Précision de l'altitude et de la fusion

Le Nano est construit autour d'un capteur de pression de très haute qualité et, à partir de la révision 4, d'un capteur de mouvement. Cette page explique d'où viennent ses chiffres, quelle est leur précision et les quelques éléments qui peuvent les influencer, pour savoir à quoi vous attendre de vos données.

Le capteur de pression

L'altitude du Nano provient de la mesure de la pression de l'air par le Bosch BMP581, l'un des capteurs barométriques les plus précis du marché. C'est un capteur capacitif 24 bits d'une précision relative d'environ un demi-mètre, avec un bruit assez faible pour distinguer des variations d'altitude de quelques centimètres seulement. Sa conception capacitive marque un progrès par rapport aux capteurs piézorésistifs des générations précédentes, avec un bruit bien plus faible, une consommation moindre et des débits plus élevés. Il mesure aussi sa propre température et compense ses mesures de pression directement sur la puce, ce qui garde la pression brute exacte quand le capteur chauffe ou refroidit.

Nous faisons fonctionner le BMP581 à 80 Hz avec un suréchantillonnage de 16 : pour chaque valeur de pression fournie, il effectue 16 mesures internes et en fait la moyenne, soit environ 1 280 mesures par seconde qui alimentent les données. On échange ainsi de la vitesse de conversion brute contre un bruit bien plus faible, avec une large marge même pour une propulsion rapide. En clair, le capteur est bien plus précis que l'atmosphère qu'il mesure n'est prévisible, et il est donc rarement le facteur limitant de vos résultats.

Les cartes de révision 1 à 3 utilisent l'ancien Bosch BMP390, un capteur piézorésistif, à 50 Hz avec un suréchantillonnage de 8, le maximum qu'il accepte. C'est toujours un capteur très performant, et seules quelques cartes ont été produites avant le passage au BMP581.

Comment l'altitude est calculée

Le Nano convertit la pression mesurée en hauteur à l'aide de l'atmosphère type internationale (ISA), le modèle utilisé en aviation et en compétition, avec une pression au niveau de la mer de 1013,25 hPa et une température de 15 °C. Ces valeurs sont fixées dans le firmware et ne peuvent pas être modifiées : chaque vol, et chaque participant, est mesuré exactement sur la même base. La conversion correspond exactement à la formule de la FAI :

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

La pression n'est toutefois qu'une partie de l'histoire. À certains moments de chaque vol, la pression vue par le capteur est fausse : le moteur et le flux d'air la perturbent au décollage, la charge d'éjection envoie une impulsion dans la fusée, et le vent et la lumière peuvent provoquer des pics. Même l'air qui passe devant les trous d'aération peut fausser la pression. Prise seule, une courbe de pression montrerait ces effets comme de fausses montées et descentes.

C'est pourquoi, lors de la sauvegarde du vol, le Nano applique nos traitements TrueFuse et TruePath à l'ensemble du vol. À partir de la révision 4, TrueFuse utilise le capteur de mouvement pour garder l'altitude juste pendant le décollage, où la pression n'est pas fiable, et franchit les autres courtes perturbations de pression. TruePath supprime ensuite les pics comme l'impulsion d'éjection et lisse la courbe. L'altitude, la vitesse et l'apogée de votre journal proviennent de cette courbe corrigée, et l'altitude barométrique brute est conservée à côté, pour que vous voyiez toujours ce que le capteur a mesuré.

Le fonctionnement, ainsi que le calcul de la vitesse et de l'apogée, sont décrits sur la page TrueFuse, TruePath et apogée.

La référence au sol

Chaque hauteur est mesurée depuis la rampe : le Nano a donc besoin d'un zéro parfaitement stable. À la fin du démarrage, il prend une courte série de mesures de pression, écarte la plus haute et la plus basse et fait la moyenne du reste, ce qui donne un point de départ propre même si la fusée est déplacée.

Pendant qu'il attend sur la rampe, il garde en mémoire les dernières secondes et suit la lente dérive de la pression au gré de la météo, tout en ignorant les sauts soudains comme la pose d'une ogive. Lorsqu'un décollage est détecté, le zéro de tout le vol est fixé à partir de la moyenne des mesures prises 4 à 8 secondes avant cet instant. Moyenner quatre secondes de données élimine le bruit, et comme ces mesures précèdent le décollage, la montée elle-même ne peut pas tirer le zéro vers le haut.

Le zéro est la moyenne des mesures prises 4 à 8 secondes avant la détection du décollage, toutes antérieures au décollage, et sert pour tout le vol.

Ce qui influence l'altitude en pratique

Le capteur lui-même est rarement la limite. Ce qui fait bouger les chiffres, c'est l'air du jour, le vol lui-même et la façon dont le Nano est installé.

Les conditions du jour

Le Nano calcule la hauteur avec l'atmosphère standard : une pression au sol de 1013,25 hPa et une température de 15 °C. Le jour du vol, l'air réel n'est presque jamais exactement ainsi, et ces deux valeurs influent sur la façon dont une variation de pression se traduit en variation de hauteur :

• Température. L'air chaud est moins dense que ne le suppose le standard, donc la fusée monte davantage pour une même baisse de pression, et l'air froid fait l'inverse. L'effet est d'environ 1 % par tranche de 3 °C d'écart avec 15 °C.
• Pression de l'air. La pression sur le terrain dépend de la météo et de l'altitude du site. Lorsqu'elle diffère du standard, la hauteur varie très légèrement, d'environ 0,2 % par tranche de 10 hPa.

Ce sont de petits effets, et vous pouvez corriger les deux après le vol. Sur le graphique du vol dans Altimeter Cloud, saisissez la pression réelle au sol et la température du jour, et le graphique recalcule l'altitude en conséquence. Vous pouvez ensuite télécharger le journal de vol ajusté si besoin.

Le vol lui-même

• Décollage. Le moteur et le souffle d'air au départ de la rampe perturbent la pression un instant.
• Flux d'air devant les trous d'aération. La vitesse et l'angle de la fusée par rapport au flux d'air modifient la pression vue par les trous d'aération.
• Vol transsonique et supersonique. Près et au-delà de la vitesse du son, les ondes de choc autour de la fusée peuvent provoquer de grosses erreurs de pression.
• Éjection. La charge envoie une impulsion de pression dans la fusée.

Prises seules, ces perturbations apparaîtraient comme de fausses montées et descentes. TrueFuse et TruePath en corrigent la plupart lors de la sauvegarde du vol, et l'altitude barométrique brute est toujours conservée dans le journal à côté de l'altitude corrigée.

L'installation

• Trous d'aération. Le capteur ne vaut que l'air qu'il perçoit. Des trous trop peu nombreux, trop petits ou mal placés font que la mesure traîne ou dérive. Voir le calculateur de trous d'aération.
• Lumière. Les capteurs de pression sont sensibles à la lumière : montez le Nano sous son capot et gardez des trous d'aération petits. Voir Installation de l'altimètre.

Le Nano

• Mise en température après l'USB. La charge réchauffe un peu la carte. Si le Nano vient d'être branché en USB, laissez-le jusqu'à six minutes en mode vol pour qu'il se stabilise à la température ambiante avant le décollage.
• Très haute altitude. Le capteur est spécifié jusqu'à environ 300 hPa, soit environ 9 200 m (30 000 ft) en atmosphère standard. Au-delà, il continuera très probablement à enregistrer une altitude plausible, mais sa précision n'y est pas caractérisée, nous ne pouvons donc pas la garantir.

Le capteur de mouvement (révision 4 et ultérieures)

Les cartes de révision 4 et ultérieures intègrent aussi un capteur de mouvement ST LSM6DSO32, qui combine accéléromètre et gyroscope. Les deux fonctionnent toujours à pleine échelle, de sorte que même une propulsion violente ne sature jamais. Ils fournissent la courbe d'accélération, les angles de décollage et de rail et l'inclinaison pendant le vol, aident à confirmer un vrai décollage, et sont ce qu'utilise TrueFuse pour corriger l'altitude pendant le décollage et aux autres moments où la pression n'est pas fiable.

Avec high_speed_sensor activé, le réglage par défaut, le capteur de mouvement échantillonne à 1 667 Hz (ou le gyroscope à 3 333 Hz avec le réglage 2) et chaque ligne enregistrée est la moyenne de ces échantillons. Cela contre l'effet des vibrations du moteur et de la cellule sur les mesures, pour une accélération, une rotation et des angles enregistrés plus propres.

Pour les angles, le gyroscope suit l'attitude de la fusée pendant le vol à partir d'un zéro qu'il mesure sur la rampe. L'accéléromètre n'est pris en compte que lorsqu'il mesure vraiment la gravité, sur la rampe et dans une descente lente, car la poussée et la rotation le rendent trompeur. Cela empêche la poussée du moteur de fausser les angles, là où les filtres de fusion génériques échouent dans une fusée. Il n'y a pas de magnétomètre, donc le cap peut dériver lentement, mais sur la courte durée d'un vol la dérive reste faible.

Pour en tirer le meilleur, montez le Nano solidement et d'équerre avec la fusée, étalonnez l'IMU et laissez la fusée immobile sur la rampe environ une minute avant le décollage pour que le Nano affine son gyroscope. Un montage lâche fausse les angles.

Ce que contient le journal

Chaque colonne est enregistrée avec une précision adaptée à ce qu'elle mesure, plutôt qu'avec tous les chiffres du capteur, ce qui garde des fichiers de taille raisonnable avec tous les détails nécessaires. Les journaux ACLZ, par défaut, contiennent les mêmes données avec la même précision qu'un CSV, plus l'altitude barométrique brute avant tout traitement.

Les temps sont relatifs au décollage : les lignes enregistrées sur la rampe avant le décollage sont donc négatives. Les colonnes de mouvement n'existent que sur les cartes de révision 4 et ultérieures. Voir Format du journal de vol pour la structure complète.