Kosteneffiziente Implementierung zuverlässiger Flugzeugnavigationssysteme mit Präzisionskomponenten

Die Entwicklung hochentwickelter Lösungen für Flugdaten-, Fluglage- und Kursreferenzsysteme (ADAHRS) ist von entscheidender Bedeutung, um eine genaue Navigation und Sicherheit in bemannten und unbemannten Luftfahrtsystemen zu gewährleisten. Um robuste, zuverlässige ADAHRS-Designs zu entwickeln, werden Komponenten benötigt, die mehrere Herausforderungen bei der Entwicklung von Avionik-Navigationssystemen bewältigen können, darunter Sensorgenauigkeit, Umweltverträglichkeit und Systemintegration.

Dieser Artikel beschreibt, wie Präzisionsdatenerfassungsmodule und Trägheitsmesseinheiten (IMUs) von Analog Devices diese Herausforderungen meistern und die Entwicklung effektiver ADAHRS-Lösungen vereinfachen.

Sicherheit in der Luftfahrt basiert auf hochentwickelten sensorgestützten Systemen

Die Verfügbarkeit genauer Flugleistungsdaten ist für die Sicherheit in allen Luftfahrtsegmenten entscheidend, von unbemannten Flugsystemen (UAS) bis hin zu schweren Passagierflugzeugen. Mit den aerodynamischen Verbesserungen der Flugzeuge haben sich auch die Möglichkeiten der Avioniksysteme weiterentwickelt: vom traditionellen „Sixpack“ von Fluginstrumenten, die auf Magnetkompassen, mechanischen Kreiseln (Gyroskope) und vakuumgesteuerten Fluginstrumenten basieren, hin zu immer ausgefeilteren elektronischen Fluginstrumentensystemen (EFIS) mit grafischer Anzeige, den so genannten Glascockpits.

Das dem EFIS zugrundeliegende ADAHRS integriert die Funktionen eines Flugdatenrechners und eines Lage- und Kursreferenzsystems (AHRS), die zur Ergänzung von Navigationshilfen mit großer Reichweite des globalen Satellitennavigationssystems (GNSS) erforderlich sind, wie z. B. das US-amerikanische Global Positioning System (GPS) und das mit dem GPS verbundene bodengestützte Wide Area Augmentation System (WAAS). Der Flugdatencomputer berechnet die Höhe und die Vertikal-, Luft- und Bodengeschwindigkeit anhand der Messungen des atmosphärischen Drucks und der Außenlufttemperatur. Um die Fluglage (Nicken, Rollen und Gieren) und die Kursdaten zu liefern, die für die Koppelnavigation in der Trägheitsnavigation benötigt werden, stützt sich das ADAHRS auf eine Kombination aus Kreiseln für Änderungen der Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigungsmessern für Änderungen der linearen Geschwindigkeit und Magnetometern für den magnetischen Kurs. Die Fortschritte in der Sensortechnologie haben die Art dieser kritischen Sensoren drastisch verändert.

In der Vergangenheit gehörten komplexe faseroptische oder Ringlaserkreisel zu den wenigen verfügbaren Technologien, die eine ausreichende Genauigkeit für die Luftfahrt bieten konnten. Dank der Verfügbarkeit fortschrittlicher mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) steht heute eine Technologie zur Verfügung, die die Anforderungen verschiedener Luftfahrtplattformen erfüllen kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Hochwertige MEMS-Gyroskope bieten einzigartige Eigenschaften, die sie zur bevorzugten Technologie für elektronische Avioniksysteme machen. (Bildquelle: Analog Devices)

Neben Gyroskopen, Beschleunigungs- und Magnetometern hängt die ADAHRS-Funktionalität auch von zuverlässigen Datenströmen von Sensoren ab, die die Außentemperatur und den Luftdruck messen. Weitere Druck-, Kraft- und Positionssensoren liefern Daten über die Position und Belastung der Flugflächen, des Fahrwerks und der Bugradsteuerung. Weitere Sensoren liefern wichtige Daten über die Triebwerksleistung und den Kraftstoff, die für die Triebwerkinformationssysteme benötigt werden, sowie über die Temperatur, den Druck und den Sauerstoffgehalt in der Kabine.

Eine Kombination aus leistungsstarken Sensordatenerfassungsmodulen und MEMS-Trägheitsmesseinheiten von Analog Devices bietet die entscheidenden Komponenten, die erforderlich sind, um Avioniklösungen mit einer Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Größe und Kostencharakteristik zu liefern, die Anwendungen in der gesamten Bandbreite von Flugsystemen der Luftfahrt ermöglichen.

Einsatz von Sensordatenerfassungsmodulen und Trägheitsmesseinheiten in der modernen Avionik

Für die Erfassung von Daten aus dem breiten Spektrum von Sensoren in jeder Flugplattform bieten leistungsstarke Datenerfassungsmodule eine Reihe von Leistungsmerkmalen für jede Sensormodalität und Funktionsanforderung. Mit seinen µModule-Lösungen für Präzisionssignalketten integriert Analog Devices gängige Signalverarbeitungs-Subsysteme einschließlich Signalkonditionierungsblöcken und Analog/Digital-Wandlern (ADCs) in einem kompakten SIP-Baustein (System-in-Package), um schwierige Design-Herausforderungen zu lösen. Die μModule enthalten auch die kritischen passiven Komponenten mit überragenden Anpassungs- und Drifteigenschaften, die mit der iPassive®-Technologie von Analog Devices entwickelt wurden und die temperaturabhängige Fehlerquellen minimieren und die Kalibrierung vereinfachen, während sie gleichzeitig thermische Herausforderungen abmildern. Eine erhebliche Verringerung des Footprints ermöglicht das Hinzufügen von mehr Kanälen/Funktionen für skalierbare Luftfahrtinstrumente, die Präzision und Stabilität über Temperatur und Zeit erfordern. Die µModule vereinfachen die Stückliste der Signalkette, verringern die Empfindlichkeit der Leistung gegenüber externen Schaltungen, verkürzen die Entwicklungszyklen und senken so die Gesamtbetriebskosten.

Die μModule ADAQ4003 und ADAQ23878 von Analog Devices wurden für die anspruchsvollen Anforderungen der Datenerfassung entwickelt und enthalten einen vollständig differenziellen ADC-Treiberverstärker (FDA, Abbildung 2) mit einem 0,005 % präzisen, angepassten Widerstandsarray, einen stabilen Referenzpuffer und einen 18-Bit-SAR-ADC (ADC basierend auf der sukzessiven Approximation), der eine Leistung von 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) bzw. 15 MS/s bietet.

Durch die Kombination eines μModule-Datenerfassungsgeräts wie dem ADAQ4003 mit einem volldifferenziellen Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGIA), wie dem LTC6373 von Analog Devices, kann eine einfache Lösung für viele der komplexen Messanforderungen von Luftfahrtsystemen realisiert werden.

Abbildung 2: Durch die Kombination eines volldifferentiellen PGIA LTC6373 mit einem μModule-Datenerfassungssystem ADAQ4003 können viele Anforderungen im Bereich der Luftfahrtsensorik effizient erfüllt werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Wie bereits erwähnt, bieten MEMS-basierte Sensoren eine effektive Lösung, um die für die ADAHRS-Funktionalität erforderlichen kritischen Daten zu liefern. Durch die Integration triaxialer MEMS-Gyroskope und triaxialer Beschleunigungsmesser mit Temperatursensoren und anderen Funktionsblöcken bieten Trägheitsmesseinheiten mit sechs Freiheitsgraden, wie die präzise MEMS-Trägheitsmesseinheit ADIS16505 von Analog Devices und der taktische Trägheitssensor ADIS16495, die gesamte Funktionalität, die zur Vereinfachung der Entwicklung von Avionik-Subsystemen erforderlich ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Trägheitsmesseinheiten ADIS16505 und ADIS16495 (hier abgebildet) integrieren Sensoren mit Controller, Kalibrierungs-, Signalverarbeitungs- und Selbsttestblöcken, um eine Komplettlösung für elektronische Messsysteme zu bieten, die Avioniksystemen wie ADAHRS zugrunde liegen. (Bildquelle: Analog Devices)

Kombiniert im ADAHRS können diese Systeme die wesentlichen Komponenten von Trägheitsnavigationssystemen bereitstellen, die in der Lage sind, den erforderlichen Kurs zum gewünschten Ziel auch ohne satelliten- oder bodengestützte Navigationshilfen zu liefern. Wie bei jedem hergestellten Gerät gibt es auch bei MEMS-basierten Geräten verschiedene Leistungseinschränkungen, die die Genauigkeit der berechneten Navigation beeinträchtigen können. So schränken beispielsweise unvermeidliche Schwankungen bei der Herstellung, interne Störquellen und Umwelteinflüsse die Genauigkeit eines MEMS-Gyroskops ein.

Die Hersteller dokumentieren die Auswirkungen dieser Variationen auf die Leistung in zahlreichen Parameterangaben in ihren Datenblättern. Unter diesen Spezifikationen können sich die Parameter Empfindlichkeit, Nichtlinearität und Verzerrung direkt auf die ADAHRS-Genauigkeit auswirken. Bei Gyroskopen kann eine begrenzte Empfindlichkeit (Auflösung der Winkelgeschwindigkeitsmessung) zu Kursfehlern (Ψ) und Positionsfehlern (d_e) bei Kurvenflügen führen (Abbildung 4, links); ein nichtlineares Ansprechverhalten (Abweichung vom idealen linearen Ansprechverhalten) kann zu ähnlichen Fehlern nach einer Reihe von Manövern, wie z. B. S-Kurven, führen (Abbildung 4, Mitte); und eine Gyroskopverzerrung führt zu einer Drift des Kurses und der Position sogar während des Reisefluges (gerader und flacher Flug ohne Beschleunigung) (Abbildung 4, rechts).

Abbildung 4: Empfindlichkeitsbeschränkungen des Gyroskops, Nichtlinearität und Verzerrungen können zu einer Häufung von Kursfehlern (Ψ) und Positionsfehlern (d_e) während Kurven (links), S-Kurven (Mitte) und im Reiseflug (rechts) führen. (Bildquelle: Analog Devices)

Verzerrungsfehler entstehen durch die Fehlausrichtung der einzelnen Gyroskopachsen zu anderen Achsen oder zum Gehäuse, durch Skalierungsfehler und durch die falsche Reaktion des Gyroskops auf lineare Beschleunigung als Rotation aufgrund von Asymmetrien in der MEMS-Fertigung. Für die Trägheitsmesseinheiten ADIS16505 und ADIS16495 bestimmt Analog Devices die für jedes Gerät spezifischen Bias-Korrekturfaktoren, indem es sie bei verschiedenen Drehraten und Temperaturen testet. Diese bauteilspezifischen Vorspannungskorrekturfaktoren werden im internen Flash-Speicher des jeweiligen Bauteils gespeichert und bei der Sensorsignalverarbeitung angewendet.

Zusätzlich zu den korrigierbaren Verzerrungsfaktoren wirkt sich das zufällige Rauschen aus verschiedenen Quellen im Laufe der Zeit auf den Verzerrungsfehler aus. Obwohl es nicht möglich ist, dieses zufällige Rauschen direkt zu kompensieren, können seine Auswirkungen durch eine längere Integrationszeit reduziert werden. Das Ausmaß, in dem längere Abtastzeiten das Rauschen reduzieren, wird in der Allan-Abweichung (oder Allan-Varianz) des Gyroskops beschrieben, die das Rauschen in Grad pro Stunde (°/h) in Abhängigkeit von der Integrationszeit (τ) darstellt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Allan-Abweichungsdiagramme für die MEMS-Gyroskope in den Trägheitsmesseinheiten ADIS16495 (links) und ADIS16505 (rechts) beschreiben die Fähigkeit der verlängerten Abtastzeit, die zufällige Drift zu kompensieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Minimum der Allan-Abweichung stellt den besten Fall für die Drift des Gyroskops über die Zeit dar, ein Parameter, der als In-Run-Bias-Stabilität (IRBS) bezeichnet wird und in der Regel in Form der Summe aus Mittelwert und einer Standardabweichung in den Datenblattangaben angegeben wird. Für Entwicklungsteams, die hochpräzise ADAHRS-Lösungen entwickeln, stellt das IRBS einer Trägheitsmesseinheit einen wesentlichen Parameter dar, um die bestmögliche Performance dieser Komponente zu verstehen. Trägheitsmesseinheiten wie die ADIS16495 von Analog Devices werden als „taktisch geeignet“ eingestuft, wenn die IRBS-Werte des Gyroskops zwischen 0,5° und 5,0°/h liegen.

Der ADIS16495 zeichnet sich durch strenge Spezifikationen für mehrere wichtige Parameter aus, um auch anspruchsvollere taktische Anwendungen zu erfüllen. Der ADIS16495 verfügt über ein Paar MEMS-Gyroskope und eine dedizierte 4100-Hertz-Sampling-Signalkette für jede der drei Achsen (Abbildung 6), was seine Leistungsfähigkeit erhöht.

Abbildung 6: Die taktische Trägheitsmesseinheit ADIS16495 verbessert die Genauigkeit des Gyroskops und die Driftleistung durch Mittelwertbildung des Ausgangs von zwei MEMS-Gyroskopen mit eigenen Signalketten. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Abtastwerte jeder Signalkette werden dann mit einer separaten Abtastfrequenz von 4250 Hz (f_SM) kombiniert, um eine Winkelgeschwindigkeitsmessung zu erhalten, die die Auswirkungen von Rauschen reduziert. Die Kombination dieser Abtastmethode mit strengeren Leistungsspezifikationen führt zu einer Trägheitsmesseinheit, die auch anspruchsvollere Anforderungen der Avionik erfüllen kann.

Schnelle Entwicklung und Erforschung von auf Trägheitsmesseinheiten basierenden Designs

Um die Entwicklung von Designs, die auf den Trägheitsmesseinheiten von Analog Devices basieren, zu beschleunigen, bietet das Unternehmen einen umfassenden Satz von Entwicklungswerkzeugen an. Der FX3-Software-Stack von Analog Devices wurde zur Unterstützung des IMU-Evaluierungsboards EVAL-ADIS-FX3 (Abbildung 7) und der zugehörigen Breakout-Boards entwickelt und umfasst ein Firmware-Paket, eine .NET-kompatible Programmierschnittstelle (API) und eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Eine mit der API mitgelieferte Wrapper-Bibliothek ermöglicht es, mit jeder Entwicklungsumgebung zu arbeiten, die .NET unterstützt, einschließlich derer für MATLAB, LabVIEW und Python. Während der Entwicklung ermöglicht die FX3-Evaluierungs-GUI das einfache Lesen und Schreiben von Registern, die Erfassung von Daten und die Darstellung der Ergebnisse in Echtzeit.

Abbildung 7: Das Evaluierungsboard EVAL-ADIS-FX3 ist Teil eines umfassenden Hardware- und Software-Support-Pakets, mit dem die Trägheitsmesseinheiten von Analog Devices getestet werden können. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Die ADAHRS-Avioniklösungen bilden das Herzstück der sich weiterentwickelnden EFISs. Mit der Entwicklung von Präzisionskreiseln, Beschleunigungsmessern und Magnetometern auf der Grundlage von MEMS-Technologien können Avioniksysteme Flugleistungen und Navigationsfähigkeiten bieten, die bisher nur für die größten Flotten von Verkehrsflugzeugen erreichbar waren. Mit den Datenerfassungsmodulen und hochintegrierten Trägheitsmesseinheiten von Analog Devices können kostengünstigere, kleinere Lösungen entworfen werden, um die strengen Anforderungen an Funktionalität, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Luftfahrtsystemen zu erfüllen.