UBLOX, конфигурация модулей под APM 2.5 и сравнение антенн.

Все описанное говорю для приемника LEA6M, на breakout плате от RCtimer. Но, на моем будущем GPS - LEA7N, как конфигурация(ГЛОНАСС только добавится), так и общие принципы - будут применимы.

1. Антенны.

Стоит вспомнить курс СВЧ, и именно подраздел "Антенны", где нам, сопливым студентам, вдалбливали, с помощью зубодробительно математики - антенна является одним из самых важных элементов приемо-передающей системы, и от правильного выбора и её эксплуатации зависит не только качество работы, но и её надёжность. Несмотря на внешнюю простоту, проектирование антенны требует не меньше сил, труда и инженерной мысли, чем создание даже самого сложного электронного устройства. Рассчитывать и создавать антенну GPS, мы конечно не будем, не из-за "невозможности", а из-за нерациональности трат времени и сил. Хороший квадрофиляр(см картинку), для GPS сделать самостоятельно вполне реально - но выигрыш в условиях полетной платформы это не даст, только лишние трудозатраты, в отличии от изначально хорошего выбора антенны.
Квадрофилярная антенна для GPS(самоделка):

Коммерчески доступные антенны так-же делятся на несколько подклассов:
- Пассивные патч антенны

- Активные патч антенны(на фото антенны Trimble)

- Квадрофилярные антенны(пассивные и активные)

Выбор антенны для летающего дрона - не так тривиален, как может сходу показаться. Да, можно поставить любую - и "как-то" оно работать будет. Откровенно неработающих решений на рынке нет. Но вот - достичь высокой степени точности и наименьшего дрейфа координат - надо в некоторых случаях постараться. Стоит так-же иметь ввиду - антенна собирает на себя весь "шум" в своем рабочем диапазоне(1560-1590МГц). И уменьшение шумов(особливо гармоник на данном диапазоне частот) в данном диапазоне - даст качественную прибавку к скорости acquire и качеству получаемых координат.

Пассивные антенны - просты, нечему ломаться, но уровень усиления у них недостаточен, особенно в сложных условиях(ветки деревьев/пролет под конструкциями и пр). Активные антенны - другая история, качественно исполненный низкошумящий усилитель антенны - это совсем непросто, и китайцы здесь проигрывают. На карбоновой платформе, может(я лично еще не пробовал) - показать хороший результат квадрофиляр, особенно при другой направленности круговой поляризации от видеолинка(допустим видео - "правое" по круговой поляризации, а GPS "левая", таким образом мы существенно снижаем помехи от мощного СВЧ сигнала рядом). Но... Я его еще не пробовал. А вот получив ряд непонятных(сильный "дрейф" координат) результатов - был вынужден изучить рынок антенн, и открыть для себя, эксперементально, существенную разницу между "брендом" и "китаем" в виде сильного различия итоговых результатов, от одинаковых с виду, антенн.

Ремарка*: патч антенны - а именно все, вне зависимости, активная/пассивная, в "голом" виде - ОЧЕНЬ чувствительны к статике. Быть аккуратным, и соблюдать правила антистатического обращения с чувствительными приборами.

Для сравнения - две антенны:

- Китайская "активная", керамический патч 25х25, без подложки. Вскрывал антенну(спаивал экранирующую крышку усилителя) - внутри пустота. Пара СВЧ транзисторов, и все. Спаяно "криво", даже странно что ОНО работает.

- Trimble 66801-00, активная, керамический патч 15х15, без подложки. У антенны другой "хвост" - H.FL, а не U.FL как у китайцев. Т.к. переобжать эти коннекторы нереально - я спаивал экран, и перепаивал целиком патч до антенны на шнурок с U.FL разъемом. И была возможность сравнить внутренности двух антенн, китайца и Trimble - небо и земля - Trimble имеет и встроенный SAW фильтр, и сложный механизм фильтрации питания антенны, и явно вдумчиво спроектированный малошумящий усилитель, пайка очень аккуратна, все сделано на высшем уровне.

У антенны другой "хвост" - H.FL, а не U.FL как у китайцев. Т.к. переобжать эти коннекторы нереально - я спаивал экран с задней части антенной сборки, и перепаивал целиком патч до антенны на шнурок с U.FL разъемом. И была возможность сравнить внутренности двух антенн, китайца и Trimble - небо и земля - Trimble имеет и встроенный SAW фильтр, и сложный механизм фильтрации питания антенны, и явно вдумчиво спроектированный малошумящий усилитель, пайка очень аккуратна, все сделано на высшем уровне.

У UBLOX u-center, есть отличная вещь - "график" девиаций, т.е. отклонений от рассчетной координаты/относительно времени замеров. Очень явно показывает прыжки координат. Ниже сравнение двух антенн на одинаково настроенном, и одинаковом приемнике. Место расположения, и все остальные внешние условия - идентичны(вплоть до сантиметров расположения, и времени измерений).
Найдите разницу :)

Резюмируя: Выбор антенны - для летающих дронов это ответственная процедура, из-за огромного кол-ва электромагнитных помех, и очень плотного расположения электроники на борту, я рекомендую ставить хорошую, активную антенну. Возможно, для коптеров, лучшим выбором окажется хеликс - но.. еще не тестировал.


2. Приемники GPS/ГЛОНАСС/позиционных данных

В предыдущем посте - я дал достаточно обширное(хоть и краткое по сути) сравнение приемников. И в реальной жизни - альтернативы новым UBLOX просто нет. Жду недождусь свой 7N, т.к. в нем и "композит" GPS+ГЛОНАСС есть, и точность повыше(чуть - но все-же повыше). Breakout плата от RCtimer меня полностью устраивает для тестов, хотя и будет переделана впоследствии, с целью вынести GPS и магнетометр повыше от электроники.

3. Yастройки UBLOX NEO-6M для APM 2.5

Я прилагаю свой конфигурационный файл для настройки NEO-6M для работы с APM/AIO pro. Штатный NEO-6M от хоббикинг или рцтаймера будет работать с ними. В принципе конфигурации самого NEO-6M нет ничего сложного, но быстрее и удобнее загрузить готовый файл, через утилиту U-CENTER от UBLOX, чем сидеть и разбираться в настройках. У меня заняло ~4дня полностью изучить и разобраться варианты конфигурации через U-Center, надеюсь кому-то это сможет сэкономить время.

https://sites.google.com/site/uavdroneru/files/NEO-6M%20configuration%20for%20APM2.5%20by%20OLAF.txt

Особенности:
Протокол выбран только UBX(с целью минимизации мусора на порту APM)
Активная антенна включена
NMEA сообщения отключены
Включено Jamming detection, threshold 3dB и CW 16dB, под активную антенну
SBAS выключен
Увеличен интервал опроса, что дает "разгон" и реальные 10ГЦ для данных координат
POLLH, STATUS, VELNED, SOL включены (SOL был добавлен в более поздних ревизиях arducopter, он актуален)
Все навигационные фильтры калмана выставлены в один из пресетов "пешеход", что дает выше точность, и устраняет еще больше "всплесков" и "прыжков" навигационных данных
Включена принудительная 3D фиксация перед включением фильтров.
Режимы питания - отключено энергосбережение, максимальная производительность
Скорость порта - 38400

C данной конфигурацией, и активной антенной Trimble, из окна - я получаю 3D фиксацию, с девиацией в пределах 3метров, что значительно лучше предложенного конфигурационного файла от 3DRobotics.

Есть небольшое заблуждение "сделаем частоту обновления не 10Гц и даже не 5Гц, а 1Гц! И все у меня будет работать стабильно". Это распостраненная ошибка, причем культивируемая на формах. Ublox сборки, и другие производители - используют фильтрацию (Sin|Kalman|прочие), чем меньше время обновления - тем больше фильтр "сглаживает" относительно единицы времени результат координатной привязки. Ни к чему хорошему это не приведет, т.к. резкие перемещения - останутся незаметными, а это прямой путь к катастрофе/крешу.


Заключение:
Используйте хорошую активную антенну, используйте проверенный чипсет.
Как прийдет 7е поколение, я немного его опишу и сравню с предыдущим. Ну а следующей публикацией уже будет видеоантенны, и все связанные с ними сложности, для организации видеолинка.

Немного о GPS приемниках, и сверхкраткое сравнение нескольких моделей.

Начну немного издалека - в Москве, есть небольшая проблема(ну насчет небольшой, это мягко сказанно) - точность GPS приемников недостаточна(!) на высоких широтах. Недостаточно спутников в зоне небосвода, высокие углы наклонения, что ведет к накоплению ошибки за счет большого пути прохождения сигнала сквозь атомосферу. Москва находится в граничной зоне, т.е. еще использовать можно - но реально - точность падает. К примеру, средняя точность PDOP и HDOP для Мск типична ~2.5 и ~1.5 соответственно, в то время как для г.Сочи 1.5 и 0.5, почувствуйте, как говорится, разницу.
ГЛОНАСС - соответственно решает проблему навигации, вообще изначально создаваемый именно для высоких широт, (нужды локальной и северо-атлантической навигации), ну и с последующим глобальным покрытием. Система достаточно грамотно спроектирована, и, на мой неискушенный взгляд, топологически более удобна для высоких широт, в отличии от GPS,  очень интересно, кстати - GPS более новая(!) система чем ГЛОНАСС, последний вообще-то на десяток лет старше, т.к. развивался и строился намного раньше GPS. Правда ориентация сугубо на военные и спец цели - не дали-бы ему такую-же популярность как у GPS, это очевидно.

Спорить о GPS vs ГЛОНАСС бессмыслено, т.к. первый очень давно летает и имеет очень развитую орбитальную групировку, а второй вошел в период взросления, с более чем достаточной орбитальной группировкой(по крайней мере в России), и с точностью чуть выше чем GPS на сравнимых широтах использования(для России).

Перейду к своему рассказу, и сравнению разных GPS приемников:
Приемники которые я пробовал лично, в разных условиях применения:
MTK3329

MTK3339 (в виде модуля, а не breakout платы)

Sirf Star IV в виде Maestro Wireless SiRFstar IV GPS Receiver Module A2035-H

UBLOX NEO-5Q

UBLOX NEO-6M

Я не буду подробно сравнивать софт для настройки, обновления, разные типы модулей, но типовые "баги" я опишу:
Модули МТК:
1) На китайских модулях накосячена схема зарядки встроенного аккумулятора, небольшое ковыряние, и легко добавляется зарядка модуля. Имеет так-же смысл ставить ионистр на питание самого модуля, в таком случае ты не теряешь 3D FIX при смене аккумуляторов дрона/беспилотника/FPV платформы
2) Штатная 15мм антенна - редкое "Г". Замена антенны на 25ММ керамику - дает существенный выигрышь, и существенно меньше "плывут" координаты.
   2.a Замена антенн на активную качественную(! это важно!) даст потенциальный, сильный выигрыш.
3) Достаточно долгий Cold-start от момента собственно старта до 3D фиксации.
4) Есть поддержка 10Гц выборки, и она реально работает. "плаванье" координат сводит все удовольствие на "нет".
Резюмирую: Использовать можно, если есть необходимость в экономии бюджета, и/или, когда не требуется высокая точность. Модуль мне понравился, как general-purpose GPS, очень простая счемотехника включения непосредственно самого модуля, очень простые datasheets, очень легкий софт.

Модуль Sirf Star IV:
1) Достаточно сложный софт для конфигурации
2) Штатная антенна - тоже неудовлетворительна, опять-же замена на 25мм антенну дает преимущество.
3) Быстро стартует
4) Нет поддержки 10Гц выборки. Т.е. реально ты ее можешь включить - но координаты "дублируются", т.е. реальная выборка с чипа - 5Гц.
5) Странный способ сохранения конфигурации, иногда "слетает" в настройки по умолчанию.
Резюмирую: Самый неоднозначный модуль, я, в принципе, не исключаю что я не до конца разобрался с тем, как его конфигурировать, и я полностью забросил его т.к. ковырять невероятно мутный софт для конфигурации и настройки откровенно достало.

Модули UBLOX (5Q; 6M; 7N(едет ко мне..)):
1) На rctimer модулях 6M накосячена пайка резервной батарейки. Требует чтобы была убрана "сопля", иначе батарейка разряжается, и все время происхожит cold-start
2) Модули 5Q сильно устарели, старайтесь не использовать, и смотрите в сторону 7N, тем более, что 7N pin-to-pin совместим с предыдущими поколениями модулей(банально перепаять можно один на другой)
3) ОЧЕНЬ, ОЧЕНЬ хороший софт для настройки, u-center, внятный, понятный, с хорошим GUI, с нормальными конфигурационными вкладками. Из минусов - скудное описание некоторых настроек.
4) Пожалуй самая высокая точность позиционирования из всего что я доселе видел. Считаю что по приезду 7N, я получу дрифт +- 1-1.5м координат.
5) 6M поддерживает разгон модуля до 10Гц, при этом(в случае выключенного SBAS(что мною рекомендовано) - пропусков координат не должно быть в принципе), 7е поколение поддерживает частоту 10ГЦ нативно
6) Хорошая поддержка антенн, включая активные.
7) На всех модулях - штатные, китайские керамические патч антенны - дрянь. Замена на хорошу антенну(Trimble), дает в некотором роде невроятный выигрышь.
Резюмирую: самый удачный производитель. Высокопроизводительные модули, которые мало того, что легко настроить, так еще и работают предсказуемее всех. ОЧЕНЬ удобный софт для настройки модулей. Вплоть до удобства при мелокосерийной-серийной сборке в использовании софта.


Для всех модулей:
Крайне рекомендуется ставить "Groundplane", очень подробно описано здесь: http://hobby.msdatabase.ru/project-updates/theresultsofoursurvey/ardupilot-gps/studygps , т.е. земляной полигон под антенной. 66мм х 66мм


Заключение:
- UBLOX оставил самое лучшее впечатление. Очень хорошо документированы модули для Hardware design плат под них, очень хороший(и открытый) объем документации по ним.
- Использование ХОРОШИХ(trimble и т.п.) активных антенн - дает существенный выигрышь по точности координат. Китайские "активные" антенны - редкий шлак. Жалею, что не сделал фоток trimble антенны внутри. Там и SAW фильтры, и LNA, и даже линии задержки есть. В китайской-же - пара ВЧ транзисторов, и все.
- Подложка(groundplane), дает еще ~10-15% точности координат. Умнеьшает "дрейф".
- Тратить деньги на дешевые модули - не имеет смысла. Точность дорогих им недоступна, а точности для реальной работы "Position hold" им не хватает категорически. Скупой платит дважды - и здесь это как нигде актуально