Unter Flugnavigation versteht man die Techniken und Technologien, die verwendet werden, um die Position und den Kurs eines Flugzeugs während des Fluges zu bestimmen. Eine effektive Navigation stellt sicher, dass ein Flugzeug sein Ziel sicher und effizient erreicht. Hier sind einige Schlüsselkomponenten und -methoden, die in der Flugnavigation verwendet werden: Inertial Navigation Systems (INS), Global Navigation Satellite Systems (GNSS) usw. Wir haben einen vollständigen Flugtest für Sie vorbereitet.
Bei SBG Systems herrscht eine Innovationskultur. Als die Idee für einen intensiven Flug zur Bewertung der Leistung unserer Ellipse und Quanta Micro unter realen Bedingungen aufkam, gab es kein Zögern. Es kostete Zeit und Ressourcen, diese Tests zu realisieren, aber das Ergebnis war es wert. Vielen Dank an Apache Aviation für ihre Hilfe bei diesem Projekt.
Inertial Navigation Systems (INS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung genauer Positions- und Navigationsinformationen für Flugnavigationsanwendungen. Wir haben sie unter realen Bedingungen getestet, um ihre Zuverlässigkeit zu beurteilen.
Eine außergewöhnliche Testkampagne in der Flugnavigation
Zusätzlich zu der komplexen Implementierung, die mit der Durchführung von Luft- und Raumfahrttests verbunden ist (Vorschriften, beengte Platzverhältnisse usw.), sind diese Versuche besonders außergewöhnlich, da sie uns Antworten auf bestimmte Fragen gaben, die nur wenige INS-Hersteller unter realen Bedingungen testen konnten:
- Unser ursprüngliches Ziel war es, unsere Testdatenbank zu erweitern, wobei der Schwerpunkt auf der kontinuierlichen Verbesserung unserer Algorithmen lag. Viele Tests werden typischerweise in einer “2D”-Umgebung durchgeführt (z. B. Autos, Boote), während “3D”-Tests relativ selten sind.
- Kunden mit Luft- und Raumfahrtanwendungen stellen selten Daten zur Verfügung, da diese oft vertraulich sind.
- Eine weitere Frage, die wir beantworten wollten, war die Validierung der Robustheit unserer Algorithmen unter extremen dynamischen Bedingungen, einschließlich erheblicher Vibrationen und Beschleunigungen von mehr als 4g.
- Darüber hinaus konnten wir so die Leistung unserer Geräte in anspruchsvollen GNSS-Umgebungen beurteilen, in denen es aufgrund abrupter Änderungen der Ausrichtung oder sogar vollständiger Flugzeugumkehrungen (Überkopf fliegen) zu erheblichen Signalblockaden kommt.
Gimbal-Lock-Effekt
Diese Flüge ermöglichten es uns auch, alle möglichen Ausrichtungen zu testen, von denen einige einen “Gimbal-Lock”-Effekt hervorrufen, der traditionell für bestimmte Navigationsalgorithmen Schwierigkeiten bereitet, wenn die Neigung sich 90° nähert. Unsere Algorithmen sind zwar so konzipiert, dass sie dieses Problem mithilfe von Quaternionen bewältigen, werden aber unter solchen Bedingungen selten gefordert.
Zusätzlich zu den Aspekten Robustheit und Funktionalität wollten wir überprüfen, ob die Navigationsleistung unter diesen extremen Bedingungen aufrechterhalten werden kann.
Es ist erwähnenswert, dass diese Tests blind durchgeführt wurden.
Aus Sicherheitsgründen ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, einen Laptop an Bord mitzunehmen. Angesichts der vielen beteiligten Sensoren musste alles konfiguriert und doppelt überprüft werden, bevor mit den Flugtests begonnen werden konnte.
Die Testplattform musste für die Datenprotokollierung vollständig autonom sein, und für die gesamte Dauer der Vorbereitungen und Flüge war eine Batterie mit ausreichender Kapazität erforderlich. All dies musste auf engstem Raum integriert werden.
Aufbau & Flugplan
Um die Leistung der INS-Geräte umfassend zu beurteilen, wurden zwei Flüge geplant, die jeweils unterschiedliche Szenarien darstellen, die bei Flugnavigationsoperationen auftreten:
- Ein typischer Flug mit geringeren dynamischen Manövern und geraden, ebenen Flugbedingungen
- Ein Kunstflug, um die Geräte in vielen Ausrichtungen und Beschleunigungen zu beanspruchen
- Dies ermöglichte es uns zu überprüfen, ob die Produkte sowohl unter normalen als auch unter schwierigen Bedingungen das spezifizierte Maß an Echtzeitleistung bieten.
Zwei Produkte wurden getestet: Ellipse-D und Quanta Micro. Ein nachbearbeiteter Apogee-D (eng gekoppeltes PPK mit Vorwärts- + Rückwärtsverarbeitung) diente als Referenz für diese Bewertung. Und sie haben alle sehr gut abgeschnitten, viel besser als die Crew von SBG Systems erwartet hatte.
Flug 1: Typisches Flugprofil
Der Hauptfokus von Flug 1 liegt auf der Bewertung der Leistung der Geräte in einem typischen Flugprofil, das Manöver mit geringerer Dynamik und geradlinige Flugbedingungen umfasst.
Dieser Flug bietet eine Grundlage für den Vergleich und bewertet die Genauigkeit und Stabilität der INS-Geräte während des regulären Flugbetriebs.
Die während dieses Fluges gesammelten Daten trugen dazu bei, einen Maßstab für die Bewertung ihrer Leistung unter den anspruchsvolleren Bedingungen der Flugnavigation zu setzen.
Der Flugplan besteht aus einer Reihe von Figuren wie Steigflug, Standard- und Steilkurven, flache Kurven, Phugoid, Beschleunigungen und Verzögerungen, Neigen nach oben und unten …
Flug 2: Kunstflugmanöver
In Flug 2 werden die INS-Geräte einer Reihe von Kunstflugmanövern unterzogen, um ihre Leistungsfähigkeit bei extremen Ausrichtungen und Beschleunigungen zu testen. Kunstflugmanöver, die durch schnelle und aggressive Bewegungen gekennzeichnet sind, stellen erhebliche Herausforderungen für Navigationssysteme in der Flugnavigation dar.
Durch die Simulation dieser anspruchsvollen Bedingungen können wir die Robustheit und Genauigkeit der INS-Geräte in realen Szenarien bewerten, in denen eine präzise Positionierung von entscheidender Bedeutung ist.
Der Flugplan besteht aus einer Reihe von Figuren wie Steigflug, Standard- und Steilkurven, flache Kurven, Phugoid, Querruderrolle, Fassrolle, 4-Punkt-Rolle, Immelmann, S-Kurve, Beschleunigungen und Verzögerungen, Neigen nach oben und unten …
Getestete Geräte
Die beiden für die Bewertung ausgewählten INS-Geräte sind Ellipse-D und Quanta Micro. Ekinox Micro wird stellvertretend durch Quanta Micro ebenfalls bewertet.
| Einheit | Hardware-Code | Hardware-Revision | Seriennummer | Firmware |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| Proxy-bewertet | Ekinox Micro | 0.1 | 000046860 | 5.0.1945-beta |
Obwohl die exakte Ekinox Micro Hardware nicht in diesem Test enthalten war, handelt es sich um eine robuste Version von Quanta Micro, die sich exakt gleich verhält. Daher sind die Ergebnisse dieses Tests vollständig auf Ekinox Micro anwendbar.
Referenzeinheit
Eine Apogee-D-Einheit mit Qinertia PPK (eng gekoppeltes PPK mit Vorwärts- + Rückwärtsverarbeitung) dient als Referenz für den Test.
Testergebnisse
Erster Test: typischer Flug
Zweiter Test: Kunstflug
Einzel- vs. Dualantenne
Die folgende Grafik zeigt die Quanta Micro Echtzeitleistung mit einer einzelnen Antenne im Vergleich zu einer suboptimalen Konfiguration mit zwei Antennen (mit unterschiedlichen Antennentypen).
Der Flug beginnt mit einer geraden Linie mit geringer Dynamik für mehr als 7 Minuten, ohne vorheriges hochdynamisches Manöver. Obwohl dies weit unter optimalen Bedingungen liegt, arbeitet die Konfiguration mit einer einzelnen Antenne ordnungsgemäß, jedoch mit einem höheren Fehler.
Diese Art von Situation ist eindeutig von Vorteil für die Konfiguration mit zwei Antennen, die auch unter Bedingungen mit geringer Dynamik genaue Messungen liefern kann.
Wenn diese anfängliche gerade Linie von der Fehleranalyse ausgeschlossen wird, können wir feststellen, dass die Leistung mit einer einzelnen Antenne der Leistung mit zwei Antennen entspricht.
Ergebnisanalyse
Vergleich der Ellipse-D-Ergebnisse mit den Spezifikationen
| Messung | Zielwert (RMS) | Erreichter Wert, typischer Flug (RMS) | Erreichter Wert, Kunstflug (RMS) | Status, basierend auf typischem Flug |
|---|---|---|---|---|
| Horizontale Position | 1.2 m | 0.574 m | 0.647 m | OK |
| Höhe | 1.5 m | 1.012 m | 1.050 m | OK |
| Rollen | 0.1° | 0.041° | 0.064° | OK |
| Neigung | 0.1° | 0.041° | 0.043° | OK |
| Kurs | 0.2° (Basislinie > 2 m) | 0.147° | 0.127° | OK |
Am Rande sei bemerkt, dass die im Test verwendete Ellipse-D ein außergewöhnliches Leistungsniveau aufwies, das die Erwartungen übertraf.
Während alle unsere IMUs ihre spezifizierte Leistung erfüllen, können einige diese sogar übertreffen. Ellipse-D ist ein Beispiel für eine solch außergewöhnliche Leistung, die ihr den Titel „Beste Ellipse aller Zeiten“ eingebracht hat und einen besonderen Platz in unserem Regal einnimmt.
Vergleich der Ergebnisse von Quanta Micro / Ekinox Micro mit den Spezifikationen
| Messung | Zielwert (RMS) | Erreichter Wert, typischer Flug (RMS) | Erreichter Wert, Kunstflug (RMS) | Status, basierend auf typischem Flug |
|---|---|---|---|---|
| Horizontale Position | 1.2 m | 0.688 m | 0.689 m | OK |
| Höhe | 1.5 m | 1.204 m | 1.049 m | OK |
| Rollen | 0.03° | 0.023° | 0.049° | OK |
| Neigung | 0.03° | 0.027° | 0.036° | OK |
| Kurs | 0.1° | 0.109° | 0.146° | OK |
Fazit
Während des typischen Flugtests haben sowohl Ellipse-D als auch Quanta Micro / Ekinox Micro ihre Spezifikationen unter Echtzeit-Einzelpunktbedingungen übertroffen. Der Kunstflugtest ergab außerdem, dass Ellipse-D und Quanta Micro / Ekinox Micro eine außergewöhnliche Leistung erbracht haben, keine Fehler aufwiesen und eng mit den spezifizierten Werten übereinstimmten, die normalerweise für normale Flugbedingungen gelten.
Diese Tests zeigen, dass die INS von SBG äußerst zuverlässige und genaue Werkzeuge für Flugnavigationsanwendungen unter Einzelpunktbedingungen sind. Sie liefern konstant eine hervorragende Leistung und gewährleisten Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Szenarien.