航空機ナビゲーションとは、飛行中の航空機の位置と進路を特定するために使用される技術と手法を指します。効果的なナビゲーションは、航空機が目的地に安全かつ効率的に到達することを保証します。航空機ナビゲーションに関わる主要な構成要素と手法には、慣性航法システム (INS) や全球測位衛星システム (GNSS) などがあります。お客様のために、包括的な航空機搭載テストをご用意しました。
SBG Systemsには革新の文化があり、実環境下で当社のEllipseおよびQuanta Microの性能を評価するための過酷な飛行試験のアイデアが具体化された際、ためらいは一切ありませんでした。これらのテストを実施するには時間とリソースを要しましたが、その成果は価値のあるものでした。このプロジェクトにご協力いただいたApache aviationに深く感謝いたします。
慣性航法システム (INS) は、航空機ナビゲーション用途において、正確な測位および航法情報を提供する上で重要な役割を果たします。当社はそれらを実環境下でテストし、その信頼性を評価しました。
航空航法における画期的な試験キャンペーン
航空宇宙試験の実施には複雑な要件（規制や限られたスペースなど）が伴うことに加え、これらの試験は、INS のメーカーのほとんどが実環境下で検証する機会を得られなかった特定の疑問に対する答えをもたらしたという点で、とりわけ特筆すべきものです：
- 当初の目的は、アルゴリズムの継続的な改善に重点を置きながら、テストデータベースを充実させることでした。多くのテストは通常、「2D」環境（自動車や船舶など）で行われていますが、「3D」テストは比較的少ないのが現状です。
- 航空宇宙分野で製品をご利用のお客様からは、機密情報であることが多いことから、データが提供されることはめったにありません。
- 私たちが取り組んだもう一つの課題は、著しい振動や4gを超える加速度といった極端な動的条件下における、我々のアルゴリズムの堅牢性の検証であった。
- さらに、これにより、方位の急激な変化や機体の完全な反転（逆さ飛行）などにより重大な信号遮断が発生する過酷なGNSS環境において、機器の性能を評価することができました。
ジンバルロック現象
また、これらの飛行試験を通じて、考えられるあらゆる姿勢を検証することができました。その中には、ピッチ角が90°に近づいた際に、従来から特定の航法アルゴリズムにとって課題となってきた「ジンバルロック」現象を引き起こすものもありました。当社のアルゴリズムは、クォータニオンを用いてこの問題に対処するように設計されていますが、このような条件下で実際にその能力が試されることはめったにありません。
最後に、堅牢性や機能性の側面に加え、こうした極限条件下でも航法性能を維持できるかどうかを検証することを目指しました。
なお、これらの試験はブラインド方式で実施された点に留意すべきである。
安全上の理由から、ノートパソコンを機内に持ち込むことは、不可能ではないにせよ極めて困難である。使用されるすべてのセンサーについて、飛行試験を開始する前に設定を行い、再確認を行う必要があった。
試験プラットフォームはデータロギングにおいて完全に自律的である必要があり、準備および飛行の全期間を通じて十分な容量を持つバッテリーが求められた。これらすべてを、極めて限られた寸法内に統合しなければならなかった。
セットアップと飛行計画
INS デバイスの性能を包括的に評価するため、航空機による航法運用中に遭遇するさまざまなシナリオをそれぞれ再現する2回の飛行が予定されています：
- ダイナミックな機動が少なく、直線水平飛行状態にある典型的な飛行
- さまざまな姿勢や加速度でデバイスに負荷をかけるための曲芸飛行
- これにより、通常の条件下でも過酷な条件下でも、製品が規定されたレベルのリアルタイム性能を発揮することを確認することができました。
テストされた製品は、Ellipse-DとQuanta Microの2つです。この評価の基準として、後処理されたApogee-D（フォワード＋バックワード処理によるタイト結合PPK）が使用されました。これらはすべて非常に優れた性能を発揮し、SBG Systemsのスタッフの予想をはるかに上回る結果となりました。
フライト1：典型的な飛行プロファイル
第1回飛行試験の主な目的は、低高度での動的な機動や直線水平飛行などの典型的な飛行プロファイルにおいて、各装置の性能を評価することです。
この飛行試験は比較のための基準となり、通常の飛行運用におけるINS 製装置の精度と安定性を評価するものです。
この飛行試験で収集されたデータは、より過酷な空中航法条件下における装置の性能を評価するためのベンチマークを確立するのに役立ちました。
飛行計画は、離陸上昇、標準旋回および急旋回、浅いバンク、プゴイド、加速および減速、ピッチアップおよびピッチダウンといった一連の動作で構成されています……
フライト2：曲技飛行
フライト2では、INS 搭載機に対し、一連の曲技飛行が実施され、極端な姿勢や加速度下における性能が検証されます。急速かつ激しい動きを特徴とする曲技飛行は、空中航法において航法システムに大きな課題をもたらします。
こうした過酷な条件をシミュレーションすることで、正確な測位が不可欠となる実際のシナリオにおいて、INSデバイスの堅牢性と精度を評価できます。
飛行計画は、離陸上昇、標準旋回および急旋回、ホローバンク、フゴイド、エルロンロール、バレルロール、4ポイントロール、イメルマン、S字旋回、加速・減速、ピッチアップ・ピッチダウンといった一連の動作で構成されています……
被試験装置
評価のために選定された2つのINSデバイスは、Ellipse-DとQuanta Microです。Ekinox Microについても、Quanta Microを用いた代替評価が行われています。
| 単位 | ハードウェアコード | ハードウェアのリビジョン | シリアル番号 | ファームウェア |
|---|---|---|---|---|
| EUT#1 | ELLIPSE-D-G4A3-B1 | 3.3.00 | 000043763 | 2.5.169-stable |
| EUT#2 | QUANTA-USG | 1.1.0.0 | 000042492 | 4.2.228-beta |
| 代理人による査定 | Ekinox Micro | 0.1 | 000046860 | 5.0.1945-beta |
今回のテストには実際のEkinox Microのハードウェアは含まれていませんでしたが、Quanta Microの堅牢型バージョンであり、まったく同じ動作をします。したがって、このテストの結果はEkinox Microにも完全に適用されます。
基準ユニット
Qinertia PPKを使用したApogee-Dユニット（フォワード＋バックワード処理によるタイト結合PPK）がテストの基準となります。
試験結果
最初の試験：標準的な飛行
第2回試験：曲技飛行
シングルアンテナとデュアルアンテナの比較
以下のグラフは、最適ではないデュアルアンテナ構成（異なるアンテナタイプを使用）と比較した、シングルアンテナにおけるQuanta Microのリアルタイム性能を示しています。
飛行開始時は、事前に高ダイナミック機動を行わない、7分以上の低ダイナミックな直線飛行となっています。これは最適な条件とは程遠いものですが、シングルアンテナ構成は誤差が増加しつつも、正常に動作しています。
このような状況は、低ダイナミック条件下でも高精度な測定を実現できるデュアルアンテナ構成にとって明らかに有利な条件となります。
この最初の直線部分を誤差解析から除外すると、シングルアンテナの性能はデュアルアンテナの性能と同等であることがわかります。
結果の分析
Ellipse-Dの結果と仕様の比較
| 測定 | 目標値（RMS） | 達成値、標準的な飛行（RMS） | 達成値、アクロバティック飛行（RMS） | 一般的なフライトに基づく状況 |
|---|---|---|---|---|
| 水平位置 | 1.2 m | 0.574 m | 0.647 m | OK |
| 高度 | 1.5 m | 1.012 m | 1.050 m | OK |
| ロール | 0.1° | 0.041° | 0.064° | OK |
| ピッチ | 0.1° | 0.041° | 0.043° | OK |
| 見出し | 0.2°（ベースライン > 2 m） | 0.147° | 0.127° | OK |
余談だが、テストで使用されたEllipse-Dは期待を超える優れた性能を発揮した。
すべてのIMUが指定されたパフォーマンスを満たしている一方で、それをさらに上回るものもあります。Ellipse-Dはそのような卓越したパフォーマンスの一例であり、「これまでのEllipseの中で最高傑作（Best Ellipse Ever）」という称号を獲得し、当社の製品ラインナップにおいて特別な位置を占めています。
Quanta Micro / Ekinox Microの結果と仕様の比較
| 測定 | 目標値（RMS） | 達成値、標準的な飛行（RMS） | 達成値、アクロバティック飛行（RMS） | 一般的なフライトに基づく状況 |
|---|---|---|---|---|
| 水平位置 | 1.2 m | 0.688 m | 0.689 m | OK |
| 高度 | 1.5 m | 1.204 m | 1.049 m | OK |
| ロール | 0.03° | 0.023° | 0.049° | OK |
| ピッチ | 0.03° | 0.027° | 0.036° | OK |
| 見出し | 0.1° | 0.109° | 0.146° | OK |
結論
通常の飛行試験において、Ellipse-DおよびQuanta Micro / Ekinox Microは、リアルタイムの単独測位（シングルポイント）条件で仕様を上回りました。また、アクロバット飛行試験では、Ellipse-DおよびQuanta Micro / Ekinox Microが優れたパフォーマンスを発揮し、誤差が全く見られず、通常飛行条件に適用される仕様値に密接に一致していることが明らかになりました。
これらのテストは、SBGのINSが単独測位条件での空中航法アプリケーションにおいて、非常に信頼性が高く正確なツールであることを強調しています。過酷なシナリオでも一貫して優れたパフォーマンスを発揮し、信頼性を確保します。
