【導讀】開(kāi)發(fā)先進(jìn)的大氣數據、姿態(tài)和航向參考系統 (ADAHRS) 解決方案，對于確保有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機系統的精確導航和安全至關(guān)重要。為了設計出穩健可靠的 ADAHRS，開(kāi)發(fā)人員需要使用能夠應對航空電子導航系統設計中多重挑戰（包括傳感器精度、環(huán)境適應能力和系統集成）的組件。
開(kāi)發(fā)先進(jìn)的大氣數據、姿態(tài)和航向參考系統 (ADAHRS) 解決方案，對于確保有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機系統的精確導航和安全至關(guān)重要。為了設計出穩健可靠的 ADAHRS，開(kāi)發(fā)人員需要使用能夠應對航空電子導航系統設計中多重挑戰（包括傳感器精度、環(huán)境適應能力和系統集成）的組件。
本文介紹了如何利用 Analog Devices 的精密數據采集模塊和慣性測量裝置 (IMU) 來(lái)應對這些挑戰，并簡(jiǎn)化有效 ADAHRS 解決方案的開(kāi)發(fā)。
航空安全依靠先進(jìn)的傳感器系統
從無(wú)人駕駛航空系統 (UAS) 到大型噴氣式客機，在所有航空領(lǐng)域提供準確的飛行性能信息都對安全至關(guān)重要。隨著(zhù)飛機氣動(dòng)性能的改進(jìn)，航空電子系統的功能也從基于磁羅盤(pán)、機械陀螺儀和真空驅動(dòng)飛行儀表的飛行員傳統“六件套”飛行儀表，發(fā)展到日益復雜的圖形顯示電子飛行儀表系統 (EFIS)“玻璃駕駛艙”。
在 EFIS 的基礎上，ADAHRS 整合了大氣數據計算機和姿態(tài)與航向參考系統 (AHRS) 的功能，而這些功能是補充美國全球定位系統 (GPS) 和 GPS 的相關(guān)地面廣域增強系統 (WAAS) 等遠程全球導航衛星系統 (GNSS) 導航輔助設備所必需的。大氣數據計算機可以利用大氣壓力測量值和外部空氣溫度，計算飛機的高度和垂直變化率、空速和地面速度。為了提供慣性導航中航跡推測所需的飛機姿態(tài)（俯仰、橫滾和偏航）和航向數據，ADAHRS 依靠陀螺儀測量角速度變化、加速度計測量線(xiàn)速度變化和磁力計測量磁航向。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，復雜的光纖或環(huán)形激光陀螺儀曾是為數不多的能夠為航空業(yè)提供足夠精度的技術(shù)之一。如今，先進(jìn)微機電系統 (MEMS) 的出現為開(kāi)發(fā)人員提供了一種可滿(mǎn)足不同航空平臺要求的技術(shù)（圖 1）。
圖 1：高端 MEMS 陀螺儀具有獨特的特性，使其成為航空電子系統的首選技術(shù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
除了陀螺儀、加速度計和磁力計之外，ADAHRS 的功能還依賴(lài)于報告外部氣溫和氣壓的傳感器所提供的可靠數據流。其他壓力、力和位置傳感器提供有關(guān)飛行表面、起落架和前輪轉向機構的位置和載荷數據。還有一些傳感器提供發(fā)動(dòng)機信息系統所需的發(fā)動(dòng)機性能和燃料方面的重要數據，以及機艙溫度、壓力和氧氣水平數據。
Analog Devices 將高性能傳感器數據采集模塊與 MEMS IMU 相結合，為開(kāi)發(fā)人員提供了開(kāi)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、準確性、尺寸和成本特性使其能夠廣泛應用于各種航空飛行系統。
在現代航空電子設備中應用傳感器數據采集模塊和 IMU
為了從任意飛行平臺的各種傳感器中獲取數據，高性能數據采集模塊針對每種傳感器模態(tài)和功能要求提供了多種性能選擇。憑借其精密信號鏈 μModule 解決方案，Analog Devices 將常用的信號處理子系統，包括信號調節塊和模數轉換器 (ADC)，集成到一個(gè)小巧的系統級封裝 (SIP) 器件中，以解決棘手的設計難題。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)化校準流程，同時(shí)緩解散熱方面的挑戰。解決方案占用空間顯著(zhù)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定性的可擴展航空儀器。μModules 簡(jiǎn)化了信號鏈物料清單 (BOM)，降低了對外部電路的性能敏感度，縮短了設計周期，從而降低了總擁有成本。
Analog Devices 的 ADAQ4003 和 ADAQ23878 μModule 專(zhuān)為滿(mǎn)足苛刻的數據采集要求而設計，集成了一個(gè)帶有 0.005% 精度匹配電阻器陣列的全差分 ADC 驅動(dòng)放大器（FDA，圖 2）、一個(gè)穩定的基準緩沖器和一個(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 數據采集設備與 Analog Devices 的 LTC6373 等全差分可編程增益儀表放大器 (PGIA) 相結合，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，以滿(mǎn)足航空系統的眾多復雜傳感要求。
圖 2：通過(guò)將 LTC6373 全差分 PGIA 與 ADAQ4003 μModule 數據采集系統相結合，開(kāi)發(fā)人員就可以有效地滿(mǎn)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)鍵數據的有效解決方案。通過(guò)將 MEMS 三軸陀螺儀、三軸加速度計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 戰術(shù)級慣性傳感器）集成在一起，可以提供簡(jiǎn)化航空電子子系統開(kāi)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、信號處理和自檢模塊集成在一起，為電子測量系統的底層航空電子系統（如 ADAHRS）提供完整的解決方案。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這些系統組合在 ADAHRS 中，可作為慣性導航系統的基本組件使用，即使在沒(méi)有衛星或地面導航輔助的情況下，也能夠為用戶(hù)提供到達所需目的地的必要航向信息。與任何人造設備一樣，基于 MEMS 的設備也會(huì )受到各種性能限制的影響，從而降低計算導航的精度。例如，不可避免的制造偏差、內部噪聲源和環(huán)境影響都會(huì )限制 MEMS 陀螺儀的精度。
制造商會(huì )在各種參數規格數據表中記錄這些因素對性能的影響。在這些規格中，靈敏度、非線(xiàn)性和偏差參數會(huì )直接影響 ADAHRS 的精度。在陀螺儀中，靈敏度（角速率測量分辨率）受限會(huì )導致轉彎時(shí)出現航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (de)（圖 4，左）；非線(xiàn)性響應（偏離理想的線(xiàn)性響應）會(huì )導致在 S 形轉彎等一系列機動(dòng)動(dòng)作后出現類(lèi)似的誤差（圖 4，中）；陀螺儀偏差則會(huì )導致航向和位置發(fā)生漂移，即使在巡航期間（無(wú)加速度的直線(xiàn)平飛）也會(huì )如此（圖 4，右）。
圖 4：陀螺儀靈敏度限制、非線(xiàn)性和偏差會(huì )導致轉彎（左）、S 形轉彎（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準、比例誤差，以及陀螺儀對線(xiàn)性加速度的不正確響應（由于 MEMS 制造過(guò)程中的不對稱(chēng)而導致的旋轉）。Analog Devices 通過(guò)在多種旋轉速率和溫度條件下對 ADIS16505 和 ADIS16495 IMU 進(jìn)行測試，為每個(gè)器件確定了特定的偏差校正系數。這些部件特定的偏差校正系數存儲在每個(gè)部件的內部閃存中，并在傳感器信號處理過(guò)程中應用。
除了可校正的偏差系數外，各種來(lái)源的隨機噪聲也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移對偏差誤差造成影響。雖然這種隨機噪聲無(wú)法直接補償，但可以通過(guò)延長(cháng)采樣積分時(shí)間來(lái)降低其影響。陀螺儀數據表中的阿倫偏差（或阿倫方差）圖描述了更長(cháng)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 (°/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(cháng)采樣時(shí)間補償隨機漂移的能力。（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，該參數稱(chēng)為零偏穩定性 (IRBS)，在規格數據表中通常以平均值和一個(gè)標準偏差之和來(lái)表示。對于開(kāi)發(fā)高精度 ADAHRS 解決方案的開(kāi)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。陀螺儀專(zhuān)家將 Analog Devices 的 ADIS16495 等 IMU 歸類(lèi)為“戰術(shù)級”，即陀螺儀的 IRBS 值介于 0.5° 至 5.0°/hr 之間。
ADIS16495 的多個(gè)重要參數具有嚴格的規格，可以滿(mǎn)足更苛刻戰術(shù)應用的要求。為了提升性能，ADIS16495 集成了一對 MEMS 陀螺儀，并為三個(gè)軸各集成了一個(gè)專(zhuān)用的 4100 Hz 采樣信號鏈（見(jiàn)圖 6）。
圖 6：通過(guò)對采用專(zhuān)用信號鏈的一對 MEMS 陀螺儀的輸出進(jìn)行平均處理，ADIS16495 戰術(shù)級 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)信號鏈的樣本隨后以獨立的 4250 Hz 采樣頻率 (fSM) 進(jìn)行合并，從而實(shí)現減少噪音影響的角速度測量。將這種采樣方法與更嚴格的性能規格相結合，就能使 IMU 滿(mǎn)足更為苛刻的航空電子設備要求。
快速開(kāi)發(fā)和探索基于 IMU 的設計
為了幫助加快基于其 IMU 的設計開(kāi)發(fā)，Analog Devices 提供了一套完整的開(kāi)發(fā)工具。Analog Devices 的 FX3 軟件堆棧旨在支持其 EVAL-ADIS-FX3 IMU 評估板（圖 7）和相關(guān)的分線(xiàn)板，包括固件包、與 .NET 兼容的應用程序編程接口 (API) 和圖形用戶(hù)界面 (GUI)。API 提供的封裝庫允許開(kāi)發(fā)人員使用任何支持 .NET 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括 MATLAB、LabView 和 Python 的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，FX3 評估 GUI 使開(kāi)發(fā)人員能夠輕松讀寫(xiě)寄存器、捕獲數據并實(shí)時(shí)繪制結果。
圖 7：EVAL-ADIS-FX3 評估板是完整的硬件和軟件支持包的一部分，可幫助測試 Analog Devices 的 IMU。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
總結
ADAHRS 航電解決方案構成了不斷發(fā)展的 EFIS 的核心。隨著(zhù)基于 MEMS 技術(shù)的精密陀螺儀、加速度計和磁力計的發(fā)展，航空電子系統可以提供過(guò)去除了最大的商用飛機機隊外，其他所有飛機都無(wú)法企及的飛行性能和導航能力。利用 Analog Devices 的數據采集模塊和高度集成的 IMU，航空電子設備開(kāi)發(fā)人員可以設計出更具成本效益、更小巧的解決方案，以滿(mǎn)足航空系統對功能、安全性和可靠性的嚴格要求。
（作者：Stephen Evanczuk）
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