如何利用精密部件經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)可靠的飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)

開發(fā)先進(jìn)的大氣數(shù)據(jù)、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (ADAHRS) 解決方案，對(duì)于確保有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)的精確導(dǎo)航和安全至關(guān)重要。為了設(shè)計(jì)出穩(wěn)健可靠的 ADAHRS，開發(fā)人員需要使用能夠應(yīng)對(duì)航空電子導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多重挑戰(zhàn)（包括傳感器精度、環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)集成）的組件。

本文介紹了如何利用 Analog Devices 的精密數(shù)據(jù)采集模塊和慣性測(cè)量裝置 (IMU) 來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并簡(jiǎn)化有效 ADAHRS 解決方案的開發(fā)。

航空安全依靠先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)

從無(wú)人駕駛航空系統(tǒng) (UAS) 到大型噴氣式客機(jī)，在所有航空領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的飛行性能信息都對(duì)安全至關(guān)重要。隨著飛機(jī)氣動(dòng)性能的改進(jìn)，航空電子系統(tǒng)的功能也從基于磁羅盤、機(jī)械陀螺儀和真空驅(qū)動(dòng)飛行儀表的飛行員傳統(tǒng)“六件套”飛行儀表，發(fā)展到日益復(fù)雜的圖形顯示電子飛行儀表系統(tǒng) (EFIS)“玻璃駕駛艙”。

在 EFIS 的基礎(chǔ)上，ADAHRS 整合了大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng) (AHRS) 的功能，而這些功能是補(bǔ)充美國(guó)全球定位系統(tǒng) (GPS) 和 GPS 的相關(guān)地面廣域增強(qiáng)系統(tǒng) (WAAS) 等遠(yuǎn)程全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 導(dǎo)航輔助設(shè)備所必需的。大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)可以利用大氣壓力測(cè)量值和外部空氣溫度，計(jì)算飛機(jī)的高度和垂直變化率、空速和地面速度。為了提供慣性導(dǎo)航中航跡推測(cè)所需的飛機(jī)姿態(tài)（俯仰、橫滾和偏航）和航向數(shù)據(jù)，ADAHRS 依靠陀螺儀測(cè)量角速度變化、加速度計(jì)測(cè)量線速度變化和磁力計(jì)測(cè)量磁航向。傳感器技術(shù)的進(jìn)步極大地改變了這些關(guān)鍵傳感器的性質(zhì)。

在過(guò)去，復(fù)雜的光纖或環(huán)形激光陀螺儀曾是為數(shù)不多的能夠?yàn)楹娇諛I(yè)提供足夠精度的技術(shù)之一。如今，先進(jìn)微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的出現(xiàn)為開發(fā)人員提供了一種可滿足不同航空平臺(tái)要求的技術(shù)（圖 1）。

圖 1：高端 MEMS 陀螺儀具有獨(dú)特的特性，使其成為航空電子系統(tǒng)的首選技術(shù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

除了陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)之外，ADAHRS 的功能還依賴于報(bào)告外部氣溫和氣壓的傳感器所提供的可靠數(shù)據(jù)流。其他壓力、力和位置傳感器提供有關(guān)飛行表面、起落架和前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的位置和載荷數(shù)據(jù)。還有一些傳感器提供發(fā)動(dòng)機(jī)信息系統(tǒng)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃料方面的重要數(shù)據(jù)，以及機(jī)艙溫度、壓力和氧氣水平數(shù)據(jù)。

Analog Devices 將高性能傳感器數(shù)據(jù)采集模塊與 MEMS IMU 相結(jié)合，為開發(fā)人員提供了開發(fā)航空電子解決方案所需的關(guān)鍵組件，這些解決方案的可靠性、準(zhǔn)確性、尺寸和成本特性使其能夠廣泛應(yīng)用于各種航空飛行系統(tǒng)。

在現(xiàn)代航空電子設(shè)備中應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和 IMU

為了從任意飛行平臺(tái)的各種傳感器中獲取數(shù)據(jù)，高性能數(shù)據(jù)采集模塊針對(duì)每種傳感器模態(tài)和功能要求提供了多種性能選擇。憑借其精密信號(hào)鏈 μModule 解決方案，Analog Devices 將常用的信號(hào)處理子系統(tǒng)，包括信號(hào)調(diào)節(jié)塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，集成到一個(gè)小巧的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP) 器件中，以解決棘手的設(shè)計(jì)難題。μModule 還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元器件，這些元器件采用 Analog Devices iPassive? 技術(shù)構(gòu)建，具有出色的匹配和漂移特性，可最大限度地減少溫度相關(guān)誤差源，并簡(jiǎn)化校準(zhǔn)流程，同時(shí)緩解散熱方面的挑戰(zhàn)。解決方案占用空間顯著減少，可增加更多通道/功能，適用于需要在一定溫度和時(shí)間條件下保持精度和穩(wěn)定性的可擴(kuò)展航空儀器。μModules 簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈物料清單 (BOM)，降低了對(duì)外部電路的性能敏感度，縮短了設(shè)計(jì)周期，從而降低了總擁有成本。

Analog Devices 的 ADAQ4003 和 ADAQ23878 μModule 專為滿足苛刻的數(shù)據(jù)采集要求而設(shè)計(jì)，集成了一個(gè)帶有 0.005% 精度匹配電阻器陣列的全差分 ADC 驅(qū)動(dòng)放大器（FDA，圖 2）、一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)緩沖器和一個(gè) 18 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，能夠分別提供 2 MSPS（每秒百萬(wàn)次采樣）和 15 MSPS 的性能。

通過(guò)將 ADAQ4003 等 μModule 數(shù)據(jù)采集設(shè)備與 Analog Devices 的 LTC6373 等全差分可編程增益儀表放大器 (PGIA) 相結(jié)合，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，以滿足航空系統(tǒng)的眾多復(fù)雜傳感要求。

圖 2：通過(guò)將 LTC6373 全差分 PGIA 與 ADAQ4003 μModule 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)人員就可以有效地滿足眾多航空傳感要求。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

如前所述，基于 MEMS 的傳感器是提供 ADAHRS 功能所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效解決方案。通過(guò)將 MEMS 三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)與溫度傳感器及其他功能模塊、六自由度 IMU（例如 Analog Devices 的 ADIS16505 精密微型 MEMS IMU 和 ADIS16495 戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性傳感器）集成在一起，可以提供簡(jiǎn)化航空電子子系統(tǒng)開發(fā)所需的全套功能（圖 3）。

圖 3：ADIS16505 IMU 和 ADIS16495 IMU（如圖所示）將傳感器與控制器、校準(zhǔn)、信號(hào)處理和自檢模塊集成在一起，為電子測(cè)量系統(tǒng)的底層航空電子系統(tǒng)（如 ADAHRS）提供完整的解決方案。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

這些系統(tǒng)組合在 ADAHRS 中，可作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組件使用，即使在沒有衛(wèi)星或地面導(dǎo)航輔助的情況下，也能夠?yàn)橛脩籼峁┑竭_(dá)所需目的地的必要航向信息。與任何人造設(shè)備一樣，基于 MEMS 的設(shè)備也會(huì)受到各種性能限制的影響，從而降低計(jì)算導(dǎo)航的精度。例如，不可避免的制造偏差、內(nèi)部噪聲源和環(huán)境影響都會(huì)限制 MEMS 陀螺儀的精度。

制造商會(huì)在各種參數(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)表中記錄這些因素對(duì)性能的影響。在這些規(guī)格中，靈敏度、非線性和偏差參數(shù)會(huì)直接影響 ADAHRS 的精度。在陀螺儀中，靈敏度（角速率測(cè)量分辨率）受限會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (de)（圖 4，左）；非線性響應(yīng)（偏離理想的線性響應(yīng)）會(huì)導(dǎo)致在 S 形轉(zhuǎn)彎等一系列機(jī)動(dòng)動(dòng)作后出現(xiàn)類似的誤差（圖 4，中）；陀螺儀偏差則會(huì)導(dǎo)致航向和位置發(fā)生漂移，即使在巡航期間（無(wú)加速度的直線平飛）也會(huì)如此（圖 4，右）。

圖 4：陀螺儀靈敏度限制、非線性和偏差會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎（左）、S 形轉(zhuǎn)彎（中）和巡航（右）時(shí)航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (de) 的累積。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

產(chǎn)生偏差的原因包括：陀螺儀各軸與其他軸或封裝的未對(duì)準(zhǔn)、比例誤差，以及陀螺儀對(duì)線性加速度的不正確響應(yīng)（由于 MEMS 制造過(guò)程中的不對(duì)稱而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)）。Analog Devices 通過(guò)在多種旋轉(zhuǎn)速率和溫度條件下對(duì) ADIS16505 和 ADIS16495 IMU 進(jìn)行測(cè)試，為每個(gè)器件確定了特定的偏差校正系數(shù)。這些部件特定的偏差校正系數(shù)存儲(chǔ)在每個(gè)部件的內(nèi)部閃存中，并在傳感器信號(hào)處理過(guò)程中應(yīng)用。

除了可校正的偏差系數(shù)外，各種來(lái)源的隨機(jī)噪聲也會(huì)隨著時(shí)間的推移對(duì)偏差誤差造成影響。雖然這種隨機(jī)噪聲無(wú)法直接補(bǔ)償，但可以通過(guò)延長(zhǎng)采樣積分時(shí)間來(lái)降低其影響。陀螺儀數(shù)據(jù)表中的阿倫偏差（或阿倫方差）圖描述了更長(zhǎng)采樣時(shí)間能在多大程度上減少噪聲，該圖顯示了以每小時(shí)度數(shù) (°/hr) 為單位的噪聲與積分周期 (τ) 的關(guān)系（圖 5）。

圖 5：ADIS16495 IMU（左）和 ADIS16505 IMU（右）中 MEMS 陀螺儀的阿倫偏差圖，描述了延長(zhǎng)采樣時(shí)間補(bǔ)償隨機(jī)漂移的能力。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

阿倫偏差圖的最小值代表陀螺儀隨時(shí)間漂移的最佳情況，該參數(shù)稱為零偏穩(wěn)定性 (IRBS)，在規(guī)格數(shù)據(jù)表中通常以平均值和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差之和來(lái)表示。對(duì)于開發(fā)高精度 ADAHRS 解決方案的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，IMU 的 IRBS 為了解該部件的最佳性能提供了一個(gè)重要參數(shù)。陀螺儀專家將 Analog Devices 的 ADIS16495 等 IMU 歸類為“戰(zhàn)術(shù)級(jí)”，即陀螺儀的 IRBS 值介于 0.5° 至 5.0°/hr 之間。

ADIS16495 的多個(gè)重要參數(shù)具有嚴(yán)格的規(guī)格，可以滿足更苛刻戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的要求。為了提升性能，ADIS16495 集成了一對(duì) MEMS 陀螺儀，并為三個(gè)軸各集成了一個(gè)專用的 4100 Hz 采樣信號(hào)鏈（見圖 6）。

圖 6：通過(guò)對(duì)采用專用信號(hào)鏈的一對(duì) MEMS 陀螺儀的輸出進(jìn)行平均處理，ADIS16495 戰(zhàn)術(shù)級(jí) IMU 提高了陀螺儀的精度和漂移性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

每個(gè)信號(hào)鏈的樣本隨后以獨(dú)立的 4250 Hz 采樣頻率 (fSM) 進(jìn)行合并，從而實(shí)現(xiàn)減少噪音影響的角速度測(cè)量。將這種采樣方法與更嚴(yán)格的性能規(guī)格相結(jié)合，就能使 IMU 滿足更為苛刻的航空電子設(shè)備要求。

快速開發(fā)和探索基于 IMU 的設(shè)計(jì)

為了幫助加快基于其 IMU 的設(shè)計(jì)開發(fā)，Analog Devices 提供了一套完整的開發(fā)工具。Analog Devices 的 FX3 軟件堆棧旨在支持其 EVAL-ADIS-FX3 IMU 評(píng)估板（圖 7）和相關(guān)的分線板，包括固件包、與 .NET 兼容的應(yīng)用程序編程接口 (API) 和圖形用戶界面 (GUI)。API 提供的封裝庫(kù)允許開發(fā)人員使用任何支持 .NET 的開發(fā)環(huán)境，包括 MATLAB、LabView 和 Python 的開發(fā)環(huán)境。在開發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)X3 評(píng)估 GUI 使開發(fā)人員能夠輕松讀寫寄存器、捕獲數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)繪制結(jié)果。

圖 7：EVAL-ADIS-FX3 評(píng)估板是完整的硬件和軟件支持包的一部分，可幫助測(cè)試 Analog Devices 的 IMU。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

總結(jié)

ADAHRS 航電解決方案構(gòu)成了不斷發(fā)展的 EFIS 的核心。隨著基于 MEMS 技術(shù)的精密陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)可以提供過(guò)去除了最大的商用飛機(jī)機(jī)隊(duì)外，其他所有飛機(jī)都無(wú)法企及的飛行性能和導(dǎo)航能力。利用 Analog Devices 的數(shù)據(jù)采集模塊和高度集成的 IMU，航空電子設(shè)備開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)出更具成本效益、更小巧的解決方案，以滿足航空系統(tǒng)對(duì)功能、安全性和可靠性的嚴(yán)格要求。

（作者：Stephen Evanczuk）