精密部品で信頼性の高い航空機ナビゲーションシステムをコスト効率よく実装する方法

高度なエアデータ姿勢方位基準システム（ADAHRS）ソリューションを開発することは、有人および無人航空機システムの正確な航行と安全を確保するために極めて重要です。開発者は堅牢で信頼性の高いADAHRS設計を作成するために、センサ精度、環境耐性、システム統合など、アビオニクスナビゲーションシステム設計における複数の課題に対処できるコンポーネントを必要としています。

この記事では、Analog Devicesの高精度データ収集モジュールと慣性計測ユニット（IMU）によってどのようにこれらの課題に対処し、効果的なADAHRSソリューションの開発を簡素化できるかを説明します。

高度なセンサベースのシステムで構築される航空安全

正確な飛行性能情報の入手は、無人航空システム（UAS）から大型ジェット旅客機まで、あらゆる航空分野の安全にとって不可欠です。航空機の空力性能の向上に合わせて、アビオニクスシステムの機能も、磁気コンパス、機械式ジャイロスコープ、真空駆動式飛行計器に基づくパイロットの伝統的な「6パック」飛行計器から、ますます洗練されたグラフィカル表示の電子飛行計器システム（EFIS）「グラスコックピット」へと進化してきました。

EFISの基礎となるADAHRSは、米国の全地球測位システム（GPS）やGPSに関連する地上ベースの広域増強システム（WAAS）などの長距離全地球航法衛星システム（GNSS）による航法支援を補完するために必要な、エアデータコンピュータと姿勢方位参照システム（AHRS）の機能を統合しています。エアデータコンピュータは、気圧測定と外気温度を使用して、高度と垂直速度、対気速度、対地速度を計算します。ADAHRSは、慣性航法におけるデッドレコニングに必要な航空機姿勢（ピッチ、ロール、ヨー）と機首方位データを提供するために、角速度の変化をジャイロスコープ、直線速度の変化を加速度計、機首磁方位を磁力計という組み合わせに依存しています。センサ技術の進歩により、これらの重要なセンサの性質が劇的に変わりました。

かつては、複雑な光ファイバジャイロスコープやリングレーザージャイロスコープが、航空用に十分な精度を提供できる数少ない利用可能な技術でした。今日、高度なマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）が利用できるようになったことで、開発者は多様な航空プラットフォームの要件を満たす技術を手に入れることができます（図1）。

図1：ハイエンドのMEMSジャイロスコープは、電子アビオニクスシステムに適した独自の特性を備えています。（画像提供：Analog Devices）

ジャイロスコープ、加速度計、磁力計に加え、ADAHRSの機能も、外気温度と気圧を報告するセンサからの信頼できるデータストリームに依存しています。その他の圧力センサ、力センサ、位置センサは、飛行面、着陸装置、前輪ステアリングの位置と荷重に関するデータを提供します。追加のセンサは、エンジン情報システムに必要なエンジン性能と燃料に関する重要なデータを提供するだけでなく、キャビンの温度、圧力、酸素レベルも提供します。

Analog Devicesの高性能センサデータ収集モジュールとMEMS IMUの組み合わせにより、航空飛行システムのあらゆる範囲に適用できる信頼性、精度、サイズ、コスト特性を備えたアビオニクスソリューションを提供するために必要な重要なコンポーネントが提供されます。

センサデータ収集モジュールとIMUを最新アビオニクスに適用

高性能データ収集モジュールは、あらゆる飛行プラットフォームに搭載された多種多様なセンサからデータを取得するために、各センサモダリティや機能要件に対応したさまざまな性能を提供します。Analog Devicesの高精度シグナルチェーンµModuleソリューションは、シグナルコンディショニングブロックやA/Dコンバータ（ADC）などの一般的な信号処理サブシステムを小型のシステムインパッケージ（SIP）デバイスに統合することで、困難な設計課題を解決します。また、μModuleは、Analog DevicesのiPassive®技術を使用して構築された、優れたマッチング特性とドリフト特性を備えた重要な受動部品を内蔵しています。これにより、温度依存性の誤差源を最小限に抑え、熱の課題を軽減しながら較正を簡素化します。ソリューションのフットプリントが大幅に縮小されるため、温度と時間に対する精度と安定性を必要とするスケーラブルな航空機器向けに、より多くのチャンネル/機能を追加することができます。μModuleは、シグナルチェーンの部品表（BOM）を簡素化し、外部回路に対する性能感度を低減し、設計サイクルを短縮することで、総所有コストを削減します。

Analog DevicesのADAQ4003およびADAQ23878 μModuleは、要求の厳しいデータ収集要件を満たすように設計されており、0.005%精度の整合抵抗アレイを備えた完全差動ADCドライバアンプ（FDA、図2）、安定した基準バッファ、18ビット逐次比較レジスタ（SAR）ADCを内蔵し、それぞれ2メガサンプル/秒（MSPS）および15MSPSの性能を実現します。

開発者は、ADAQ4003のようなμModuleデータ収集デバイスと、Analog DevicesのLTC6373のような完全差動プログラム可能ゲイン計装アンプ（PGIA）を組み合わせることで、航空システムの複雑なセンシング要件の多くに対してシンプルなソリューションを実装できます。

図2：開発者は、LTC6373完全差動PGIAとADAQ4003 μModuleデータ収集システムを組み合わせることで、多くの航空センシング要件を効率的に満たすことができます。（画像提供：Analog Devices）

前述のように、MEMSベースのセンサは、ADAHRSの機能に必要な重要なデータを提供するための効果的なソリューションです。Analog DevicesのADIS16505高精度小型MEMS IMUやADIS16495戦術グレード慣性センサのような6自由度のIMUは、MEMS 3軸ジャイロスコープと3軸加速度計を温度センサやその他の機能ブロックと統合することにより、アビオニクスシステムサブシステムの開発を簡素化するために必要な機能一式を提供します（図3）。

図3：ADIS16505 IMUとADIS16495 IMU（ここに図示）は、コントローラ、較正、信号処理、セルフテストブロックとセンサを統合し、ADAHRSのような電子計測システムの基礎となるアビオニクスシステムに完全なソリューションを提供します。（画像提供：Analog Devices）

これらのシステムをADAHRSと組み合わせることで、衛星や地上ベースのナビゲーション補助装置がなくても、希望の目的地まで必要な方位を提供可能な慣性航法システムの重要なコンポーネントを提供することができます。MEMSベースのデバイスは、他の製造デバイスと同様に、計算されたナビゲーションの精度を低下させる可能性のあるさまざまな性能制限の影響を受けます。たとえば、製造上避けられないばらつき、内部のノイズ源、環境の影響により、MEMSジャイロスコープの精度は制限されます。

メーカーは、多くのデータシートのパラメータ仕様において、これらのばらつきが性能に及ぼす影響を示しています。これらの仕様のうち、感度、非線形性、バイアスのパラメータはADAHRSの精度に直接影響する可能性があります。ジャイロスコープの場合、感度（角速度測定の分解能）に限界があるため、旋回時に方位誤差（Ψ）や位置誤差（d_e）が生じたり（図4左）、非線形応答（理想的な線形応答からのずれ）によってS字旋回などの一連の操縦で同様の誤差が生じたり（図4中）、ジャイロスコープのバイアスによって巡航時（加速のない水平直線飛行）でも方位や位置のドリフトが生じたりする可能性があります（図4右）。

図4：ジャイロスコープの感度制限、非線形性、バイアスにより、旋回中（左）、S字旋回中（中央）、巡航中（右）に方位誤差（Ψ）や位置誤差（d_e）が蓄積する可能性があります。（画像提供：Analog Devices）

バイアス誤差は、各ジャイロスコープ軸とその他の軸またはパッケージとのミスアライメント、スケーリング誤差および、MEMS製造における非対称性によってジャイロスコープが直線加速度に対して回転として不正確に応答することから生じます。Analog DevicesのADIS16505 IMUおよびADIS16495 IMUでは、複数の回転速度と温度でテストすることにより、各デバイス固有のバイアス補正係数を決定しています。これらの部品固有のバイアス補正係数は、各部品の内部フラッシュメモリに保存され、センサ信号処理中に適用されます。

修正可能なバイアス要因に加え、さまざまなソースからのランダムノイズが、時間の経過とともにバイアス誤差に影響を与えます。このランダムノイズを直接補正することはできませんが、積分時間を長くしてサンプリングすることで、その影響を軽減できます。サンプリング時間を長くすることでどの程度ノイズが減少するかは、ジャイロスコープのデータシートのアラン偏差（またはアラン分散）プロットに記載されています。これには、積分周期（τ）に対する度毎時（°/hr）のノイズが表示されます（図5）。

図5：ADIS16495 IMU（左）とADIS16505 IMU（右）のMEMSジャイロスコープのアラン偏差プロットは、ランダムドリフトを補正する拡張サンプリング時間の能力を示しています。（画像提供：Analog Devices）

アラン偏差プロットの最小値は、時間経過に伴うジャイロスコープのドリフトの最高条件を表します。これは、データシートの仕様では、平均値と1つの標準偏差の和で通常指定される動作中のバイアス安定性（IRBS）と呼ばれるパラメータです。高精度のADAHRSソリューションを作成する開発者にとって、IMUのIRBSは、その部品で可能な最高条件の性能を理解するために不可欠なパラメータを提供します。ジャイロスコープの専門家は、Analog DevicesのADIS16495のようなIMUを、ジャイロスコープのIRBS値が0.5°～5.0°/hrの場合に「戦術グレード」と分類しています。

ADIS16495は、さらに要求の厳しい戦術的アプリケーションに対応するため、複数の重要パラメータにわたる厳密な仕様を特長としています。ADIS16495は、その強化された性能を支援するために、1組のMEMSジャイロスコープと、3つの軸のそれぞれについて専用の4100Hzサンプリングシグナルチェーンを統合しています（図6）。

図6：ADIS16495戦術グレードIMUは、専用のシグナルチェーンで1組のMEMSジャイロスコープからの出力を平均化することにより、ジャイロスコープの精度とドリフト性能を向上させます。（画像提供：Analog Devices）

各シグナルチェーンからのサンプルは、4250Hzのサンプル周波数（f_SM）を使用して組み合わされ、ノイズの影響を低減した角速度測定が提供されます。このサンプリング方式をより厳しい性能仕様と組み合わせることで、より厳しいアビオニクス要件を満たすことができるIMUが実現します。

IMUベースの設計の迅速な開発と探求

Analog Devicesは、自社のIMUに基づいて設計の開発期間を短縮するために、包括的な開発ツールセットを提供しています。EVAL-ADIS-FX3 IMU評価ボード（図7）と関連ブレイクアウトボードをサポートするように設計されたAnalog DevicesのFX3ソフトウェアスタックは、ファームウェアパッケージ、.NET互換のアプリケーションプログラミングインターフェース（API）、グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）で構成されています。APIとともに提供されるラッパーライブラリにより、開発者はMATLAB、LabVIEW、Pythonなど、.NETをサポートするあらゆる開発環境で作業できます。開発中は、FX3の評価GUIにより、レジスタの読み書きを簡単に行い、データを取得し、結果をリアルタイムでプロットすることができます。

図7：EVAL-ADIS-FX3評価ボードは、Analog DevicesのIMUの使用を支援する包括的なハードウェアおよびソフトウェアサポートパッケージの一部です。（画像提供：Analog Devices）

まとめ

ADAHRSのアビオニクスソリューションは、進化するEFISの中核を形成しています。MEMS技術に基づく高精度のジャイロスコープ、加速度計、磁力計が開発されたため、アビオニクスシステムは、商用航空機の最大規模のフリート以外には手が届かなかった飛行性能とナビゲーション機能を提供できるようになりました。アビオニクス開発者はAnalog Devicesのデータ収集モジュールと高度に統合されたIMUを使用することで、航空システムの機能性、安全性、信頼性に対する厳しい要件を満たす、よりコスト効率の高い小型ソリューションを設計することができます。