정밀 부품으로 신뢰할 수 있는 항공기 항법 시스템을 비용 효율적으로 구현하는 방법

유인/무인 항공 시스템의 정확한 항법과 안전을 보장하려면 정교한 항공 데이터 자세방위기준장치(ADAHRS) 솔루션을 개발해야 합니다. 견고하고 신뢰할 수 있는 ADAHRS 설계를 만들기 위해 개발자는 센서 정확성, 환경 탄력성, 시스템 통합 등 항공 전자 공학 항법 시스템 설계의 여러 과제를 해결할 수 있는 부품이 필요합니다.

이 기사에서는 Analog Devices의 정밀 데이터 취득 모듈과 관성 측정 장치(IMU)로 이러한 문제를 해결하고 효과적인 ADAHRS 솔루션 개발을 간소화하는 방법을 설명합니다.

정교한 센서 기반 시스템으로 구축되는 항공 안전

무인 항공 시스템(UAS)에서 대형 여객기에 이르는 모든 항공 분야의 안전을 보장하려면 정확한 비행 성능 정보를 이용할 수 있어야 합니다. 항공기의 공기역학이 발전하면서, 항공 전자 공학 시스템의 기능은 자기 나침반, 기계식 자이로스코프, 진공 구동식 비행 계측기를 기반으로 하는 파일럿의 전통적인 '식스팩' 비행 계측기에서 점점 더 정교한 그래픽 디스플레이 전자 비행 계측 시스템(EFIS) '글래스 콕핏'으로 진화해 왔습니다.

EFIS의 기반이 되는 ADAHRS는 미국 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 및 GPS와 관련된 지상 기반 광역 증강 시스템(WAAS)과 같은 장거리 위성 항법 시스템(GNSS) 항법 보조 장치를 보완하는 데 필요한 항공 데이터 컴퓨터와 자세방위기준장치(AHRS)의 기능을 통합하고 있습니다. 항공 데이터 컴퓨터는 대기압 측정치와 외기 온도를 사용하여 고도와 상승 속도, 풍속, 지상속도를 계산합니다. ADAHRS는 각속도 변화를 측정하는 자이로스코프, 선형속도 변화를 측정하는 가속도계, 자기 방위를 측정하는 자력계, 이렇게 세 가지 센서 조합으로 관성항법에서 추측항법에 필요한 항공기 자세(피치, 롤, 요) 및 방위 데이터를 제공합니다. 센서 기술이 발전하면서 이러한 중요 센서의 특성도 크게 바뀌었습니다.

과거에는 복잡한 광섬유 또는 링 레이저 자이로스코프가 항공용으로 쓸 수 있을 만큼 정확한 몇 안 되는 기술 중 하나였습니다. 지금은 개발자가 첨단 미세전자기계 시스템(MEMS)을 사용하여 다양한 항공 플랫폼의 요구 사항을 충족할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 하이엔드 MEMS 자이로스코프의 고유한 특성은 항공 전자 공학 시스템에 자주 쓰입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADAHRS 기능은 자이로스코프, 가속도계, 자력계에 더불어 외기 온도와 압력을 측정하는 센서에서 보내는 신뢰할 수 있는 데이터 스트림을 이용합니다. 기타 압력, 힘, 위치 센서는 비행 표면, 착륙 장치 및 전륜 조향 장치의 위치 및 하중 관련 데이터를 제공합니다. 추가 센서는 엔진 정보 시스템에 필요한 엔진 성능 및 연료, 객실 온도, 압력, 산소포화도 등에 대한 필수 데이터를 제공합니다.

Analog Devices의 고성능 센서 데이터 취득 모듈과 MEMS IMU 조합은 개발자에게 모든 항공 비행 시스템에 적용할 수 있는 신뢰성, 정확성, 크기 및 비용 특성을 갖춘 항공 전자 공학 솔루션을 제공하는 데 필요한 핵심 부품을 제공합니다.

현대 항공 전자 공학에 센서 데이터 취득 모듈 및 IMU 적용

모든 비행 플랫폼의 광범위한 센서에서 데이터를 수집할 수 있도록 고성능 데이터 취득 모듈은 각 센서 모드와 기능 요구 사항에 맞는 다양한 성능을 제공합니다. Analog Devices는 정밀 신호 체인 µModule 솔루션을 통해 신호 컨디셔닝 블록, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 비롯한 일반적인 신호 처리 서브 시스템을 콤팩트 시스템 인 패키지(SIP) 장치에 통합하여 까다로운 설계 과제를 해결합니다. 또한 μModules은 온도로 인한 오류 원인을 최소화하고 열 문제를 완화하면서 보정을 간소화하는 Analog Devices iPassive® 기술을 사용하여 구축된 우수한 정합 및 드리프트 특성을 가진 중요한 수동 소자 부품을 통합합니다. 솔루션 실장 면적이 크게 감소되어 온도와 시간에 따라 정밀도와 안정성이 요구되는 확장 가능한 항공 계측기를 위한 채널/기능을 더 많이 추가할 수 있습니다. µModule은 신호 체인 부품 명세서(BOM)를 간소화하고, 외부 회로에 대한 성능 감도를 줄이며, 설계 주기를 단축하여 총소유비용을 절감합니다.

까다로운 데이터 취득 요구 사항을 충족하도록 설계된 Analog Devices의 ADAQ4003 및 ADAQ23878 μModule은 각각 2MSPS 및 15MSPS 성능을 제공할 수 있는 0.005% 정밀 정합 저항기 어레이, 안정적인 레퍼런스 버퍼, 18비트 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC를 갖춘 완전 차동 ADC 구동 증폭기(FDA, 그림 2)를 통합합니다.

개발자는 ADAQ4003과 같은 μModule 데이터 취득 장치를 Analog Devices의 LTC6373과 같은 완전 차동 프로그래밍 가능 이득 계측 증폭기(PGIA)와 결합하여 항공 시스템의 여러 복잡한 감지 요구 사항에 대한 간단한 솔루션을 구현할 수 있습니다.

그림 2: 개발자는 LTC6373 완전 차동 PGIA와 ADAQ4003 μModule 데이터 취득 시스템을 결합하여 많은 항공 감지 요구 사항을 효율적으로 충족할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

앞서 언급한 바와 같이 MEMS 기반 센서는 ADAHRS 기능에 필요한 중요 데이터를 제공하는 데 효과적인 솔루션을 제공합니다. MEMS 3축 자이로스코프 및 3축 가속도계를 온도 센서 및 기타 기능 블록과 통합하여, 6가지 자유도를 가진 IMU(예: Analog Devices의 ADIS16505 정밀 소형 MEMS IMU 및 ADIS16495 전술 등급 관성 센서)는 항공 전자 공학 서브 시스템 개발을 간소화하는 데 필요한 전체 기능 세트를 제공합니다(그림 3).

그림 3: 이 그림에 나타난 ADIS16505 IMU 및 ADIS16495 IMU는 센서를 컨트롤러, 보정, 신호 처리 및 자체 테스트 블록과 통합하여 ADAHRS와 같은 전자 측정 시스템의 기본 항공 전자 공학 시스템을 위한 완벽한 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 시스템을 ADAHRS에 결합하면 위성이나 지상 기반 항법 보조 장치 없이도 원하는 목적지까지 필요한 경로를 안내할 수 있는 관성 항법 시스템의 필수 부품을 제공할 수 있습니다. 제조된 모든 장치와 마찬가지로, MEMS 기반 장치는 컴퓨터 내비게이션의 정확성을 저하시킬 수 있는 다양한 성능 제한 원인의 영향을 받습니다. 예를 들어 제조 과정에서의 불가피한 변수, 내부 잡음원 및 환경적 영향에 따라 MEMS 자이로스코프의 정확성이 제한됩니다.

제조업체는 규격서의 수많은 파라미터 사양에 이러한 변수가 성능에 미치는 영향을 적어놓습니다. 이러한 사양 중 감도, 비선형성, 바이어스 파라미터는 ADAHRS 정확성에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다. 자이로스코프의 경우 제한된 감도(각 속도 측정 분해능)로 인해 회전 중 방위 오류(Ψ)와 위치 오류(d_e)가 발생할 수 있고(그림 4, 왼쪽), 비선형 응답(이상적인 선형 응답에서 벗어남)으로 인해 S턴과 같은 일련의 조작 후 유사한 오류가 발생할 수 있으며(그림 4, 가운데), 자이로스코프 바이어스로 인해 순항(가속 없이 직선 및 수평 비행) 중에도 방향과 위치가 드리프트될 수 있습니다(그림 4, 오른쪽).

그림 4: 자이로스코프 감도 제한, 비선형성 및 바이어스로 인해 회전(왼쪽), S턴(가운데), 순항(오른쪽) 중에 방위 오류(Ψ)와 위치 오류(d_e)가 누적될 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

바이어스 오류는 각 자이로스코프 축이 다른 축 또는 패키지에 대해 잘못 정렬되거나, 스케일링 오류가 있거나, MEMS 제조 과정에서의 비대칭으로 인한 회전으로 각 자이로스코프가 선형 가속도에 잘못 응답할 때 발생합니다. ADIS16505 및 ADIS16495 IMU의 경우 Analog Devices는 다양한 회전 속도와 온도에서 장치를 테스트하여 각 장치의 고유한 바이어스 수정 계수를 결정합니다. 이러한 부품별 바이어스 수정 계수는 각 부품의 내부 플래시 메모리에 저장되어 센서 신호 처리 중에 적용됩니다.

수정 가능한 바이어스 요인 이외에도 시간이 지남에 따라 다양한 원인의 난수 잡음이 바이어스 오류에 영향을 미칩니다. 이 난수 잡음을 직접 보정할 수는 없지만, 긴 통합 시간에 걸쳐 샘플링하면 영향을 줄일 수 있습니다. 샘플링 시간에 따른 잡음 감소 정도는 자이로스코프 규격서의 앨런 편차(또는 앨런 분산) 도표에 나와 있습니다. 이 도표에서는 잡음을 시간당 도수(°/hr)와 통합 기간(τ)으로 비교하여 표시합니다(그림 5).

그림 5: ADIS16495 IMU(왼쪽) 및 ADIS16505 IMU(오른쪽)의 MEMS 자이로스코프에 대한 앨런 편차 도표에서는 난수 드리프트 보정을 위한 연장된 샘플링 시간 기능을 설명합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

앨런 편차 도표의 최소값은 시간에 따른 자이로스코프의 드리프트에 가장 적합한 사례를 나타내며, 일반적으로 규격서 사양에서 평균과 표준 편차의 합으로 지정되는 인런 바이어스 안정성(IRBS)이라는 파라미터입니다. 매우 정확한 ADAHRS 솔루션을 개발하는 개발자에게 IMU의 IRBS는 해당 부품에서 가능한 최상의 성능을 파악하는 데 필수적인 파라미터를 제공합니다. 자이로스코프 전문가는 Analog Devices의 ADIS16495와 같이 자이로스코프의 IRBS 값이 시간당 0.5° ~ 5.0° 사이인 경우 IMU를 '전술 등급'으로 분류합니다.

ADIS16495는 여러 중요 파라미터에 대해 엄격한 사양을 적용하여 까다로운 전술적 응용 분야의 요구를 충족합니다. ADIS16495는 세 축 각각에 대해 전용 4100Hz 샘플링 신호 체인과 MEMS 자이로스코프 쌍을 통합해 향상된 성능을 지원합니다(그림 6).

그림 6: ADIS16495 전술 등급 IMU는 전용 신호 체인으로 MEMS 자이로스코프 쌍의 출력을 평균화하여 자이로스코프 정확성과 드리프트 성능을 개선합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그런 다음 각 신호 체인의 샘플을 별도의 4250Hz 샘플 주파수(f_SM)를 통해 결합하여 잡음 영향을 줄이는 각속도 측정을 제공합니다. 이 샘플링 방법을 더 엄격한 성능 사양과 결합하면 까다로운 항공 전자 공학 요구 사항을 충족할 수 있는 IMU가 됩니다.

IMU 기반 설계의 신속한 개발 및 탐색

IMU 기반 설계를 빠르게 개발할 수 있도록 Analog Devices는 포괄적인 개발 도구 세트를 제공합니다. EVAL-ADIS-FX3 IMU 평가 기판(그림 7) 및 관련 브레이크아웃 기판을 지원하도록 설계된 Analog Devices의 FX3 소프트웨어 스택은 펌웨어 패키지, .NET 호환 응용 프로그래밍 인터페이스(API) 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 구성됩니다. 개발자는 API와 함께 제공되는 래퍼 라이브러리를 통해 MATLAB, LabView 및 Python용 개발 환경을 포함하여 .NET를 지원하는 모든 개발 환경에서 작업할 수 있습니다. 개발 중에 FX3 평가 GUI를 사용하여 레지스터를 쉽게 읽고 쓰고, 데이터를 캡처하고, 결과 도표를 실시간으로 생성할 수 있습니다.

그림 7: EVAL-ADIS-FX3 평가 기판은 Analog Devices의 IMU를 실행하는 데 도움이 되는 포괄적인 하드웨어 및 소프트웨어 지원 패키지의 일부입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

ADAHRS 항공 전자 공학 솔루션은 발전하는 EFIS의 핵심입니다. MEMS 기술을 기반으로 하는 정밀 자이로스코프, 가속도계, 자력계가 개발되면서 항공 전자 공학 시스템은 대형 상업용 항공기를 제외한 모든 항공기를 능가하는 비행 성능 및 항법 기능을 제공할 수 있게 되었습니다. 항공 전자 공학 개발자는 Analog Devices의 데이터 취득 모듈과 고집적 IMU를 사용하여 항공 시스템의 기능, 안전 및 신뢰성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하는 작고 비용 효율적인 솔루션을 설계할 수 있습니다.