Прикладное руководство по настройке приёмников ГНСС для FPV

Для кого?

Эта статья для энтузиастов, решивших прокачать свои навыки, и новичков, собирающих свой первый дальнолёт. В любом случае, статья предполагает, что читатель знаком с основами дроностроения, умеет паять, знает, что такое режим пит-стопа, Betaflight Configurator, умеет им пользоваться, а также знаком с CLI. Данное руководство можно использовать не только для ФПВ, т. к. настраивается сам приёмник, а передаваемые им данные может использовать любое подходящее устройство.

Зачем?

Даже самопальный дальнолёт-бомжелёт может влететь в копеечку и терять его жаль (особенно, если к нему прикручена какая-нибудь модная RunCam Thumb 2, на которую вы снимаете виды любимой деревеньки), а ещё больше жаль потраченных на сборку времени и сил. Поэтому сегодня почти все серийные long range оснащены недорогими (в масштабе общей стоимости) приёмниками ГНСС, позволяющими быстро и без особых усилий настроить возврат домой, чтобы при потере управления и/или картинки ваш дрон не упал в болото, а вернулся в точку запуска.

Проблема заключается в том, что на заводе приёмники прошиваются по принципу "чтобы работало везде, всегда и у всех" и по моему опыту не всегда они настроены оптимально. Простейший пример – протоколы передачи данных полётному контроллеру. Почти все современные производители используют чипы от швейцарской компании U-blox ^[1], поддерживающие два протокола:

• NMEA ^[2]

• UBX ^[3]

Первый является текстовым протоколом, изначально предназначенным для навигации на море. Второй разработан всё той же U-blox и имеет ряд преимуществ:

• протокол является двусторонним, т. е. с его помощью можно не только получать данные, но и настраивать сам приёмник

• целостность передаваемых данных защищена контрольной суммой

• данные передаются в двоичном, а не текстовом виде, поэтому сообщение равной длины содержит больше данных в сравнении с NMEA, а полоса пропускания используется более эффективно

По умолчанию приёмник настроен на работу с обоими протоколами, в то время как Betaflight одновременно использует только один из них: либо NMEA, либо UBX. Выходит, двойная нагрузка ложится и на приёмник, выдающий лишние пакеты, и на засоряемую ими полосу пропускания, и на получающий эти данные полётник.

Следствием этого (и не только) является длительное ожидание перед взлётом (на заводских настройках мне иногда приходилось ждать 5-10 минут до появления 6 спутников, что является необходимым минимумом для надёжного возврата домой. Если спутников в момент взлёта менее 6, то летать можно, но возврат работать не будет. Продолжительное ожидание, во-первых, бесит, а во-вторых, сажает батарею, сокращая время полёта. В борьбе за быстрый 3D Fix и минимально необходимые 6 спутников что я только не перепробовал: скручивание проводов в косички, их максимальное пространственное разнесение с линией питания и антеннами VTX и управления, экранирование с помощью заземлённой медной фольги, игры с настройками через CLI. Отдельные товарищи вообще советуют приседать и делать "ку" перед взлётом запитывать только приёмник (а другие товарищи на этом зарабатывают ^[4]), чтобы не сажать батарею и дать время на разогрев без шумов от полётника и VTX. Правильная настройки делает всё это ненужным, а ожидание сокращается до 0,5-2 минут.

Матчасть

Начнём со списка необходимого для работы. Прежде всего потребуется сам приёмник, экспериментировать будем с распространёнными и массовыми моделями:

• HGLRC M80 (ГЛОНАСС + GPS) – приёмник т. н. 8-го поколения, т. е. собранный на основе чипа М8 от упомянутой выше U-blox

• HGLRC M100 Mini (ГЛОНАСС + GPS + Галилео + Бейдоу + QZSS) – приёмник 10-го поколения, т. е. на основе чипа М10 того же производителя

Поскольку другие производители (Beitan, JHEMCU, GEPRC, Foxeer и прочие) строят свои решения на основе тех же чипов, данные настройки можно использовать для большинства из них, главное уточните, что лежит в основе вашего приёмника (обычно указывается в описании). Также нам потребуются:

• ПК/ноутбук для установки ПО (u-center ^[5]**)

• плата-переходник для подключения UART-периферии к ПК через USB

• соответственно, переходник MicroUSB/Type-C для подключения платы к компьютеру

Важно понимать, что даже самые правильные настройки не помогут в местах, где сигнал слабый (в глубине помещения, во дворе-колодце, под землёй и т. п.). Даже на чердаке стоящего на возвышенности частного дома сигнал может быть слабым, например, если кровля металлическая. Поэтому во время настройки стоит использовать приложение GPS Test ^[6], которое подскажет, сколько спутников мы можем поймать в данное время и в данном месте.

Несколько примеров

Также важно понимать, что в разное время и в разных местах количество "видимых" спутников плавает, следовательно и время захвата тоже может отличаться от случая к случаю. Приложение полезно в ситуации, когда спутники не ловятся/ловятся очень долго и необходимо понять: дело в обстановке здесь и сейчас или всё же в настройках/подключении.

В качестве платы-переходника использовалось готовое решение на основе TTL-USB преобразователя FT232RL FTDI ^[7]:

Если у вас нет подобного преобразователя, то настройку можно выполнить и с помощью дрона. Для этого необходимо:

• правильно подпаять приёмник к полётнику

• подключить дрон к компьютеру (предварительно установив нужные драйверы)

• запитать дрон (для некоторых моделей питания от USB недостаточно)

• не забыть перевести VTX в режим пит-стопа во избежание перегрева и помех

• в Betaflight Configurator-e переключиться в режим CLI и прописать gpspassthrough, что перенаправит поток данных от приёмника к COM-порту через полётный контроллер

В общем, головной боли и приседаний много, а из плюсов лишь копеечная экономия, так что настраивать будем с помощью переходника.

Пайка

Тут всё просто: смотрим разводку приёмника и переходника и соединяем как обычно: питание к питанию, RX -> TX, TX -> RX:

Обратите внимание на отмеченный желтой рамкой переключатель выходного напряжения, позволяющий выбрать между 3,3 и 5 В. По умолчанию он находится в верхнем положении (5 В), но на всякий случай перепроверьте. Приёмник сможет работать и на 3 вольтах, но на 5 выйдет всяко шустрее.

В итоге получилось вот так:

Теперь подключаемся к компьютеру. Обратите внимание на зелёный светодиод: его моргание означает передачу данных.

Дальше нам потребуется приложение u-center, открыв его в первую очередь рассмотрим области, выделенные красным:

Вверху слева видим две выпадайки: первая отвечает за выбор порта (в моём случае это СОМ6), вторая – за так называемый baud rate. В данной статье я не буду углубляться в определения, будем считать это абстрактной скоростью передачи данных: более высокий уровень означает большую скорость. Если вы подключаетесь впервые и не знаете, какую скорость выбрать, то чуть правее есть иконка с волшебной палочкой – по нажатию приложение выставит уровень самостоятельно.

Когда подключение будет установлено, нажмите F6 (или View > Packet Console). Теперь нам доступен лог полученных сообщений:

Кнопка подключения вверху слева стала зелёной, в правом нижнем углу видим данные о подключенном устройстве (чип 10-го поколения подключен к порту СОМ6 со скоростью 57600). Также мы сразу поймали по одному спутнику ГЛОНАСС и GPS и можем оценить уровень сигнала с каждого из них. На содержимое лога пока не обращайте внимания, на данном этапе нам важен лишь тот факт, что в консоль с постоянной частотой выводятся некие строки, значит всё подключено правильно, приёмник работает, а приложение получает данные.

Настройка

Протокол

Как было сказано выше, Betaflight использует один из двух доступных протоколов и по умолчанию это UBX. Поэтому первое, что мы сделаем, – это очистим полосу пропускания от ненужных сообщений NMEA. Для этого переходим во View > Configuration View, в панели слева выбираем PRT (Ports) и теперь в выпадайках Protocol in/Protocol out оставляем только 0 - UBX для порта UART1. В конце отправляем настройки в память приемника нажатием на кнопку Send:

Многие даже очень качественные руководства по настройке ГНСС (например это ^[8]) советуют сразу же увеличивать скорость передачи данных. Для HGLRC M100 Mini я оставил 57600, и даже в этом случае полоса пропускания используется на 10-15% (это можно проверить с помощью приложения u-center 2), а HGLRC M80 прекрасно работает даже на 9600. По умолчанию для М10 у вас скорее всего будет 38400 или 57600 и этого хватит с головой. Также имейте ввиду, что очень высокие значения вроде 115200 могут иметь побочку в виде потерянных пакетов ^[9], да и не все полётники их поддерживают.

Доступные ГНСС

Далее стоит разобраться с навигационными системами. Делается это с помощью пункта GNSS (GNSS Config). По умолчанию для приёмников на основе М10 у вас будет что-то вроде:

Важное уточнение: если мы хотим включить ГЛОНАСС, то необходимо сперва отключить диапазон В1 для Бэйдоу, в противном случае настройки не сохранятся. Я не знаю, почему не работает связка Бэйдоу-В1 + ГЛОНАСС-L1, если кто в курсе – поделитесь в комментариях. Чтобы заставить эти ГНСС работать вместе нужно Бэйдоу перевести на диапазон В1С ^[10], делается это с помощью View > Generation 9 Configuration View, используемый для настройки приёмников поколения 9 и старше:

Обязательно сохраните настройки в память приёмника (см. нижнюю панель)! Теперь он сможет работать со связкой ГЛОНАСС+GPS+Бэйдоу или ГЛОНАСС+GPS+Галилео.

С М80 всё проще: в моём случае он поддерживает только ГЛОНАСС и GPS, дополнительные настройки в этом пункте ему не нужны.

Питание

Теперь в панели слева выбираем PMS (Power Management Setup). Здесь вместо значения по умолчанию 1 - Balanced выставляем 0 - Full Power:

Это увеличит производительность ценой повышенного энергопотребления, но даже в пределе оно ничтожно в сравнении с потреблением двигателей и полётника. Также помним о том, что чем быстрее мы поймаем спутники, тем меньше заряда уйдёт на холостую работу контроллера и VTX, поэтому подобный размен выгоден в нашей ситуации.

Частота

Переходим к важному пункту RATE (Rates), отвечающему за частоту синхронизации. По умолчанию он обычно равен 1000 мс, т. е. приёмник отправляет данные полётному контроллеру 1 раз в секунду (1 Гц). Здесь выставляем 200 мс, увеличивая частоту синхронизации до 5 Гц, этого как правило хватает, но вы можете попробовать другие значение (2 Гц, 10 Гц и т. п.). Опять же, не забываем про кнопку Send внизу:

Обратите внимание, что с ростом частоты объём передаваемых данных тоже растёт, и вот здесь в некоторых случаях может потребоваться увеличение скорости (baud rate). Значение Navigation Rate менять не нужно!

Сообщения

И вот мы подошли к главному – к настройке сообщений, отдаваемых контроллеру. В панели слева выбираем MSG (Messages) и в выпадайке Message последовательно выбираем 01-35 NAV-SAT и 01-07 NAV-PVT и для каждого настраиваем так, как показано ниже (в конце обязательно нажимаем Send):

Здесь будет немного теории. Основными сообщениями, нужными для правильной работы UBX являются:

Betaflight в разделе документации Message types to enable ^[11] советует включать NAV-PVT, NAV-DOP и NAV-SAT.

Почему же из 4 указанных сообщений включенными остались только 2? В поисках ответа заглянем в исходники Betaflight, а именно в gps.c ^[12]:

typedef enum {
    //...
    MSG_NAV_POSLLH = 0x02,
    MSG_NAV_STATUS = 0x03,
    MSG_NAV_DOP = 0x04,
    MSG_NAV_SOL = 0x06,
    MSG_NAV_PVT = 0x07,
    MSG_NAV_VELNED = 0x12,
    MSG_NAV_SVINFO = 0x30,
    MSG_NAV_SAT = 0x35,
    //...
} ubxProtocolBytes_e;

На первый взгляд, имеет смысл включить всё, что перечислено среди обрабатываемых сообщений. Но при более внимательном прочтении выясняется, что сообщения NAV-PVT уже содержат всё необходимое, а остальное (кроме NAV-SAT) используется с устаревшими приёмниками:

// if NAV-PVT is enabled, we don't need the older nav messages
case UBLOX_MSG_SOL:
  if (gpsData.ubloxM9orAbove) {
    // SOL is deprecated above M8
    gpsData.state_position++;
  } else if (gpsData.ubloxM7orAbove) {
    // use NAV-PVT, so don't use NAV-SOL
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_SOL, 0);
  } else {
    // Only use NAV-SOL below M7
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_SOL, 1);
  }
break;
case UBLOX_MSG_POSLLH:
  if (gpsData.ubloxM7orAbove) {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_POSLLH, 0);
  } else {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_POSLLH, 1);
  }
break;
case UBLOX_MSG_STATUS:
  if (gpsData.ubloxM7orAbove) {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_STATUS, 0);
  } else {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_STATUS, 1);
  }
break;
case UBLOX_MSG_VELNED:
  if (gpsData.ubloxM7orAbove) {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_VELNED, 0);
  } else {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_VELNED, 1);
  }
break;
case UBLOX_MSG_DOP:
  // nav-pvt has what we need and is available M7 and above
  if (gpsData.ubloxM9orAbove) {
    ubloxSetMessageRateValSet(CFG_MSGOUT_UBX_NAV_DOP_UART1, 0);
  } else if (gpsData.ubloxM7orAbove) {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_DOP, 0);
  } else {
    ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_DOP, 1);
  }
break;

Сохранив настройки и открыв лог пакетов, увидим там примерно такой вывод (пустые строки вставлены мной для наглядности):

08:35:05  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:05  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:05  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:05  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:05  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:05  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:05  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:05  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:05  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:05  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'

08:35:06  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:06  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:06  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:06  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:06  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:06  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:06  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:06  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:06  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:06  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'

08:35:07  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:07  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:07  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:07  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:07  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:07  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:07  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:07  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'
08:35:07  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
08:35:07  R -> UBX NAV-SAT,  Size  64,  'Satellite Status and Information'

В течение 1 секунды получаем по 10 пакетов, т. к. включены 2 сообщения, а частота равна 5 Гц. Всё, настройка завершена, давайте теперь сохраним её в энергонезависимую память приёмника. Для этого переходим к пункту CFG (Configuration), выбираем Save current configuration и жмём Send:

Теперь можно отпаивать приёмник и подключать его к дрону.

Если после подключения мы перейдём в CLI и прописав gpspassthrough посмотрим вывод консоли пакетов, то обнаружим в логе небольшие изменения:

??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-SAT,  Size  16,  'Satellite Status and Information'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-SAT,  Size  16,  'Satellite Status and Information'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-PVT,  Size 100,  'Navigation PVT Solution'
??:??:??  R -> UBX NAV-SAT,  Size  16,  'Satellite Status and Information'

Если ранее соотношение между NAV-PVT и NAV-SAT было 1:1, то теперь оно равно примерно 1:5. Причина опять-таки в исходниках:

//...
case UBLOX_SAT_INFO:
  // enable by default, turned off when armed and receiving data to reduce in-flight traffic
  setSatInfoMessageRate(5);
  break;

//...

static void setSatInfoMessageRate(uint8_t divisor)
{
    // enable satInfoMessage at 1:5 of the nav rate if configurator is connected
    if (gpsData.ubloxM9orAbove) {
         ubloxSetMessageRateValSet(CFG_MSGOUT_UBX_NAV_SAT_UART1, divisor);
    } else if (gpsData.ubloxM8orAbove) {
        ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_SAT, divisor);
    } else {
        ubloxSetMessageRate(CLASS_NAV, MSG_NAV_SVINFO, divisor);
    }
}

//...
#ifdef USE_GPS_UBLOX
    // disable Sat Info requests on arming
    if (gpsConfig()->provider == GPS_UBLOX) {
        setSatInfoMessageRate(0);
    }
#endif
    GPS_calculateDistanceFlown(true); // Initialize
}

При включении и до взвода квадрокоптера для NAV-SAT выставляется уровень 5. Обратите внимание: в выражении rate 5 число 5 означает знаменатель, т. е. на NAV-SAT приходится 1/5 сообщений, отправляемых в цикле синхронизации. Кстати, упомянутый выше раздел документации Message types to enable ^[11] советует устанавливать для NAV-SAT уровень 10, что явно не стыкуется с исходным кодом.

Получается, в данном случае действующие настройки определяются не только нами, но и прошивкой. Помните об этом, если настройка выполняется для другого устройства и по возможности сверяйтесь с исходниками/документацией.

На мой взгляд, решение выставить для NAV-SAT уровень 5 (равно как и их отключение после взведения) выглядит странно, ведь перед взлётом нам важно как можно быстрее получить данные обо всех доступных спутниках и обновлять их в полёте, ведь на высоте их будет больше. Подозреваю, что отключение NAV-SAT после взведения продиктовано стремлением облегчить жизнь слабым полётникам. В любом случае, для rate 5 я не заметил разницы в работе приёмников.

Как бы то ни было, об этой особенности Betaflight необходимо помнить.

Итоги

Давайте теперь посмотрим на плоды нашего труда. На видео показана работа чипа М10 с нашими настройками. Даже при холодном пуске мы получили 6 спутников и заветный 3D Fix за 31 секунду!

Для М8 время составляет 1-1,5 минуты.

Ну что же, статья подошла к концу, надеюсь, она была полезной для вас. Пишите свои замечания/дополнения в комментариях. До новых встреч!

* - передача координат в телеметрии поможет вам в том случае, если вы вдруг забудете вставить карту памяти в очки/шлем, забудете включить запись или запись окажется битой (да, и такое бывает даже с хорошими очками вроде Skyzone 02O и хорошими картами памяти вроде Canvas от Kingston). С другой стороны, нужно очень сильно постараться, чтобы запороть текстовые логи, которые пишутся в пульт, к тому же сигнал ELRS более устойчивый и его можно получить даже при отсутствии прямой видимости (в отличие от сигнала VTX). В случае же обрыва сигнал управления последнее значение телеметрии с координатами можно увидеть, нажав кнопку Tele вашего пульта ;)

** - на страничке загрузки ^[5] сказано, что для работы с М10 необходим u-center 2, на самом деле обычный u-center тоже подходит, единственный нюанс связан с настройкой диапазонов для Бэйдоу (см. выше)