如何利用精密部件经济高效地实现可靠的飞机导航系统
作者：Stephen Evanczuk
开发先进的大气数据、姿态和航向参考系统 (ADAHRS) 解决方案，对于确保有人驾驶和无人驾驶飞机系统的精确导航和安全至关重要。为了设计出稳健可靠的 ADAHRS，开发人员需要使用能够应对航空电子导航系统设计中多重挑战（包括传感器精度、环境适应能力和系统集成）的组件。
本文介绍了如何利用 Analog Devices 的精密数据采集模块和惯性测量装置 (IMU) 来应对这些挑战，并简化有效 ADAHRS 解决方案的开发。
航空安全依靠先进的传感器系统
从无人驾驶航空系统 (UAS) 到大型喷气式客机，在所有航空领域提供准确的飞行性能信息都对安全至关重要。随着飞机气动性能的改进，航空电子系统的功能也从基于磁罗盘、机械陀螺仪和真空驱动飞行仪表的飞行员传统“六件套”飞行仪表，发展到日益复杂的图形显示电子飞行仪表系统 (EFIS)“玻璃驾驶舱”。
在 EFIS 的基础上，ADAHRS 整合了大气数据计算机和姿态与航向参考系统 (AHRS) 的功能，而这些功能是补充美国全球定位系统 (GPS) 和 GPS 的相关地面广域增强系统 (WAAS) 等远程全球导航卫星系统 (GNSS) 导航辅助设备所必需的。大气数据计算机可以利用大气压力测量值和外部空气温度，计算飞机的高度和垂直变化率、空速和地面速度。为了提供惯性导航中航迹推测所需的飞机姿态（俯仰、横滚和偏航）和航向数据，ADAHRS 依靠陀螺仪测量角速度变化、加速度计测量线速度变化和磁力计测量磁航向。传感器技术的进步极大地改变了这些关键传感器的性质。
在过去，复杂的光纤或环形激光陀螺仪曾是为数不多的能够为航空业提供足够精度的技术之一。如今，先进微机电系统 (MEMS) 的出现为开发人员提供了一种可满足不同航空平台要求的技术（图 1）。
图 1：高端 MEMS 陀螺仪具有独特的特性，使其成为航空电子系统的首选技术。（图片来源：Analog Devices）
除了陀螺仪、加速度计和磁力计之外，ADAHRS 的功能还依赖于报告外部气温和气压的传感器所提供的可靠数据流。其他压力、力和位置传感器提供有关飞行表面、起落架和前轮转向机构的位置和载荷数据。还有一些传感器提供发动机信息系统所需的发动机性能和燃料方面的重要数据，以及机舱温度、压力和氧气水平数据。
Analog Devices 将高性能传感器数据采集模块与 MEMS IMU 相结合，为开发人员提供了开发航空电子解决方案所需的关键组件，这些解决方案的可靠性、准确性、尺寸和成本特性使其能够广泛应用于各种航空飞行系统。
在现代航空电子设备中应用传感器数据采集模块和 IMU
为了从任意飞行平台的各种传感器中获取数据，高性能数据采集模块针对每种传感器模态和功能要求提供了多种性能选择。凭借其精密信号链 µModule 解决方案，Analog Devices 将常用的信号处理子系统，包括信号调节块和模数转换器 (ADC)，集成到一个小巧的系统级封装 (SIP) 器件中，以解决棘手的设计难题。μModule 还集成了关键的无源元器件，这些元器件采用 Analog Devices iPassive® 技术构建，具有出色的匹配和漂移特性，可最大限度地减少温度相关误差源，并简化校准流程，同时缓解散热方面的挑战。解决方案占用空间显著减少，可增加更多通道/功能，适用于需要在一定温度和时间条件下保持精度和稳定性的可扩展航空仪器。µModules 简化了信号链物料清单 (BOM)，降低了对外部电路的性能敏感度，缩短了设计周期，从而降低了总拥有成本。
Analog Devices 的 ADAQ4003 和 ADAQ23878 μModule 专为满足苛刻的数据采集要求而设计，集成了一个带有 0.005% 精度匹配电阻器阵列的全差分 ADC 驱动放大器（FDA，图 2）、一个稳定的基准缓冲器和一个 18 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，能够分别提供 2 MSPS（每秒百万次采样）和 15 MSPS 的性能。
通过将 ADAQ4003 等 μModule 数据采集设备与 Analog Devices 的 LTC6373 等全差分可编程增益仪表放大器 (PGIA) 相结合，开发人员可以实现一个简单的解决方案，以满足航空系统的众多复杂传感要求。
图 2：通过将 LTC6373 全差分 PGIA 与 ADAQ4003 μModule 数据采集系统相结合，开发人员就可以有效地满足众多航空传感要求。（图片来源：Analog Devices）
如前所述，基于 MEMS 的传感器是提供 ADAHRS 功能所需关键数据的有效解决方案。通过将 MEMS 三轴陀螺仪、三轴加速度计与温度传感器及其他功能模块、六自由度 IMU（例如 Analog Devices 的 ADIS16505 精密微型 MEMS IMU 和 ADIS16495 战术级惯性传感器）集成在一起，可以提供简化航空电子子系统开发所需的全套功能（图 3）。
图 3：ADIS16505 IMU 和 ADIS16495 IMU（如图所示）将传感器与控制器、校准、信号处理和自检模块集成在一起，为电子测量系统的底层航空电子系统（如 ADAHRS）提供完整的解决方案。（图片来源：Analog Devices）
这些系统组合在 ADAHRS 中，可作为惯性导航系统的基本组件使用，即使在没有卫星或地面导航辅助的情况下，也能够为用户提供到达所需目的地的必要航向信息。与任何人造设备一样，基于 MEMS 的设备也会受到各种性能限制的影响，从而降低计算导航的精度。例如，不可避免的制造偏差、内部噪声源和环境影响都会限制 MEMS 陀螺仪的精度。
制造商会在各种参数规格数据表中记录这些因素对性能的影响。在这些规格中，灵敏度、非线性和偏差参数会直接影响 ADAHRS 的精度。在陀螺仪中，灵敏度（角速率测量分辨率）受限会导致转弯时出现航向误差 (Ψ) 和位置误差 (de)（图 4，左）；非线性响应（偏离理想的线性响应）会导致在 S 形转弯等一系列机动动作后出现类似的误差（图 4，中）；陀螺仪偏差则会导致航向和位置发生漂移，即使在巡航期间（无加速度的直线平飞）也会如此（图 4，右）。
图 4：陀螺仪灵敏度限制、非线性和偏差会导致转弯（左）、S 形转弯（中）和巡航（右）时航向误差 (Ψ) 和位置误差 (de) 的累积。（图片来源：Analog Devices）
产生偏差的原因包括：陀螺仪各轴与其他轴或封装的未对准、比例误差，以及陀螺仪对线性加速度的不正确响应（由于 MEMS 制造过程中的不对称而导致的旋转）。Analog Devices 通过在多种旋转速率和温度条件下对 ADIS16505 和 ADIS16495 IMU 进行测试，为每个器件确定了特定的偏差校正系数。这些部件特定的偏差校正系数存储在每个部件的内部闪存中，并在传感器信号处理过程中应用。
除了可校正的偏差系数外，各种来源的随机噪声也会随着时间的推移对偏差误差造成影响。虽然这种随机噪声无法直接补偿，但可以通过延长采样积分时间来降低其影响。陀螺仪数据表中的阿伦偏差（或阿伦方差）图描述了更长采样时间能在多大程度上减少噪声，该图显示了以每小时度数 (°/hr) 为单位的噪声与积分周期 (τ) 的关系（图 5）。
图 5：ADIS16495 IMU（左）和 ADIS16505 IMU（右）中 MEMS 陀螺仪的阿伦偏差图，描述了延长采样时间补偿随机漂移的能力。（图片来源：Analog Devices）
阿伦偏差图的最小值代表陀螺仪随时间漂移的最佳情况，该参数称为零偏稳定性 (IRBS)，在规格数据表中通常以平均值和一个标准偏差之和来表示。对于开发高精度 ADAHRS 解决方案的开发人员来说，IMU 的 IRBS 为了解该部件的最佳性能提供了一个重要参数。陀螺仪专家将 Analog Devices 的 ADIS16495 等 IMU 归类为“战术级”，即陀螺仪的 IRBS 值介于 0.5° 至 5.0°/hr 之间。
ADIS16495 的多个重要参数具有严格的规格，可以满足更苛刻战术应用的要求。为了提升性能，ADIS16495 集成了一对 MEMS 陀螺仪，并为三个轴各集成了一个专用的 4100 Hz 采样信号链（见图 6）。
图 6：通过对采用专用信号链的一对 MEMS 陀螺仪的输出进行平均处理，ADIS16495 战术级 IMU 提高了陀螺仪的精度和漂移性能。（图片来源：Analog Devices）
每个信号链的样本随后以独立的 4250 Hz 采样频率 (fSM) 进行合并，从而实现减少噪音影响的角速度测量。将这种采样方法与更严格的性能规格相结合，就能使 IMU 满足更为苛刻的航空电子设备要求。
快速开发和探索基于 IMU 的设计
为了帮助加快基于其 IMU 的设计开发，Analog Devices 提供了一套完整的开发工具。Analog Devices 的 FX3 软件堆栈旨在支持其 EVAL-ADIS-FX3 IMU 评估板（图 7）和相关的分线板，包括固件包、与 .NET 兼容的应用程序编程接口 (API) 和图形用户界面 (GUI)。API 提供的封装库允许开发人员使用任何支持 .NET 的开发环境，包括 MATLAB、LabView 和 Python 的开发环境。在开发过程中，FX3 评估 GUI 使开发人员能够轻松读写寄存器、捕获数据并实时绘制结果。
图 7：EVAL-ADIS-FX3 评估板是完整的硬件和软件支持包的一部分，可帮助测试 Analog Devices 的 IMU。（图片来源：Analog Devices）
总结
ADAHRS 航电解决方案构成了不断发展的 EFIS 的核心。随着基于 MEMS 技术的精密陀螺仪、加速度计和磁力计的发展，航空电子系统可以提供过去除了最大的商用飞机机队外，其他所有飞机都无法企及的飞行性能和导航能力。利用 Analog Devices 的数据采集模块和高度集成的 IMU，航空电子设备开发人员可以设计出更具成本效益、更小巧的解决方案，以满足航空系统对功能、安全性和可靠性的严格要求。
