Pavo20 Pro II GPS Taisymo Bandymai: BEC Perjungimo Triukšmas 1575 MHz ir Kas Iš Tikrųjų Padėjo

Pavo20 Pro II yra gabus 2,5 colio burbulinis dronas — kompaktiškas, galingas, su gera kamera ir nustebinančiai stabiliu vaizdo ryšiu net su tiesinėmis antena-plaktukinėmis antenomis. Norėjau jo kaip kalnų kelionių drono: tilptų į švarko kišenę, nertų tarpekliais ir turėtų GPS gelbėjimą kaip tikrą saugos tinklą. GPS modulis neįtrauktas komplekte — pridėjau pats, sulitavau ir sukonfigūravau. Tada prasidėjo problemos.

Praktiškai GPS beveik nenaudingas daugelyje skrydžio aplinkų: stebiu, kaip palydovų skaičius sustoja ties 2 ar 3, o kitas dronas tame pačiame lauke, tuo pačiu metu, prisijungia prie 20+. Tai istorija apie tai, ką radau ir kur esu dabar.

Simptomas

Pirmas tos dienos skrydis. Laukas atviras, dangus giedras, pastatų nėra. Įjungiu abu dronus ir laukiu:

1S dronas taip pat naudoja integruotą FC/ESC/VTX plokštę — BetaFPV Matrix 3-in-1, tą pačią plokštę, kuri naudojama Meteor serijos dronuose. Jis nėra mažiau integruotas nei Pavo20. Skiriasi tai, kad jis veikia su vienu 18650 elementu, todėl BEC mažina įtampą nuo 3,7V, o ne iš kelių elementų akumuliatoriaus. Kitoks BEC darbinis taškas, kitoks harmonikų profilis, kitoks triukšmo lygis GPS juostoje.

Burbulinio drono korpuse beveik nėra vietos tarp papildomai pritvirtinto GPS modulio ir visko, kas generuoja triukšmą.

Pirmas žvilgsnis: fizinė sąranka

Prieš imantis spektro analizatoriaus, atlikau akivaizdžius patikrinimus.

GPS modulis montuojamas ant O4 Pro kameros viršaus — keraminis plytelės antenas turi turėti laisvą, nekliudomą dangaus vaizdą, todėl tai vienintelė praktiškai tinkama pozicija šiame rėme. Po kamera yra integruota FC/ESC/VTX plokštė. GPS LNA pakyla virš steko, bet ne pakankamai — BEC artimojo lauko spinduliavimas siekia toliau nei kameros aukštis teikia.

Pridėjau feritinį karoliuką ant GPS VCC linijos ir 1 µF bei 0,1 µF SMD kondensatorius lygiagrečiai prie modulio maitinimo kontaktų. Tai standartinis laidiniam žemo dažnio triukšmui skirtas sprendimas. Jis nepadarė jokio išmatuojamo poveikio palydovų skaičiui.

Spektro analizė — 1S dronas vs Pavo20

Laikas iš tikrųjų išmatuoti triukšmo lygį ten, kur veikia GPS. GPS L1 juosta yra 1575,42 MHz. Konsteliacijos signalai, pasiekiantys anteną, yra nepaprastai silpni — paprastai apie −130 dBm. Bet koks vietinis trikdis 1,5–1,6 GHz diapazone juos nustelbia.

Prie kiekvieno drono steko prijungiau TinySA su trumpa vielos antena, dronams maitinamus tik iš baterijos — varikliai nestartavo, sraigtų nebuvo. Norint atskirti FC/ESC steko triukšmą nuo VTX, pradinį Pavo20 matavimą atlikau visiškai pašalinęs VTX.

1S drono matavimas tame pačiame diapazone buvo praktiškai lygus — triukšmas ties baziniu lygiu arba žemiau jo, nieko verto ekrano kopijos. Pavo20 rodo visiškai kitą vaizdą:

Kontrastas ryškus. 1S drono GPS juostoje triukšmo grinda švari, matomas tik laukiamas atmosferinis fonas. Pavo20 rodo padidėjusią triukšmo grindą visame 1,2–1,8 GHz diapazone su keliais aiškiais smaigaliais 1,4–1,6 GHz regione.

Perjungimo harmonikų problema

Pagrindinis triukšmo šaltinis čia yra ne tas, kurį dauguma žmonių įtaria. Dronas gulėjo ant stalo — jokie varikliai nesisuko, sraigtų nebuvo, skrydžio nebuvo. Variklio PWM čia nedalyvavo.

Tikrasis kaltininkas yra 5V BEC (akumuliatoriaus eliminavimo grandinė) integruotoje FC/ESC plokštėje. BEC yra perjungimo reguliatoriai, ir kompaktiškame integruotame steke, kaip Pavo20, jie persijungia keliais MHz. Tai skamba nekenksmingai — keli MHz yra toli nuo 1575 MHz. Tačiau greito krašto perjungimo srovės sukuria harmonines ir intermoduliavimo produktus, spinduliuojamus per plačią spektro juostą. Praktiškai BEC triukšmas bjauriai išsilieja iki kelių GHz, o smaigaliai patenka į neprognozuojamus dažnius, priklausomai nuo konkretaus reguliatoriaus dizaino, PCB išdėstymo ir apkrovos.

GPS moduliui esant virš kameros, kuri pati yra virš FC/ESC steko, LNA vis tiek yra kelių centimetrų atstumu nuo BEC. Ties 1,5 GHz artimojo lauko riba (λ/2π) yra maždaug 3 cm — GPS modulis yra ties ta riba arba jos viduje. Ryšys yra artimojo lauko: jis nekeliaus maitinimo linija — jis tiesiogiai jungiamas iš PCB takelių į GPS LNA.

Taip pat patikrinau VTX kaip kintamąjį: 5,8 GHz siųstuvai gali gaminti subharmonikas ir maišymo produktus plačiame dažnių diapazone. Fiziškai pašalinus VTX iš steko, TinySA triukšmo profilis GPS juostoje nepasikeitė. VTX nėra reikšmingas veiksnys. BEC yra šaltinis.

Tai patvirtinau kitoje aplinkoje — rūsyje, kur aplinkos RF triukšmas mažesnis:

Lauke, GPS antena nukreipta į atvirą dangų, matomas tikrasis GPS signalo kontekstas:

Problema ne ta, kad smaigaliai nustelbia suvestinę GPS juostą — problema ta, kad jie pakelia vietinę triukšmo grindą. Atskiri palydovų signalai, kuriuos GPS modulis turi išskirti atskirai, nepereina tokio triukšmo grindos pakilimo. LNA kovoja su pakelta bazine grinda, o ne švariu dangumi.

Ką išbandžiau

1. Feritinis karoliukas ir dekupliavimo kondensatoriai ant GPS maitinimo

Feritinis karoliukas ant GPS VCC linijos, 1 µF ir 0,1 µF SMD kondensatoriai lygiagrečiai prie modulio maitinimo kontaktų. Veiksmingi laidiniam triukšmui maitinimo linijoje žemesniuose dažniuose. Jokio poveikio BEC spinduliuojamam RF GPS juostoje.

Rezultatas: Palydovų skaičius nepagerėjo.

2. VTX pašalinimas

VTX visiškai pašalintas iš steko — ne tik išjungtas, fiziškai pašalintas. Jei VTX subharmonikos ties 1450 MHz būtų pagrindinis šaltinis, tai turėjo parodyti aiškų pagerėjimą.

Rezultatas: Jokio pagerėjimo. TinySA triukšmo profilis nepasikeitė pašalinus VTX. BEC yra dominuojantis šaltinis, ne VTX.

3. Ekranuotas kabelis ir dekupliavimas ant GPS modulio

Standartinė GPS laido instaliacija pakeista ekranuotu subalansuotu audio kabeliu (4 laidų su pynimo ekranu). Ekranas prijungtas prie FC žemės tik FC gale — modulio galo ekranas paliktas neprijungtas (plūduriuojantis). Vidiniai laidai neša maitinimą (VCC ir GND) bei duomenis (RX/TX). 1 µF ir 0,1 µF kondensatoriai prijungti lygiagrečiai tiesiai ant GPS modulio maitinimo kontaktų.

Rezultatas: Dalinis pagerėjimas. Palydovų skaičius kartais pasiekia 8, vietoj ankstesnio maksimalaus 5. Fiksavimas vis dar nepatikimas ir kartais visiškai nepavyksta. Geriau, bet neišspręsta.

Pagrindinė priežasties vertinimas

Pavo20 Pro II integruoto steko dizainas teikia pirmenybę kompaktiškumui prieš RF izoliaciją. Tai sąmoningas kompromisas 2,5 colio korpusui — tiesiog nėra vietos atskirumui, kuris padarytų skirtumą.

Trukdžių šaltinis yra 5V BEC — integruotos FC/ESC plokštės perjungimo reguliatorius. Jis veikia keliais MHz, tačiau greito krašto perjungimo impulsai sukuria harmonikus ir intermoduliavimo produktus, besiskleidžiančius į GHz diapazoną ir patenkančius į GPS juostą. Tai patvirtinta pašalinus visus kitus kintamuosius: VTX fiziškai pašalintas, varikliai neveikia, tik stekas su baterija — triukšmo profilis nepasikeitė.

Feritiniai karoliukai veikia tik laidiniam triukšmui maitinimo linijoje — BEC spinduliuojamam RF jie neturi jokio poveikio. Fizinis atstumas yra vienintelis svertas, iš tikrųjų turintis reikšmės.

GPS modulis yra standartinis nano M10 su metaliniu ekrano dangteliu virš LNA sekcijos. Tai, kad dangtelis neapsaugo nuo šių trukdžių, yra informatyvu: BEC sujungimas yra pakankamai stiprus, kad prasiskverbtų pro modulio paties RF ekranavimą — patekdamas per maitinimo kontaktus ir tiesiogiai jungiamas į antenos angą kameros viršaus aukštyje. Dangtelis yra suprojektuotas ir sureguliuotas tolimojo lauko izoliacijai; artimojo lauko sujungimas kelių centimetrų atstumu jį apeina.

Kur esu dabar

Vis dar ieškau patikimo triukšmo izoliacijos sprendimo. Ekranuotas kabelis ir dekupliavimas davė dalinį pagerėjimą; BEC artimojo lauko spinduliavimas aiškiai siekia GPS LNA net esant kameros viršaus aukštyje virš steko. Didesnis fizinis atstumas yra vienintelis likęs svertas.

Kas dar liko išbandyti:

• Ilgesnis kabelis iki kojos: GPS modulio išvedimas iki priekinės ar galinės kojos maksimaliai padidina atstumą nuo FC/ESC plokštės. Kameros viršus yra atskaitos taškas — kojų lygio atstumas artimojo lauko slopinimui būtų visiškai kito masto.
• Aktyvus GPS kartojimas: išorinė aktyvi GPS antena su sava LNA, gerai išvesta už orlaivio apvalkalo ribų, prijungta plonu koaksialiniu laidu. Galutinai atsakytų, ar tai artimumu pagrįsta problema. Visiškai per sudėtinga burbuliniams dronams, bet patvirtintų pagrindinę priežastį.

Tuo pačiu metu: ELRS UFL antenos modifikacija

Nesusiję su GPS, bet atlikta tuo pačiu kabelių tvarkymo metu: pridėjau UFL jungtį ELRS imtuvo antenai. Standartinė vidinė antena Pavo20 steke tinkama artimam skrydžiui, bet ne daugiau.

Su UFL modifikacija ir išorine antena ryšys laikėsi stabiliai 1 km atstumu. Ribojantis veiksnys tokiu atstumu buvo baterijos talpa 15 m/s vėjyje — ne radijo ryšys. Ši modifikacija veikė iš pirmo karto ir davė akimirksniui pastebimą rezultatą. Naudingas kontrastas GPS darbui, kuris tokio rezultato nedavė.

Saugos tinklas, kuris iš tikrųjų veikia

GPS gelbėjimas buvo visas tikslas — kalnų dronas, telpa į švarko kišenę, sugrąžina namo tarpeklyje praradus ryšį. Praktiškai jis nė karto nesėkmingai nesuveikė realiomis lauko sąlygomis.

Dėl to jau kelis kartus praradau Pavo20. Aiškiausias atvejis: variklio gedimas skrydžio metu — dronas nukrito maždaug 500 m atstumu. O4 Pro ryšys išliko. Akinėse trumpam pamačiau savo šešėlį ant žolės po krintančiu dronu — to pakako orientuotis prieš nutrūkstant vaizdui. Radau jį su buzeriu. Be ELRS lokalizavimo skriptu ir garsaus buzerio, nė vienas tų dronų nebūtų grįžęs.

GPS gelbėjimas vis dar yra tikslas. ELRS lokalizavimas ir buzeris — atsarginis variantas, kuris iš tikrųjų veikia dabar.

Tinkamo gedimo, buzerio ir lokalizavimo sąranka nusipelno atskiro straipsnio — tikriausiai tada, kai bus ką geresnio pranešti apie patį GPS. Šį straipsnį atnaujinsiu eksperimentams progresuojant.