机载导航是指在飞行过程中用于确定飞机位置和航线的技术和工艺。

有效的导航可确保飞机安全高效地到达目的地。以下是机载导航涉及的一些关键组件和方法:惯性导航系统(INS)、全球导航卫星系统(GNSS)等。

SBG Systems 有一种创新文化,因此,当提出进行一次高强度飞行以评估我们的Ellipse 和Quanta Micro 在实际条件下的性能时,我们没有丝毫犹豫。

这些测试需要时间和资源,但结果是值得的。非常感谢阿帕奇航空在此项目中提供的帮助。

惯性导航系统(INS)在为机载导航应用提供精确定位和导航信息方面发挥着至关重要的作用。

我们对它们进行了实际测试,以评估其可靠性。

 

机载导航测试报告
一架索卡塔 TB30 作为我们的测试机

 

机载导航的一次特殊测试活动

除了进行航空航天试验所涉及的复杂执行工作(法规、狭窄空间等)外,这些试验还特别出类拔萃,因为它们为我们解答了一些 INS 制造商很少有机会在实际条件下进行测试的问题。

我们最初的目标是丰富我们的测试数据库,重点是不断改进我们的算法。许多测试通常是在 "2D "环境下进行的(如汽车、船只),而 "3D "测试则相对较少。

航空航天应用领域的客户很少提供数据,因为这些数据通常是保密的。

我们要解决的另一个问题是验证我们的算法在极端动态条件下的稳健性,包括超过 4g 的大幅振动和加速度。

此外,这使我们能够评估我们的设备在具有挑战性的 GNSS 环境中的性能,在这种环境中,由于方向的突然改变,甚至飞机的完全倒转(倒着飞行),信号会受到严重阻塞。

 

这些飞行还使我们能够测试所有可能的方向,其中一些方向会产生 "万向节锁定 "效应,当俯仰角接近 90°时,这种效应通常会给某些导航算法带来困难。

虽然我们设计的算法可以使用四元数来处理这个问题,但在这种情况下,这些算法很少受到挑战。

最后,除了稳健性和功能性方面,我们还想验证在这些极端条件下能否保持导航性能。

值得注意的是,这些测试都是盲测。

出于安全考虑,很难甚至不可能将笔记本电脑带上飞机。由于涉及到所有传感器,在开始飞行测试之前,必须对一切进行配置和反复检查。

试验平台必须能够完全自主地进行数据记录,并且需要一个容量足够大的电池来完成整个准备和飞行过程。所有这些都必须在非常小的尺寸内集成。

 

设置和飞行计划

为了全面评估 INS 设备的性能,我们安排了两次飞行,每次飞行都代表了空中导航作业中遇到的不同情况:

  • 典型的飞行,包括较低的动态机动和直线水平飞行状态
  • 特技飞行,以多种方向和加速度刺激设备

这使我们能够检查产品在常规和挑战性条件下是否都能提供规定的实时性能水平。

测试了两种产品:Ellipse-D 和 Quanta Micro.经过后处理的Apogee-D (前向+后向处理的紧密耦合 PPK)作为本次评估的参考。它们都做得很好,实际上比SBG Systems' 工作人员做得更好。

 

飞行 1:典型飞行剖面图

第 1 次飞行的主要重点是评估设备在典型飞行情况下的性能,包括较低的动态机动和直线水平飞行条件。

这次飞行为比较提供了基线,并评估了 INS 设备在正常飞行操作中的准确性和稳定性。

这次飞行中收集的数据有助于为评估它们在更具挑战性的空中导航条件下的性能建立基准。

INS 机载导航测试报告
机载导航数据

 

飞行计划由series 等数字组成,如爬升、标准转弯和急转弯、浅滩、phugoid、加速和减速、俯仰和俯仰......

 

飞行 2:特技飞行动作

在飞行 2 中,INS 设备要进行series 的特技飞行,以测试其在极端方向和加速度下的能力。特技飞行的特点是快速而剧烈的运动,这给机载导航系统带来了巨大的挑战。

通过模拟这些苛刻的条件,我们可以评估 INS 设备在精确定位至关重要的实际场景中的稳健性和准确性。

INS 机载导航数据
INS 机载导航数据

飞行计划包括series 爬升、标准转弯和急转弯、霍尔姆斜角、phugoid、副翼翻滚、桶式翻滚、4 点翻滚、immelmann、s-turn、加速和减速、向上和向下俯仰......等数据。

测试中的设备

选择用于评估的两个 INS 设备是Ellipse-D 和Quanta Micro 。Ekinox Micro 也通过代理进行了评估。 Quanta Micro.

硬件代码 硬件修订 序列号 固件版本
EUT#1 ELLIPSE-D-G4A3-B1 3.3.00 000043763 2.5.169 稳定版
EUT#2 QUANTA-USG 1.1.0.0 000042492 4.2.228-beta
由代理人评估 Ekinox Micro 0.1 000046860 5.0.1945-beta

 

虽然 EkinoxMicro 本测试不包括硬件、 它是Quanta Micro 的一个坚固版本,性能与 完全 相同. 因此,本测试的结果完全适用于 EkinoxMicro.

 

惯性系统Quanta Micro
安装在飞机尾部的测试平台
飞机上的惯性导航系统
惯性导航系统 GNSS

参考单位

Apogee-D Qinertia PPK(具有前向 + 后向处理功能的紧密耦合 PPK)作为测试基准。

测试结果

首次测试:典型飞行

 

 

 

 

 

第二次测试:特技飞行

 

单天线与双天线

下图显示了Quanta Micro 单天线与次优双天线设置(采用不同类型的天线)的实时性能对比。

开始飞行时是一条长达 7 分钟以上的低动态直线,之前没有任何高动态机动。虽然这完全符合最佳条件,但单天线设置运行正常,误差较大。

这种情况显然是双天线设置的优势所在,即使在低动态条件下也能进行精确测量。

如果从误差分析中排除这条初始直线,我们可以看到单天线性能等同于双天线性能。

 

结果分析

Ellipse-D 结果与规格的比较

测量 目标值(有效值) 典型飞行中的实现值(有效值) 杂技表演中达到的数值(RMS) 状态 - 基于典型飞行
水平位置 1.2 m 0.574 m 0.647 m
好的
海拔高度 1.5 m 1.012 m 1.050 m
好的
卷轴 0.1° 0.041 ° 0.064 °
好的
间距 0.1° 0.041 ° 0.043 °
好的
这顶帽子 0.2°(基线 > 2 米) 0.147 ° 0.127 °
好的

 

另外,测试中使用的Ellipse-D 性能出众,超出预期。

我们的所有 IMU 都达到了规定的性能要求,有些甚至超过了规定的性能要求。Ellipse-D 就是这种优异性能的突出代表,因此获得了 "史上最佳Ellipse "的称号,并在我们的货架上占据了特殊的位置。

 

Quanta Micro /Ekinox Micro 结果与规格的比较

测量 目标值(有效值) 典型飞行中的实现值(有效值) 杂技表演中达到的数值(RMS) 状态 - 基于典型飞行
水平位置 1.2 m 0.688 m 0.689 m
好的
海拔高度 1.5 m 1.204 m 1.049 m
好的
卷轴 0.03° 0.023 ° 0.049 °
好的
间距 0.03° 0.027 ° 0.036 °
好的
这顶帽子 0.1° 0.109 ° 0.146 °
好的

 

结论

在典型的飞行测试中,Ellipse-D 和Quanta Micro /Ekinox Micro 在实时单点条件下均超过了其规格要求。

特技飞行测试还显示,Ellipse-D 和Quanta Micro /Ekinox Micro 性能卓越,没有出现任何误差,与通常适用于正常飞行条件的规定值非常接近。

这些测试突出表明,SBG 的 INS 是单点条件下高度可靠和精确的机载导航应用工具。

它们始终保持出色的性能,确保在具有挑战性的情况下仍能保持可靠性。