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 yra mažesnis. Jo elektronika, galima sakyti, dar tankiau sugromuota. GPS modulis yra tos pačios kartos. Skirtumas — steko architektūra: 1S dronas naudoja atskiras FC ir ESC plokštes, o Pavo20 turi sanglaudžiai integruotą steką, kuriame VTX, FC ir ESC — viena kompaktiška plokštė.

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 feritinių karoliukų ant GPS maitinimo linijos ir 100 µF kondensatorių prie modulio maitinimo kontaktų. Tai standartinis žemo dažnio triukšmo 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.

Be to: vaizdo siųstuvai 5,8 GHz gali generuoti subharmonikas ir maišymo produktus. 5,8 GHz VTX ties 200 mW gali gaminti energiją ties 5800/4 = 1450 MHz — tiesiai GPS juostoje. VTX matavimas patvirtino, kad jį pašalinus triukšmas nepagerėjo — tai rodo, kad BEC yra pagrindinis 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. Feritiniai karoliukai ant GPS maitinimo

Feritiniai karoliukai ant VCC ir GND laidų į GPS modulį. 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.

Trukdžiai turi bent du komponentus:

1. Spinduliuojamas RF iš 5V BEC — integruotos FC/ESC plokštės perjungimo reguliatorius, veikiantis keliais MHz, su harmonikais ir smaigaliais, besiskleidžiančiais į GHz diapazoną. Tai pagrindinis šaltinis: buvo matomas net pašalinus VTX ir nesukant variklių.
2. VTX subharmonikos — 5,8 GHz siųstuvas gali gaminti smaigalius ties 5800/4 = 1450 MHz. Pasirodė, kad tai nereikšmingas veiksnys: visiškai pašalinus VTX triukšmo profilyje nebuvo jokio išmatuojamo skirtumo.

Feritiniai karoliukai veikia tik laidiniam triukšmui maitinimo linijoje — jie neturi jokio poveikio BEC spinduliuojamam RF. Fizinis atstumas tarp GPS modulio ir BEC yra vienintelis metodas, iš tikrųjų sprendžiantis 1 komponentą.

GPS modulis, naudojamas Pavo20, yra standartinis M8N/M10 variantas miniatiūrizuotame SMD pakete — virš RF LNA nėra ekrano dangtelio. Tai įprasta burbulinio GPS drono klasės dronams; prielaida, kad skrendant lauke pakanka dangaus matymo, kad būtų įveiktas pablogėjęs SNR.

Ši prielaida veikia kai kuriose skrydžio aplinkose ir visiškai neveikia kitose.

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.

Kiti žingsniai

Atnaujinsiu šį straipsnį eksperimentams progresuojant. Jei išsprendėte tai panašiame integruoto steko burbuliniam dronui, norėčiau išgirsti.