Implémenter de manière rentable des systèmes de navigation aérienne fiables avec des composants de précision

Le développement de solutions sophistiquées de systèmes de données aériennes et de référence d'attitude et de cap (Air Data, Attitude and Heading Reference System, ADAHRS) est crucial pour garantir une navigation précise et la sécurité dans les systèmes d'aéronefs avec et sans pilote. Pour créer des conceptions ADAHRS robustes et fiables, les développeurs ont besoin de composants capables de relever de multiples défis liés à la conception de systèmes de navigation avionique, notamment la précision des capteurs, la résilience environnementale et l'intégration des systèmes.

Cet article décrit comment des modules d'acquisition de données de précision et des unités de mesure inertielle (IMU) d'Analog Devices contribuent à relever ces défis et à simplifier le développement de solutions ADAHRS efficaces.

La sécurité aérienne s'appuie sur des systèmes sophistiqués basés sur des capteurs

La disponibilité d'informations précises sur les performances de vol est essentielle à la sécurité dans tous les segments de l'aviation, des systèmes aériens sans pilote (UAS) aux avions de ligne lourds. Parallèlement aux améliorations aérodynamiques des aéronefs, les capacités des systèmes avioniques ont évolué du « six-pack » traditionnel d'instruments de vol du pilote, basé sur des compas magnétiques, des gyroscopes mécaniques et des instruments de vol à dépression, à un système d'instruments électroniques de vol (EFIS) à affichage graphique de plus en plus sophistiqué, le « cockpit tout écran ».

Sous-jacent à l'EFIS, l'ADAHRS intègre les capacités d'un ordinateur de données aériennes et d'un système de référence d'attitude et de cap (AHRS) requis pour compléter les aides à la navigation du système global de navigation par satellite (GNSS) à longue portée, comme le système de positionnement mondial (GPS) américain et le système de renforcement à large zone de couverture (WAAS) associé. L'ordinateur de données aériennes calcule l'altitude et la vitesse verticale, anémométrique et sol à l'aide de mesures de pression atmosphérique et de la température de l'air extérieur. Pour fournir les données d'attitude de l'aéronef (tangage, roulis et lacet) et de cap nécessaires pour la navigation à l'estime en navigation inertielle, l'ADAHRS s'appuie sur une combinaison de gyroscopes pour les changements de vitesse angulaire, d'accéléromètres pour les changements de vitesse linéaire et de magnétomètres pour le cap magnétique. Les avancées en matière de technologies de capteurs ont radicalement modifié la nature de ces capteurs critiques.

Auparavant, les gyroscopes fibre optique ou laser annulaire complexes faisaient partie des rares technologies disponibles capables d'offrir une précision suffisante pour l'aviation. Aujourd'hui, la disponibilité de microsystèmes électromécaniques (MEMS) avancés offre aux développeurs une technologie capable de répondre aux exigences de diverses plateformes aéronautiques (Figure 1).

Figure 1 : Les gyroscopes MEMS haut de gamme offrent des caractéristiques uniques qui en font la technologie de choix pour les systèmes avioniques électroniques. (Source de l'image : Analog Devices)

Outre les gyroscopes, les accéléromètres et les magnétomètres, la fonctionnalité ADAHRS dépend également de flux de données fiables provenant de capteurs signalant la température et la pression de l'air extérieur. D'autres capteurs de pression, de force et de position fournissent des données sur la position et la charge des surfaces de vol, du train d'atterrissage et de la direction du train avant. Des capteurs supplémentaires fournissent des données essentielles sur les performances du moteur et le carburant nécessaire aux systèmes d'informations du moteur, ainsi que sur la température, la pression et les niveaux d'oxygène de la cabine.

Une combinaison de modules d'acquisition de données de capteurs hautes performances et d'IMU MEMS d'Analog Devices fournit aux développeurs les composants critiques requis pour fournir des solutions avioniques avec des caractéristiques de fiabilité, de précision, de taille et de coût qui permettent leur application sur la gamme complète des systèmes aéronautiques.

Application de modules d'acquisition de données de capteurs et d'IMU dans l'avionique moderne

Pour acquérir des données d'un large éventail de capteurs sur n'importe quelle plateforme de vol, les modules d'acquisition de données hautes performances offrent une gamme de capacités de performances pour chaque modalité de capteur et exigence fonctionnelle. Avec ses solutions µModule de chaînes de signaux de précision, Analog Devices intègre des sous-systèmes de traitement des signaux classiques, notamment des blocs de mise en forme des signaux et des convertisseurs analogique-numérique (CAN) dans un système en boîtier (SIP) compact pour résoudre les défis de conception difficiles. Les µModules intègrent également des composants passifs critiques avec des caractéristiques d'adaptation et de dérive supérieures développées avec la technologie iPassive® d'Analog Devices, minimisant les sources d'erreur liées à la température et simplifiant l'étalonnage tout en atténuant les défis thermiques. La réduction significative de l'empreinte de la solution permet l'ajout de canaux/fonctions supplémentaires pour les instruments d'aviation évolutifs exigeant précision et stabilité en température et dans le temps. Les µModules simplifient la nomenclature (BOM) de la chaîne de signaux, réduisent la sensibilité des performances aux circuits externes, raccourcissent les cycles de conception, réduisant ainsi le coût total de possession.

Conçus pour répondre aux hautes exigences d'acquisition de données, les µModules ADAQ4003 et ADAQ23878 d'Analog Devices intègrent un amplificateur d'attaque CAN entièrement différentiel (FDA, Figure 2) avec un réseau de résistances adaptées avec une précision de 0,005 %, un tampon de référence stable et un CAN à registre d'approximations successives (SAR) de 18 bits, capable de fournir 2 méga-échantillons par seconde (Méch./s) et 15 Méch./s, respectivement.

En combinant un dispositif d'acquisition de données μModule tel que l'ADAQ4003 avec un amplificateur de mesure à gain programmable (PGIA) entièrement différentiel, tel que le LTC6373 d'Analog Devices, les développeurs peuvent mettre en œuvre une solution simple pour de nombreuses exigences de détection complexes des systèmes aéronautiques.

Figure 2 : Les développeurs peuvent répondre efficacement à de nombreuses exigences de détection aéronautiques en combinant un PGIA entièrement différentiel LTC6373 avec un système d'acquisition de données μModule ADAQ4003. (Source de l'image : Analog Devices)

Comme indiqué précédemment, les capteurs basés MEMS offrent une solution efficace pour fournir les données critiques requises pour la fonctionnalité ADAHRS. En intégrant des gyroscopes MEMS triaxiaux et des accéléromètres triaxiaux avec des capteurs de température et d'autres blocs fonctionnels, les IMU à six degrés de liberté, telles que l'IMU MEMS miniature de précision ADIS16505 et le capteur inertiel de grade tactique ADIS16495 d'Analog Devices, fournissent l'ensemble complet de fonctionnalités requises pour simplifier le développement de sous-systèmes avioniques (Figure 3).

Figure 3 : L'IMU ADIS16505 et l'IMU ADIS16495 (illustrée ici) intègrent des capteurs avec un contrôleur et des blocs d'étalonnage, de traitement des signaux et d'auto-test afin de fournir une solution complète pour les systèmes avioniques sous-jacents des systèmes de mesure électroniques comme l'ADAHRS. (Source de l'image : Analog Devices)

Combinés dans l'ADAHRS, ces systèmes peuvent fournir les composants essentiels des systèmes de navigation inertielle capables d'indiquer le cap requis vers la destination souhaitée, même en l'absence d'aides à la navigation par satellite ou au sol. Comme tout dispositif manufacturé, les dispositifs MEMS sont soumis à différentes sources de limitations de performances susceptibles de dégrader la précision de la navigation calculée. Par exemple, les variations inévitables de la fabrication, les sources de bruit internes et les effets environnementaux limitent la précision d'un gyroscope MEMS.

Les fabricants documentent les effets sur les performances de ces variations dans de nombreuses fiches techniques de spécification des paramètres. Parmi ces spécifications, les paramètres de sensibilité, de non-linéarité et de biais peuvent avoir un impact direct sur la précision de l'ADAHRS. Dans les gyroscopes, une sensibilité limitée (résolution de mesure de la vitesse angulaire) peut entraîner une erreur de cap (Ψ) et une erreur de position (d_e) lors des virages (Figure 4, à gauche). Une réponse non linéaire (écart par rapport à la réponse linéaire idéale) peut entraîner des erreurs similaires à la suite d'une série de manœuvres telles que des virages en S (Figure 4, au milieu). Enfin, le biais du gyroscope entraîne une dérive du cap et de la position même pendant le vol de croisière (vol droit et en palier sans accélération) (Figure 4, à droite).

Figure 4 : Les limitations de sensibilité, la non-linéarité et le biais d'un gyroscope peuvent entraîner l'accumulation d'erreur de cap (Ψ) et d'erreur de position (d_e) pendant les virages (à gauche), les virages en S (au milieu) et le vol de croisière (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Les erreurs de biais résultent du désalignement de chaque axe du gyroscope par rapport à d'autres axes ou au boîtier, d'erreurs de mise à l'échelle et de la réponse incorrecte du gyroscope à l'accélération linéaire en tant que rotation en raison d'asymétries dans la fabrication MEMS. Pour ses IMU ADIS16505 et ADIS16495, Analog Devices détermine les facteurs de correction de biais spécifiques à chaque dispositif en les testant à plusieurs vitesses de rotation et températures. Ces facteurs de correction de biais spécifiques au dispositif sont stockés dans la mémoire Flash interne de chaque dispositif et appliqués pendant le traitement des signaux du capteur.

En plus des facteurs de biais rectifiables, le bruit aléatoire provenant de diverses sources a un impact sur l'erreur de biais au fil du temps. Bien qu'il ne soit pas possible de compenser directement ce bruit aléatoire, ses effets peuvent être réduits par un échantillonnage sur des temps d'intégration plus longs. Le degré auquel des temps d'échantillonnage plus longs réduiront le bruit est décrit dans la représentation de la variance d'Allan de la fiche technique d'un gyroscope, qui affiche le bruit en degrés par heure (°/h) par rapport à la période d'intégration (τ) (Figure 5).

Figure 5 : Les représentations de la variance d'Allan pour les gyroscopes MEMS dans l'IMU ADIS16495 (à gauche) et l'IMU ADIS16505 (à droite) décrivent la capacité d'un temps d'échantillonnage étendu à compenser la dérive aléatoire. (Source de l'image : Analog Devices)

Le minimum de la représentation de la variance d'Allan illustre le meilleur cas de dérive du gyroscope dans le temps, un paramètre appelé IRBS (In-Run Bias Stability), généralement spécifié en termes de somme de la moyenne et d'un écart type dans les spécifications de la fiche technique. Pour les développeurs créant des solutions ADAHRS de haute précision, l'IRBS d'une IMU fournit un paramètre essentiel pour comprendre les meilleures performances possibles avec ce composant. Les experts en gyroscopes classent les IMU telles que l'ADIS16495 d'Analog Devices avec le « grade tactique » lorsque les valeurs IRBS de leur gyroscope sont comprises entre 0,5° et 5,0°/h.

L'ADIS16495 présente des spécifications strictes pour plusieurs paramètres vitaux afin de répondre aux applications tactiques les plus exigeantes. Pour améliorer ses performances, l'ADIS16495 intègre une paire de gyroscopes MEMS et une chaîne de signaux d'échantillonnage dédiée de 4100 hertz (Hz) pour chacun de ses trois axes (Figure 6).

Figure 6 : L'IMU de grade tactique ADIS16495 améliore la précision du gyroscope et les performances de dérive en établissant la moyenne de la sortie d'une paire de gyroscopes MEMS avec des chaînes de signaux dédiées. (Source de l'image : Analog Devices)

Les échantillons de chaque chaîne de signaux sont ensuite combinés avec une fréquence d'échantillonnage (f_SM) distincte de 4250 Hz pour fournir une mesure de vitesse angulaire réduisant l'effet du bruit. La combinaison de cette méthode d'échantillonnage avec des spécifications de performances plus strictes se traduit par une IMU capable de répondre à des exigences avioniques plus élevées.

Développement et exploration rapides de conceptions basées sur IMU

Pour accélérer le développement de conceptions basées sur ses IMU, Analog Devices propose un ensemble complet d'outils de développement. Conçue pour prendre en charge sa carte d'évaluation IMU EVAL-ADIS-FX3 (Figure 7) et les cartes Breakout associées, la pile logicielle FX3 d'Analog Devices comprend un pack micrologiciel, une interface de programmation (API) compatible .NET et une interface utilisateur graphique (GUI). Une bibliothèque d'enveloppe (wrapper library) fournie avec l'API permet aux développeurs de travailler avec tout environnement de développement prenant en charge .NET, y compris ceux pour MATLAB, LabView et Python. Pendant le développement, l'interface graphique d'évaluation FX3 permet aux développeurs de lire et d'écrire facilement des registres, de capturer des données et de tracer les résultats en temps réel.

Figure 7 : La carte d'évaluation EVAL-ADIS-FX3 fait partie d'un pack de support matériel et logiciel complet permettant de tester les IMU d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les solutions avioniques ADAHRS sont au cœur des systèmes EFIS en évolution. Avec le développement de gyroscopes, d'accéléromètres et de magnétomètres de précision basés sur les technologies MEMS, les systèmes avioniques peuvent offrir des performances de vol et des capacités de navigation jusqu'ici réservées aux plus grandes flottes d'aéronefs commerciaux. Grâce aux modules d'acquisition de données et aux IMU hautement intégrées d'Analog Devices, les développeurs de systèmes avioniques peuvent concevoir des solutions plus compactes et plus rentables pour répondre aux exigences strictes en matière de fonctionnalités, de sécurité et de fiabilité des systèmes aéronautiques.