כיצד ליישם באופן משתלם מערכות ניווט מטוסים אמינות עם רכיבים מדויקים

פיתוח פתרונות מתוחכמים של מערכת ייחוס נתוני אוויר (air data), מצב אופק (attitude) וכיוון טיסה (heading)‏ (ADAHRS) הוא קריטי כדי להבטיח ניווט מדויק ובטיחות במערכות כלי טיס מאוישות ולא מאוישות. כדי ליצור תכני ADAHRS איתנים ואמינים, מפתחים זקוקים לרכיבים היכולים להתמודד עם אתגרים מרובים בתכנון מערכות ניווט אוויוניקה, כולל דיוק חיישנים, חוסן סביבתי ואינטגרציית מערכת.

מאמר זה מתאר כיצד מודולים של איסוף נתונים מדויקים ויחידות מדידה אינרציאליות (IMUs) מבית Analog Devices‏ מתמודדים עם אתגרים אלה ומפשטים את הפיתוח של פתרונות‏ ADAHRS יעילים.

בטיחות התעופה מתבססת על מערכות מתוחכמות מבוססות חיישנים

זמינות מידע‏ מדויק על ביצועי טיסה הוא‏ קריטי לבטיחות בכל מגזרי התעופה, החל מכלי טיס בלתי מאוישים (UASs) עד מטוסי נוסעים כבדים. תוך התאמה לשיפורים האווירודינמיים במטוס, יכולות מערכות האוויוניקה התפתחו מ"שש חבילות" מכשירי הטיסה המסורתיות של הטייס המבוססות על מצפנים מגנטיים, ג'ירוסקופים מכניים, ומכשירי טיסה מונעים-ואקום, למערכת מכשירי טיסה אלקטרונית (EFIS) עם תצוגה גרפיט "glass cockpit" יותר ויותר מתוחכמת.

בבסיס ה-EFIS, ה-ADAHRS משלב את היכולות של מחשב נתוני אוויר ושל מערכת attitude and heading reference‏ (AHRS) הנדרשות כדי להשלים עזרי ניווט מערכת ניווט לוויינית גלובלית (GNSS) לטווחים גדולים, כגון מערכת המיקום הגלובלי ארה"ב‏ (GPS) ומערכת ה-wide area augmentation‏ (WAAS) הקרקעית הנלווית של ה-GPS. מחשב נתוני האוויר מחשב גובה ומהירות אווירית וקרקעית אנכית, תוך שימוש במדידות לחץ אטמוספרי וטמפרטורת האוויר בחוץ. כדי לספק את מצב האופק (attitude) של כלי-הטיס (עלרוד, גלגול וסבסוב) ונתוני כיוון טיסה (heading data) הדרושים עבור חישוב-מיקום מקורב (dead reckoning) בניווט אינרציאלי, ה-ADAHRS מסתמך על שילוב של‏ ג'ירוסקופים עבור שינויים במהירות הזוויתית, מדי-תאוצה עבור שינויים במהירות הקווית ומגנטומטרים עבור כיוון מגנטי. ההתקדמות בטכנולוגיית החיישנים שינתה באופן דרמטי את אופיים של הסנסורים הקריטיים הללו.

בעבר, גירוסקופים מורכבים של סיבים אופטיים או לייזר טבעתי היו בין הטכנולוגיות הבודדות שיכלו לספק רמת דיוק מספיקה לתעופה. כיום, הזמינות של‏ מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות מתקדמות (MEMS) מספקת למפתחים טכנולוגיה שיכולה לספק דרישות על פני פלטפורמות תעופה מגוונות (איור 1‏).

איור 1‏: ג'ירוסקופים MEMS מהרמה-העליונה מציעים מאפיינים ייחודיים העושים אותם לטכנולוגיה המועדפת עבור מערכות אוויוניקה אלקטרוניות. (מקור תמונה: Analog Devices)

ביחד עם גירוסקופים, מדי-תאוצה ומגנטומטרים, פונקציונליות ADAHRS תלויה גם בזרמי נתונים אמינים מחיישנים המדווחים על לחץ וטמפרטורת אוויר בחוץ. חיישני לחץ, כוח ומיקום אחרים מספקים נתונים על המצב וההעמסה של משטחי‏ טיסה, כני נסע (landing gear) והכוונת גלגל אף המטוס (nosewheel steering). חיישנים נוספים מספקים נתונים חיוניים על ביצועי מנוע ודלק הדרושים למערכות מידע מנוע, כמו גם לחץ, רמות חמצן וטמפרטורת תא הנוסעים.

שילוב של‏ מודולי חיישן איסוף נתונים ביצועים-עיליים ויחידות MEMS IMU מבית Analog Devices‏ מספק למפתחים את הרכיבים הקריטיים הדרושים כדי לספק פתרונות אוויוניקה עם מאפייני אמינות, דיוק, גודל ועלות המאפשרים את יישומם בכל מגוון מערכות הטיסה התעופתיות.

יישום מודולי איסוף נתוני חיישנים ויחידות IMU באוויוניקה מודרנית

לצורך איסוף נתונים ממערך רחב של‏ חיישנים בכל פלטפורמת טיסה, מודולי איסוף נתונים ביצועים-עיליים מציעים מגוון יכולות ביצועים עבור כל סוג חיישן ודרישה פונקציונלית. עם פתרונות ה-Precision Signal Chain µModule שלה, Analog Devices משלבת תת-מערכות עיבוד שכיחות כולל בלוקים של אכשור אותות וממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) בהתקן מערכת-במארז (SIP) קומפקטי כדי לפתור אתגרי תכנון קשים. ה-μModules כוללים גם את הרכיבים הפסיביים הקריטיים עם מאפייני תאום וסחיפה מעולים, בנויים תוך שימוש בטכנולוגיית ®Analog Devices iPassive, שממזערת מקורות שגיאה תלויי טמפרטורה ומפשטת כיול תוך הקטנת אתגרים תרמיים. הקטנת טביעת רגל משמעותית של הפתרון מאפשרת הוספה של ערוצים/פונקציות נוספים עבור מכשירי תעופה ניתנים למדרוג הדורשים דיוק ויציבות על פני טמפרטורה וזמן. ה-µModule‏ מפשט מפרט חומרים (BOM) של שרשרת האותות, מקטין רגישות ביצועים למעגלים חיצוניים, מקצר מחזורי תכנון, ולכן מקטין את העלות הכוללת של‏ בעלות.

מתוכננים לעמוד בדרישות התובעניות של איסוף הנתונים, ה-μModules‏ ADAQ4003 ו-ADAQ23878 משלבים מגבר דוחף ADC דיפרנציאלי במלואו (FDA, איור 2) עם מערך נגדים מתואמים בדיוק של 0.005%, חוצץ ייחוס יציב, וממיר ADC אוגר קירוב-עוקב (Successive Approximation Register‏ (SAR))‏ ‎18-bit, ומסוגלים לספק ביצועים של 2 מגה-דגימות לשנייה (MSPS) ו-15‎ MSPS, בהתאמה.

על ידי שילוב התקן איסוף נתונים μModule כמו ה-ADAQ4003 עם מגבר מכשור הגבר-ניתן-לתכנות (PGIA) דיפרנציאלי מלא, כגון ה-LTC6373 של Analog Devices, מפתחים יכולים ליישם פתרון פשוט לרבות מדרישות החישה המורכבות של מערכות תעופה.

איור 2‏: מפתחים יכולים לעמוד ביעילות בדרישות חישה תעופתית רבות על ידי שילוב PGIA דיפרנציאלי מלא LTC6373 עם‏ מערכת איסוף נתונים ADAQ4003 μModule‏. (מקור תמונה: Analog Devices)

כפי שצוין קודם לכן, חיישנים מבוססי-MEMS מציעים פתרון יעיל לאספקת הנתונים הקריטיים הדרושים עבור פונקציונליות ADAHRS. על ידי שילוב גירוסקופים תלת-ציריים MEMS ומדי תאוצה תלת-ציריים עם חיישני טמפרטורה ובלוקים פונקציונליים אחרים, יחידות IMU עם שש דרגות חופש, כגון MEMS IMU מדויק, זעיר, ADIS16505 של Analog Devices וחיישן אינרציאלי בדרגה טקטית ADIS16495, מספקים סט שלם של פונקציונליות הדרושה לפישוט פיתוח של תת-מערכות תעופתיות (איור 3).

איור 3‏: ה-ADIS16505 IMU ו-ADIS16495 IMU (מוצגים כאן) משלבים חיישנים עם‏ בלוקים של בקר, כיול, עיבוד אותות ובדיקה-עצמית כדי לספק פתרון שלם עבור מערכות אוויוניקה בסיסיות כמו ADAHRS של מערכות מדידה אלקטרוניות. (מקור תמונה: Analog Devices)

משולבות ב-ADAHRS, מערכות אלו יכולות לספק את הרכיבים החיוניים של מערכות ניווט אינרציאליות המסוגלות לספק את הכיוון הדרוש ליעד הרצוי אפילו ללא לוויין או עזרי ניווט קרקעיים. כמו עם כל התקן מיוצר, התקנים מבוססי-MEMS כפופים למקורות שונים של מגבלות ביצועים שעלולים לפגוע בדיוק של ניווט ממוחשב. לדוגמה, שינויים בלתי נמנעים בייצור, מקורות רעש פנימיים והשפעות סביבתיות מגבילים את הדיוק של ‏ג'ירוסקופ MEMS.

יצרנים מתעדים את השפעות הביצועים של שינויים אלה במפרטי פרמטרים שונים של גיליון הנתונים. מבין מפרטים אלה, פרמטרים של רגישות, אי-ליניאריות ונטייה (bias) יכולים להשפיע ישירות על דיוק ADAHRS. בגירוסקופים, רגישות מוגבלת (רזולוציה של מדידת קצב זוויתי) יכולה לגרום לשגיאת כיוון (heading error) ‏(Ψ) ושגיאת מיקום (d_e) במהלך פניות (איור 4, שמאל); תגובה לא ליניארית (סטייה מתגובה ליניארית אידיאלית) יכולה לגרום לשגיאות דומות לאחר סדרה של תמרונים כגון פניות-S (איור 4, אמצע); ותוצאות נטייה (bias) של גירוסקופ גורמות לסחיפה בכיוון ומיקום אפילו במהלך שיוט (טיסה ישרה ומישורית ללא האצה) (איור 4, ימין).

איור 4‏: מגבלות רגישות של‏ גירוסקופ, אי-לינאריות ונטייה (bias) יכולות לגרום לצבר של שגיאת כיוון (heading error) ‏(Ψ) ‏ושגיאת מיקום (d_e) במהלך פניות (שמאל), פניות-S (אמצע), ושיוט (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices)

שגיאות נטייה (Bias) נגרמות מאי יישור של כל ציר גירוסקופ עם צירים אחרים או עם המארז, שגיאות מדרוג, והתגובה הלא נכונה של הגירוסקופ להאצה ליניארית המתקבלת כסיבוב בשל אסימטריות בייצור ה-MEMS. עבור ה-IMUs ‏ADIS16505 ו-ADIS16495, חברת Analog Devices‏ קובעת גורמי תיקון נטייה (Bias) ספציפיים לכל התקן על ידי בדיקתם בטמפרטורות וקצבי סיבוב מרובים. גורמי תיקון נטייה (bias) אלה, ספציפיים לחלק, נשמרים בזיכרון ה-flash הפנימי של כל חלק ומיושם במהלך עיבוד אות החיישן.

נוסף לגורמי המקדם הניתנים לתיקון, רעש אקראי ממקורות שונים משפיע על שגיאת המקדם לאורך זמן. למרות שלא ניתן לפצות על רעש אקראי זה ישירות, ניתן להקטין את ההשפעות שלו על ידי דגימה על פני זמני אינטגרציה ארוכים יותר. המעלה אליה זמני דגימה ארוכים יותר יפחיתו את הרעש מתוארת‏ בגרף Allan deviation (או Allan variance) של גיליון הנתונים של גירוסקופ, שמציג רעש במעלות לשעה (‎/hr°) ביחס לזמן מחזור האינטגרציה (τ) (איור 5‏).

איור 5: גרפים של Allan deviation עבור גירוסקופים MEMS ב-ADIS16495 IMU (שמאל) ו-ADIS16505 IMU (ימין) מתארים את היכולת של זמן דגימה מורחב לפצות על סחף אקראי. (מקור תמונה: Analog Devices)

המינימום של גרף ה-Allan deviation מייצג את המקרה הטוב ביותר לסחיפת הגירוסקופ עם הזמן, פרמטר שנקרא in-run bias stability‏ (IRBS), בדרך כלל מצוין במונחים של סכום הממוצע וסטיית תקן אחת במפרטי גיליון הנתונים. עבור מפתחים היוצרים פתרונות ADAHRS מדויקים ביותר, ה-‏IRBS של IMU מספק‏ פרמטר חיוני עבור הבנת הביצועים האפשריים הטובים ביותר עם אותו החלק. מומחי גירוסקופ מסווגים יחידות IMU כגון ADIS16495 של Analog Devices‏ כ-“דרגה טקטית” כשערכי IRBS של הג'ירוסקופ שלהם הם בין 0.5° ‏ו-‎5.0°/hr.

ה-ADIS16495 מתאפיין במפרטים הדוקים בפרמטרים חיוניים מרובים כדי לעמוד ביישומים טקטיים תובעניים יותר. לסייע לביצועים המשופרים שלו, ה-ADIS16495 משלב‏ זוג‏ גירוסקופים MEMS‏ ושרשרת אותות דגימה ייעודית של 4100 הרץ (Hz) עבור כל אחד משלושת הצירים שלו (איור 6‏).

איור 6‏: ה-IMU דרגה טקטית ADIS16495 משפר ביצועי דיוק וסחיפת גירוסקופ על ידי מיצוע היציאה מזוג גירוסקופי MEMS עם שרשראות אותות ייעודיות. (מקור תמונה: Analog Devices)

דגימות מכל שרשרת אותות מאוחדות אחר כך תוך שימוש בתדר דגימה נפרד של 4250‎ Hz‏ (f_SM) כדי לספק מדידת קצב זוויתי המפחיתה את השפעת הרעש. שילוב שיטת דגימה זו עם מפרטי ביצועים מחמירים יותר מניב IMU המסוגל לעמוד בדרישות אוויוניקה תובעניות יותר.

פיתוח וחקר מהירים של תכנים מבוססי IMU

כדי לסייע להאיץ את הפיתוח של‏ התכנים המבוססים על יחידות ה-IMU שלה, Analog Devices‏ מספקת מערך מקיף של‏ כלי פיתוח. מחסנית התוכנה FX3 של Analog Devices, המתוכננת לתמוך בלוח ההערכה שלה EVAL-ADIS-FX3 IMU (איור 7) ולוחות Breakout קשורות, כוללת חבילת קושחה, ממשק תכנות יישום תואם-NET. ‏(API) וממשק משתמש גרפי (GUI).‏ ספריית ה-Wrapper המסופקת עם ה-API מאפשרת למפתחים לעבוד עם כל סביבת פיתוח התומכת ב-NET., כולל אלו עבור MATLAB‏, LabView ו-Python‏. במהלך פיתוח, GUI ההערכה FX3‏ מאפשר למפתחים לקרוא מאוגרים ולכתוב לאוגרים בקלות, ללכוד נתונים ולרשום את התוצאות בזמן-אמת.

איור 7‏: לוח ההערכה EVAL-ADIS-FX3 ‏הוא חלק‏ מחבילת תמיכה מקיפה של חומרה ותוכנה הבאה לעזור ביישום יחידות IMU של Analog Devices‏. (מקור תמונה: Analog Devices)

סיכום

פתרונות אוויוניקה ADAHRS מהווים את הלב של מערכות EFIS המתפתחות. עם הפיתוח של‏ ג'ירוסקופים, מדי-תאוצה ומגנטומטרים מדויקים המבוססים על טכנולוגיות MEMS, מערכות אוויוניקה יכולות להציע ביצועי טיסה ויכולות ניווט שהיו מעבר להישג ידם של כל הציים מלבד הגדולים ביותר של מטוסים מסחריים. על ידי שימוש במודולי איסוף נתונים ויחידות IMU משולבים ביותר מבית Analog Devices, מפתחי אוויוניקה יכולים לתכנן פתרונות קטנים וחסכוניים יותר כדי לעמוד בדרישות המחמירות ביותר של פונקציונליות, בטיחות ואמינות במערכות תעופה.