuttavat tekijät tuotteen teknisissä tiedoissa. Näistä suorituskykytekijöistä herkkyys, epälineaarisuus ja bias-poikkeama vaikuttavat suoraan ADAHRS-järjestelmän tarkkuuteen. Gyroskoopeissa riittämätön herkkyys (kulmanopeuden mittausresoluutio) voi aiheuttaa suuntavirheen (Ψ) ja asentovirheen (d_e) käännösten aikana (kuva 4, vasemmalla). Epälineaarinen vaste (poikkeama ihanteelliseen lineaariseen vasteeseen verrattuna) voi aiheuttaa samankaltaisia virheitä erilaisten ohjausliikkeiden, kuten S-käännösten, aikana (kuva 4, keskellä). Gyroskooppien bias-poikkeama voi aiheuttaa suunta- ja asentoarvojen siirtymiä jopa lennettäessä suoraan tasaisella nopeudella ja samalla korkeudella (kuva 4, oikealla).

Kuva 4: Gyroskoopin riittämätön herkkyys, epälineaarisuus ja bias-poikkeama voivat aiheuttaa virheitä suunnan (Ψ) ja asennon (d_e) lukemisessa käännösten (vasemmalla), S-käännösten (keskellä) ja tasaisen lennon (oikealla) aikana. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Bias-poikkeamat johtuvat gyroskoopin akselien kohdistusvirheistä, skaalausvirheistä ja siitä, kun gyroskooppi tulkitsee lineaarisen kiihdytyksen virheellisesti pyörimisliikkeeksi MEMS-komponentin valmistuksessa syntyneen epäsymmetrisyyden takia. Analog Devices ADIS16505- ja ADIS16495-IMU-komponenteille määritetään komponenttikohtainen poikkeaman korjauskerroin testaamalla niitä erilaisilla pyörimisnopeuksilla ja eri lämpötiloissa. Nämä komponenttikohtaiset poikkeaman korjauskertoimet tallennetaan kunkin komponentin sisäiseen flash-muistiin käytettäväksi signaalinkäsittelyn aikana.

Korjattavien poikkeamatekijöiden lisäksi eri lähteistä tuleva satunnaiskohina vaikuttaa poikkeamaan ajan myötä. Tätä satunnaiskohinaa ei ole mahdollista kompensoida suoraan, mutta sen vaikutuksia voi vähentää pidemmillä näytteenoton integrointiajoilla. Se, kuinka paljon pidemmät näytteenottoajat vähentävät kohinaa, ilmoitetaan gyroskoopin teknisissä tiedoissa Allan-poikkeaman kuvaajassa, jossa näytetään kohina asteina tunnissa (°/hr) verrattuna integrointiaikaan (τ) (kuva 5).

Kuva 5: MEMS-gyroskooppien ADIS16495-IMU (vasemmalla) ja ADIS16505-IMU (oikealla) Allen-poikkeamakuvaajat näyttävät, kuinka satunnaissiirtymiä voidaan kompensoida pidemmällä näytteenottoajalla. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Allan-poikkeaman kuvaajan minimiarvo merkitsee gyroskoopin ihanteellista poikkeamaa ajan myötä. Teknisissä tiedoissa on tyypillisesti määritetty käytönaikainen poikkeaman vakaus (In-Run Bias Stability, IRBS), joka merkitään yleensä keskiarvon ja keskihajonnan summana. IMU-yksikön IRBS-arvo tarjoaa erittäin tarkkojen ADAHRS-ratkaisujen kehittäjille tärkeän parametrin komponentin parhaan suorituskyvyn ymmärtämiseksi. Gyroskooppien asiantuntijat antavat Analog Devices ADIS16495-IMU-yksikön kaltaisille IMU-komponenteille luokituksen ”taktinen suorituskyky”, jos niiden gyroskoopin IRBS-arvo on välillä 0,5–5,0 °/hr.

Useat ADIS16495-piirin tärkeät parametrit tyydyttävät vaativampien taktisten sovellusten vaatimukset. ADIS16495-piirin suorituskyvyn tehostamiseksi siihen on integroitu MEMS-gyroskooppipari ja kullekin kolmelle akselille dedikoitu oma 4100 hertsin signaaliketju näytteenottoa varten (kuva 6).

Kuva 6: Taktisen suorituskyvyn ADIS16495-IMU parantaa gyroskoopin tarkkuutta ja pienentää poikkeamaa käyttämällä kahta MEMS-gyroskooppia omilla dedikoiduilla signaaliketjuillaan ja laskemalla niiden lähtöjen keskiarvon. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kunkin signaaliketjun näytteet yhdistetään käyttämällä erillistä 4250 Hz:n näytteenottotaajuutta (f_SM), jotta kulmanopeusmittauksen kohinaa voidaan vähentää. Yhdistämällä tämä näytteenottomenetelmä ja vaativat suorituskykyparametrit saadaan aikaan IMU, jolla voi täyttää tiukempiakin avioniikan vaatimuksia.

IMU-pohjaisten ratkaisujen nopea kehitys ja niihin tutustuminen

Analog Devices tarjoaa IMU-pohjaisten ratkaisujen kehityksen ja suunnittelun nopeuttamiseksi kattavan valikoiman kehitystyökaluja. Analog Devices FX3 -ohjelmistopaketti on suunniteltu tukemaan yhtiön EVAL-ADIS-FX3-IMU-arviointikorttia (kuva 7) ja siihen liittyviä kytkentäkortteja. Pakettiin kuuluu laiteohjelmisto, .NET-yhteensopiva ohjelmointirajapinta (Application Programming Interface, API) ja graafinen käyttöliittymä (Graphical User Interface, GUI). Ohjelmointirajapinnan kanssa toimitettava wrapper-kirjasto sallii kehittäjien työskennellä haluamassaan .NET-ympäristöä tukevassa kehitysympäristössä, mukaan lukien MATLAB, LabView ja Python. FX3:n arviointi-GUI sallii kehittäjien helposti lukea ja kirjoittaa rekisterejä, kaapata tietoja ja tehdä tuloksista kaavioita reaaliajassa.

Kuva 7: EVAL-ADIS-FX3-arviointikortti on osa kattavaa laitteisto- ja ohjelmistotukipakettia, joka auttaa testaamaan Analog Devices IMU -yksiköitä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

ADAHRS-avioniikkaratkaisut muodostavat kehittyvien EFIS-järjestelmien sydämen. MEMS-tekniikoihin pohjautuvien tarkkojen gyroskooppien, kiihtyvyysantureiden ja magnetometrien kehityksen myötä avioniikkajärjestelmät voivat tarjota sellaisia suorituskyky- ja navigointiominaisuuksia, jotka ovat aiemmin olleet saatavilla vain ilmailualan suurimmille kaupallisille toimijoille. Analog Devices -tietojenhankintamoduuleiden ja pitkälle integroitujen IMU-yksiköiden ansiosta avioniikkajärjestelmien kehittäjät voivat suunnitella entistä kustannustehokkaampia ja pienempiä ratkaisuja vastaamaan ilmailujärjestelmien korkeisiin toiminnallisuus-, turvallisuus- ja luotettavuusvaatimuksiin.