GPS受信モジュールの感度を安定させる(グランドプレーンにゃ)







昨年から始めたカヤックフィッシングで利用しようと開発継続中の装置があります。




まだまだ試行錯誤中で、全容をお見せするところまで到達していません。




でも、内蔵するGPSモジュールの実装方法で大きく影響を受ける経験をしたのでその記事です。




装置にはラズベリーパイ3(以下 rpi3)を使って制御をしています。




このrpi3とGPS受信機モジュールを組み合わせてナビゲーションをしようと考えていたのですが、GPSがなかなか衛星情報を捉えてくれません。




GPSモジュールは秋月電子で購入した、GPS受信機キット 1PPS出力付き 「みちびき」対応 です。




セラミック部品などでも有名な太陽誘電のGPSモジュールで、付随する回路、ピン配列もrpi3にピッタリで、配線も簡単です。




GPSならこの場所もわかるの?





これをrpi3の上に拡張基板をおいて、GPSを取り付けてみました。




実際に広い海原の上においても、測位が安定しません。。。。なんで?? 




GPSは宇宙にあるGPS衛星の電波を捉える受信機です。つまりラジオ。




ラジオを作って受信がうまくできない場合、受けている電波が弱いか、周りの機器からのノイズが影響を受けてGPSからの信号がかき消されているかのいずれかでしょう。




rpi3の発するノイズなどの影響を受けているのではないか? と考えその対策を検討しました。




周りの機器からのノイズ影響を減らすには、距離を離すのが効果的。距離の2乗に反比例してノイズが減ります。




でも狭い場所に実装する場合には限りがあります。




最初はrpi3が発するEMIノイズ(電磁波妨害)を減らしてやろうとファラデーケージに基づくシールドボックスを作ろうと考えました。




が、しかし。rpi3には内蔵するWifi,ブルートゥースモジュールがありますからシールドしてしまうとその機能が使えなくなってしまいます。




うーむ。それでは衛星から受信する電波を安定して受ける方法を考え、ではモジュールの下にグランドプレーンを設けることとしました。




グランドプレーンは、電磁波的に仮想の地球の地面を設けたのと類似の効果を得ることができるものです。




グランドプレーンは導体(金属)の板を単純に配置するだけで実装完了です。 他の装置と電気的に接続することも不要です。




ただし、静電気破壊、安全性などの配慮から他の回路と電気的接続する場合が多いでしょう。




今回の場合はそんな配慮も不要なシステムと思われるので、銅板を単純に配置しただけです。




GPSの受信感度はおおよそ1500MHzです。 波長は20cm。4分の1波長以上の平面を用意してあげれば行けそう。




GPS受信機のアンテナを中心として5cmの半径を確保すればなんとかなりそうですが現実面ではそれほど大きな板を置く場所がないのと、




ホームセンターで手頃な価格で加工しやすそうな薄い銅板は5cmx10cmのものでした。




グランドプレーンは端っこを少し曲げてもその効果は維持されると聞いた記憶があるので、装置に入るように端は曲げてしまいます。




で、完成状態は以下のようなものです。




銅板の上にはモジュール基板を両面テープで止めてあるだけです。














効果は絶大。 衛星の天空位置にもよると思いますが、庭においてあっても捕捉までに何分もかかるケースがあったものが、モジュールの仕様である、41秒過ぎには捕捉できるようになりました。




SNR(信号雑音比)などを数値で測定していませんので、効果はあくまでも個人の感想です。(笑)




私のプロジェクトではGPS受信機をバッテリでバックアップすることを考えていませんので、コイン電池ホルダーはモジュールにつけていません。




ですから、グランドプレーンにモジュールを密着(絶縁は両面テープ。汗)させることができています。 コイン電池を必須とされる方の場合は実装方法に工夫が必要かもしれません。




GPSをこのツメで。。。





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