Přesnost výšky a fúze dat

Nano je postaveno kolem velmi kvalitního tlakového senzoru a u revize 4 a novějších také pohybového senzoru. Tato stránka vysvětluje, odkud pocházejí jeho čísla, jak jsou přesná a těch několik věcí, které je mohou ovlivnit, abyste věděli, co od svých dat očekávat.

Tlakový senzor

Výška v Nanu pochází z měření tlaku vzduchu senzorem Bosch BMP581, jedním z nejpřesnějších dostupných barometrických senzorů. Je to 24bitový kapacitní senzor s relativní přesností kolem půl metru a šumem tak nízkým, že zachytí změny výšky o pouhých několik centimetrů. Jeho kapacitní konstrukce je krokem vpřed oproti piezorezistivním senzorům použitým v dřívějších konstrukcích, s mnohem nižším šumem, nižší spotřebou a vyšší datovou rychlostí. Měří také vlastní teplotu a své údaje o tlaku přímo v čipu kompenzuje, což udržuje surový tlak přesný i při zahřívání nebo ochlazování senzoru.

BMP581 provozujeme na 80 Hz s 16násobným převzorkováním: pro každou hodnotu tlaku, kterou vydá, provede 16 vnitřních měření a zprůměruje je, takže do dat vstupuje kolem 1 280 měření za sekundu. Tím se vymění surová rychlost převodu za mnohem nižší šum, s dostatečnou rezervou rychlosti i pro rychlý start. Jednoduše řečeno, senzor je mnohem přesnější, než je předvídatelná atmosféra, kterou měří, takže je jen zřídka omezujícím faktorem vašich výsledků.

Desky revize 1 až 3 používají starší Bosch BMP390, piezorezistivní senzor, na 50 Hz s 8násobným převzorkováním, což je maximum, které podporuje. Stále je to velmi schopný senzor a před přechodem na BMP581 bylo vyrobeno jen malé množství prvních desek.

Jak se výška počítá

Nano převádí naměřený tlak na výšku pomocí mezinárodní standardní atmosféry (ISA), modelu používaného v letectví i v soutěžním létání, s tlakem na úrovni moře 1013,25 hPa a teplotou 15 °C. Tyto hodnoty jsou ve firmwaru pevně dané a nelze je změnit, takže každý let i každý letec se měří na úplně stejném základě. Převod přesně odpovídá vzorci FAI:

výška (m) = ((15 + 273,15) ÷ 0,0065) × (1 − (tlak ÷ 1013,25)0.190266669)

Tlak je však jen část příběhu. V každém letu jsou okamžiky, kdy je tlak vzduchu, který senzor vidí, chybný: motor a proudění vzduchu ho při startu rozruší, vystřelovací nálož pošle raketou tlakový impulz a vítr a světlo mohou způsobit špičky. Chyby v tlaku může způsobit i vzduch proudící kolem větracích otvorů. Samotná tlaková křivka by je ukázala jako falešná stoupání a klesání.

Proto Nano při ukládání letu spustí nad celým letem naše zpracování TrueFuse a TruePath. U revize 4 a novějších TrueFuse pomocí pohybového senzoru drží výšku správnou během startu, kdy se tlaku nedá věřit, a překlene další krátké tlakové poruchy. TruePath pak odstraní špičky, jako je impulz od vystřelení, a vyhladí křivku. Výška, rychlost a apogeum ve vašem záznamu pocházejí z této opravené křivky a surová barometrická výška je uložena vedle ní, takže vždy vidíte, co senzor naměřil.

Jak to funguje a jak se počítá rychlost a apogeum, najdete na stránce TrueFuse, TruePath a apogeum.

Referenční nula na zemi

Každá výška se měří od rampy, takže Nano potřebuje naprosto spolehlivou nulu. Na konci spouštění provede krátkou sérii měření tlaku, vyřadí nejvyšší a nejnižší a zbytek zprůměruje, což dá čistý výchozí bod, i když se s raketou hýbe.

Během čekání na rampě uchovává záznam posledních několika sekund a sleduje pomalý posun tlaku při změně počasí, přičemž ignoruje náhlé skoky, jako je nasazení špičky. Když je detekován start, nula pro celý let se nastaví z průměru údajů 4 až 8 sekund před tímto okamžikem. Průměrování čtyř sekund dat odstraní šum, a protože tyto údaje pocházejí z doby před vzletem, samotné stoupání nemůže nulu vytáhnout nahoru.

Nula je průměr údajů 4 až 8 sekund před detekcí startu, všech z doby před vzletem, a používá se pro celý let.

Co v praxi ovlivňuje výšku

Samotný senzor je jen zřídka omezením. Čísla posouvá vzduch v daný den, samotný let a způsob instalace Nana.

Podmínky v daný den

Nano počítá výšku podle standardní atmosféry: tlak vzduchu u země 1013,25 hPa a teplota 15 °C. Skutečný vzduch v daný den tomu téměř nikdy přesně neodpovídá a obojí ovlivňuje, jak se změna tlaku převede na změnu výšky:

• Teplota. Teplý vzduch je řidší, než standard předpokládá, takže raketa při stejném poklesu tlaku vystoupá výš, a studený vzduch naopak. Vliv je zhruba 1 % na každé 3 °C odchylky od 15 °C.
• Tlak vzduchu. Tlak na místě startu závisí na počasí a na nadmořské výšce místa. Když se liší od standardu, výška se velmi mírně změní, zhruba o 0,2 % na každých 10 hPa.

Jsou to malé vlivy a obojí můžete po letu opravit. V grafu letu na Altimeter Cloud zadejte skutečný tlak u země a teplotu v daný den a graf výšku přepočítá. Pokud potřebujete, můžete si pak upravený letový záznam stáhnout.

Samotný let

• Start. Motor a nápor vzduchu při opuštění rampy na okamžik rozruší tlak.
• Proudění kolem větracích otvorů. Rychlost a úhel rakety vůči proudění mění tlak, který větrací otvory vidí.
• Transsonický a nadzvukový let. Blízko rychlosti zvuku a nad ní mohou rázové vlny kolem rakety způsobit velké chyby tlaku.
• Vystřelení. Nálož pošle raketou tlakový impulz.

Samy o sobě by se projevily jako falešná stoupání a klesání. TrueFuse a TruePath většinu z nich při ukládání letu opraví a surová barometrická výška se v záznamu vždy uchovává vedle opravené.

Instalace

• Větrací otvory. Senzor je jen tak dobrý jako vzduch, který vidí. Příliš málo, příliš malé nebo špatně umístěné otvory způsobí, že údaj zaostává nebo bloudí. Viz Kalkulačka větracích otvorů.
• Světlo. Tlakové senzory jsou citlivé na světlo, proto namontujte Nano pod jeho kryt a větrací otvory udržujte malé. Viz Instalace výškoměru.

Nano

• Zahřátí po USB. Nabíjení desku trochu zahřeje. Pokud bylo Nano právě na USB, nechte ho před startem až šest minut v letovém režimu, aby se ustálilo na okolní teplotu.
• Velmi velká výška. Senzor je specifikován do přibližně 300 hPa, což je podle standardní atmosféry kolem 9 200 m (30 000 ft). Nad touto hranicí bude nejspíš dál zaznamenávat věrohodnou výšku, ale jeho přesnost tam není charakterizována, takže za ni nemůžeme ručit.

Pohybový senzor (revize 4 a novější)

Desky revize 4 a novější mají také pohybový senzor ST LSM6DSO32, akcelerometr a gyroskop v jednom. Oba vždy běží v plném rozsahu, takže ani prudký start nikdy nepřekročí stupnici. Poskytují křivku zrychlení, úhly startu a lišty a náklon během letu, pomáhají potvrdit skutečný start a právě je TrueFuse používá k opravě výšky během startu a v dalších okamžicích, kdy se tlaku nedá věřit.

Se zapnutým high_speed_sensor, což je výchozí stav, pohybový senzor vzorkuje na 1 667 Hz (nebo gyroskop na 3 333 Hz s nastavením 2) a každý zaznamenaný řádek je průměrem těchto vzorků. Tím se potlačí vliv vibrací motoru a draku na údaje, takže zaznamenané zrychlení, rotace a úhly jsou čistší.

Pro úhly gyroskop sleduje polohu rakety během letu od nuly, kterou změří na rampě. Akcelerometru se věří jen tam, kde skutečně měří gravitaci, na rampě a při pomalém sestupu, protože tah a rotace ho činí zavádějícím. Tím se zabrání tomu, aby tah motoru úhly odtáhl, a právě na tom univerzální fúzní filtry v raketě selhávají. Magnetometr chybí, takže kurz se může pomalu posouvat, ale během krátkého letu zůstává drift malý.

Abyste z něj dostali maximum, namontujte Nano pevně a rovnoběžně s raketou, zkalibrujte IMU a nechte raketu před startem asi minutu stát v klidu na rampě, aby Nano mohlo doladit svůj gyroskop. Uvolněná montáž úhly znehodnotí.

Co záznam ukládá

Každý sloupec se ukládá s přesností odpovídající tomu, co měří, ne s každou poslední číslicí senzoru, což udržuje soubory v rozumné velikosti se všemi potřebnými detaily. Záznamy ACLZ, výchozí formát, obsahují stejná data se stejnou přesností jako CSV, navíc se surovou barometrickou výškou před jakýmkoli zpracováním.

Časy jsou vztaženy ke vzletu, takže řádky z rampy před startem jsou záporné. Sloupce pohybu jsou jen na deskách revize 4 a novějších. Úplné rozvržení najdete na stránce Formát letového záznamu.