如何使用高精密元件，以極具成本效益的方式實作可靠的飛機導航系統

開發複雜的大氣數據和姿態航向參考系統 (ADAHRS) 解決方案對於確保載人和無人飛行系統的準確導航和安全非常重要。為了設計穩固、可靠的 ADAHRS 系統，開發人員需要使用合適的元件來因應航空電子導航系統設計中的各項挑戰，例如感測器準確度、環境韌性以及系統整合等。

本文將介紹如何使用 Analog Devices 的高精密數據採集模組和慣性量測單元 (IMU) 來應對這些挑戰並簡化對高效率 ADAHRS 解決方案的開發。

航空安全建立在複雜的感測器型系統之上

從小型無人飛行系統 (UAS) 到大型噴射客機，獲取準確的飛行效能資訊對所有航空領域的安全都非常重要。隨著飛機空氣動力學的發展，航空電子系統也在不斷進步，已經從飛行員傳統的飛行儀器「六大件」(磁羅盤、機械陀螺儀和真空驅動的飛行儀器)，過渡到採用日益精密的圖形顯示電子飛行儀器系統 (EFIS) 的「玻璃駕駛艙」。

作為 EFIS 的核心系統，ADAHRS 整合了大氣數據電腦和姿態航向參考系統 (AHRS) 的功能，增強遠距全球導航衛星系統 (GNSS) 導航輔助設備的能力，包括美國全球定位系統 (GPS) 及其相關地面式廣域擴增系統 (WAAS) 等。大氣數據電腦使用大氣壓力測量值和外部空氣溫度來計算飛機的海拔高度以及垂直、空氣和地面速度。為了提供慣性導航中航位推算所需的飛機姿態 (俯仰、翻滾和偏航) 和航向數據，ADAHRS 依賴陀螺儀來測量角速度的變化；加速度計來測量線速度的變化；磁力計來確定磁航向。感測器技術的進步大幅提升這些關鍵感測器的效能。

過去，只有複雜的光纖或環形雷射陀螺儀等少數幾項技術，能夠為飛行提供足夠的準確度。而現在，有了先進的微機電系統 (MEMS)，開發人員能夠滿足不同飛行平台的要求 (圖 1)。

圖 1：高階 MEMS 陀螺儀因其獨特的特性，成為航空電子系統的首選技術。(圖片來源：Analog Devices)

除了陀螺儀、加速計和磁力計外，ADAHRS 的功能還依賴相關感測器提供可靠的資料流來報告外部空氣溫度和壓力等。其他壓力、力和位置感測器則能夠提供關於飛行表面、起落架以及鼻輪位置和負載的數據。此外，還有些感測器可提供發動機資訊系統所需的發動機效能和燃油基本數據，以及座艙溫度、壓力和氧氣水平等。

使用 Analog Devices 的高效能感測器數據採集模組與 MEMS IMU，開發人員將能運用關鍵性元件，開發具有出色可靠性和準確度的航空電子解決方案。這些解決方案不僅具備合理的尺寸和成本，而且還能夠應用於整個系列的航空飛行系統。

感測器數據採集模組和 IMU 在現代航空電子中的應用

為了在任何飛行平台採集各種感測器的數據，高效能數據採集模組針對每種感測器類型和功能要求，提供一系列相關功能。藉助其高精密度訊號鏈 µModule 解決方案，Analog Devices 將通用的訊號處理子系統 (包括訊號調整區塊和類比數位轉換器 (ADC)) 整合到一個緊湊的系統級封裝 (SIP) 元件中，可應對複雜的設計挑戰。μModule 還包含採用 Analog Devices iPassive® 技術的關鍵被動元件，這些元件具有出色的匹配和漂移特性，能夠將與溫度相關的誤差源減到最低，簡化校正過程，並減輕散熱方面的挑戰。該解決方案大大減少佔用的空間，可為需要精確度以及溫度和時間穩定性的可擴充飛行儀器，增添更多的通道／功能。µModules 可簡化訊號鏈物料清單 (BOM)、降低對外部電路效能的敏感度並縮短設計週期，進而降低總擁有成本。

ADAQ4003 和 ADAQ23878 μModule 專為滿足苛刻的數據採集要求所設計，兩者都整合全差動 ADC 驅動放大器 (FDA，圖 2)，並配有一個精密度為 0.005% 的匹配電阻陣列、一個穩定的參考緩衝器，以及一個 18 位元的連續漸近暫存器 (SAR) ADC，可分別提供 2 MSPS 及 15 MSPS 效能。

透過搭配使用 ADAQ4003 等 μModule 數據採集元件與 Analog Devices 的 LTC6373 等全差動可編程增益儀表放大器 (PGIA)，開發人員可以實作出一種簡易的解決方案，滿足航空系統複雜的感測要求。

圖 2：開發人員可以透過搭配使用 LTC6373 全差動 PGIA 與 ADAQ4003 μModule 數據採集系統，以高效率滿足各種航空感測要求。(圖片來源：Analog Devices)

如前所述，MEMS 架構感測器為提供 ADAHRS 功能所需的關鍵數據提供高效率解決方案。透過將 MEMS 三軸陀螺儀及三軸加速計與溫度感測器及其他功能區塊相整合，具有六個自由度的 IMU (如 Analog Devices 的 ADIS16505 高密度小型 MEMS IMU 和 ADIS16495 戰術級慣性感測器)，可提供一整套相關功能，簡化航空電子子系統的開發 (圖 3)。

圖 3：ADIS16505 IMU 和 ADIS16495 IMU (如圖所示) 將感測器與控制器、校準區塊、訊號處理區塊和自我測試區塊相整合，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。(圖片來源：Analog Devices)

將這些系統整合在 ADAHRS 後，便可提供慣性導航系統的基本元件，即使在沒有衛星或地面導航輔助系統的情況下，也能提供抵達目的地所需的航向。與任何製造元件一樣，MEMS 架構元件也受到各種效能限制來源的影響，這可能會降低運算導航的準確度。例如，難以避免的製造差異、內部雜訊源以及環境因素都會限制 MEMS 陀螺儀的準確度。

製造商會在很多規格書參數規格中記錄這些差異對效能的影響。在這些規格中，靈敏度、非線性響應和偏移參數會直接影響 ADAHRS 的準確度。在陀螺儀中，有限的靈敏度 (角速率測量解析度) 可能會導致在轉彎過程產生航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 ( d_e) (圖 4，左)；非線性響應 (與理想線性響應的偏差) 可能會在進行 S 型轉彎等一系列操作時，產生類似的誤差 (圖 4，中)；陀螺儀偏移則會導致航向和位置漂移，即使在巡航期間 (無加速的直線和水平飛行) 亦然 (圖 4，右)。

圖 4：陀螺儀的靈敏度限制、非線性響應和偏移可能會在轉彎 (左)，S 形轉彎 (中) 和巡航 (右) 期間，造成航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (d_e) 的累積。(圖片來源：Analog Devices)

偏移誤差是由於每個陀螺儀軸未與其他軸或封裝對準、縮放誤差，以及陀螺儀因 MEMS 製造的不對稱性而將線性加速當做旋轉時的不正確響應而產生。Analog Devices 在各種轉速和溫度下對其 ADIS16505 和 ADIS16495 IMU 進行測試，確定每個元件特有的偏差修正因數。然後，將這些特定於零件的偏移修正因數儲存在每個零件的內部快閃記憶體中，並在感測器訊號處理期間加以應用。

除了可修正的偏移因數外，各種來源的隨機雜訊也會隨著時間的推移影響偏移誤差。雖然我們不能直接補償這種隨機雜訊，但其影響可以透過在更長的積分時間內進行採樣來減輕。在陀螺儀規格書的亞倫偏差 (又稱亞倫方差) 圖中，展示隨著採樣時間的增加，雜訊減少的程度。該圖以每小時度數 (°/hr) 和積分週期 (τ) 的關係來顯示雜訊水平 (圖 5)。

圖 5：ADIS16495 IMU (左) 和 ADIS16505 IMU (右) 中的 MEMS 陀螺儀的亞倫偏差圖，描述延長採樣時間以補償隨機漂移的能力。(圖片來源：Analog Devices)

亞倫偏差圖的最小值反映了陀螺儀隨著時間推移的最佳漂移情況，這個參數被稱為執行中偏移穩定性 (IRBS)，通常定義為規格書規格中的平均值和一個標準差之和。在開發高準確度的 ADAHRS 解決方案時，開發人員可以透過 IMU 的 IRBS 這一基本參數來瞭解該零件在最佳情況下的效能。當 IMU 的陀螺儀 IRBS 值介於 0.5° 至 5.0°/hr 之間時，陀螺儀專家會將這類 IMU (如 Analog Devices 的 ADIS16495) 歸類為「戰術級」。

ADIS16495 針對多個關鍵參數設置嚴格的規格，可滿足更為嚴苛的戰術級應用需求。為了提升其效能，ADIS16495 為三個軸中的每一個軸，都整合了一對 MEMS 陀螺儀和一個專用的 4100 Hz 採樣訊號鏈 (圖 6)。

圖 6：ADIS16495 戰術級 IMU 透過對一對配有專用訊號鏈的 MEMS 陀螺儀的輸出進行平均處理來提高陀螺儀的準確度和漂移效能。(圖片來源：Analog Devices)

每個訊號鏈的樣本隨即會以單獨的 4250 Hz 採樣頻率 (f_SM) 進行組合，以降低雜訊的影響並提高角速率的測量準確度。將這種採樣方法與更嚴格的效能規格相結合，IMU 將能夠滿足更為嚴苛的航空電子要求。

快速開發並探索以 IMU 為基礎的設計

Analog Devices 提供一整套開發工具，幫助開發人員加速開發以其 IMU 為基礎的設計。該公司的 FX3 軟體堆疊專為支援其 EVAL-ADIS-FX3 IMU 評估板 (圖 7) 及相關分接板所設計，其中包含一個韌體套件、一個與 NET 相容的應用開發介面 (API)，以及一個圖形使用者介面 (GUI)。藉助 API 隨附的封裝庫，開發人員可以使用任何支援 .NET 的開發環境，如 MATLAB、LabView 和 Python 等。在開發過程中，開發人員可透過 FX3 評估 GUI 輕鬆地讀寫暫存器、擷取資料，並即時繪製結果。

圖 7：EVAL-ADIS-FX3 評估板是 Analog Devices 針對其 IMU 推出的整套硬體和軟體支援套件的一部分。(圖片來源：Analog Devices)

結論

ADAHRS 航空電子解決方案構成不斷發展的 EFIS 的核心。隨著採用 MEMS 技術的高精密度陀螺儀、加速計和磁力計的開發，航空電子系統能夠提供原本只見於大型商用飛機的飛行效能和導航能力。航空電子開發人員可以使用 Analog Devices 的數據採集模組和高度整合的 IMU，設計出更具成本效益且更小的解決方案，來滿足飛行系統對功能、安全和可靠性的嚴格要求。