Break out common pieces from TeleGPS and AltusMetrum
[fw/altos] / doc / system-operation.inc
1 [appendix]
2 == System Operation
3
4         === Firmware Modes
5
6                 The AltOS firmware build for the altimeters has two
7                 fundamental modes, “idle” and “flight”.  Which of these modes
8                 the firmware operates in is determined at start up time. For
9                 TeleMetrum, TeleMega and EasyMega, which have accelerometers, the mode is
10                 controlled by the orientation of the
11                 rocket (well, actually the board, of course...) at the time
12                 power is switched on.  If the rocket is “nose up”, then
13                 the flight computer assumes it's on a rail or rod being prepared for
14                 launch, so the firmware chooses flight mode.  However, if the
15                 rocket is more or less horizontal, the firmware instead enters
16                 idle mode.  Since TeleMini v2.0 and EasyMini don't have an
17                 accelerometer we can use to determine orientation, “idle” mode
18                 is selected if the board is connected via USB to a computer,
19                 otherwise the board enters “flight” mode. TeleMini v1.0
20                 selects “idle” mode if it receives a command packet within the
21                 first five seconds of operation.
22
23                 At power on, the altimeter will beep out the battery voltage
24                 to the nearest tenth of a volt.  Each digit is represented by
25                 a sequence of short “dit” beeps, with a pause between
26                 digits. A zero digit is represented with one long “dah”
27                 beep. Then there will be a short pause while the altimeter
28                 completes initialization and self test, and decides which mode
29                 to enter next.
30
31                 In flight or “pad” mode, the altimeter engages the flight
32                 state machine, goes into transmit-only mode to send telemetry,
33                 and waits for launch to be detected.  Flight mode is indicated
34                 by an “di-dah-dah-dit” (“P” for pad) on the beeper or lights,
35                 followed by beeps or flashes indicating the state of the
36                 pyrotechnic igniter continuity.  One beep/flash indicates
37                 apogee continuity, two beeps/flashes indicate main continuity,
38                 three beeps/flashes indicate both apogee and main continuity,
39                 and one longer “brap” sound which is made by rapidly
40                 alternating between two tones indicates no continuity.  For a
41                 dual deploy flight, make sure you're getting three beeps or
42                 flashes before launching!  For apogee-only or motor eject
43                 flights, do what makes sense.
44
45                 If idle mode is entered, you will hear an audible “di-dit” or
46                 see two short flashes (“I” for idle), and the flight state
47                 machine is disengaged, thus no ejection charges will fire.
48                 The altimeters also listen for the radio link when in idle
49                 mode for requests sent via TeleDongle.  Commands can be issued
50                 in idle mode over either USB or the radio link
51                 equivalently. TeleMini v1.0 only has the radio link.  Idle
52                 mode is useful for configuring the altimeter, for extracting
53                 data from the on-board storage chip after flight, and for
54                 ground testing pyro charges.
55
56                 In “Idle” and “Pad” modes, once the mode indication
57                 beeps/flashes and continuity indication has been sent, if
58                 there is no space available to log the flight in on-board
59                 memory, the flight computer will emit a warbling tone (much
60                 slower than the “no continuity tone”)
61
62                 Here's a summary of all of the “pad” and “idle” mode indications.
63
64                 .Pad/Idle Indications
65                 [options="header",cols="1,1,3"]
66                 |====
67                 |Name           |Beeps          |Description
68
69                 |Neither
70                 |brap
71                 |No continuity detected on either apogee or main igniters.
72
73                 |Apogee
74                 |dit
75                 |Continuity detected only on apogee igniter.
76
77                 |Main
78                 |dit dit
79                 |Continuity detected only on main igniter.
80
81
82                 |Both
83                 |dit dit dit
84                 |Continuity detected on both igniters.
85
86
87                 |Storage Full
88                 |warble
89                 |On-board data logging storage is full. This will
90                  not prevent the flight computer from safely
91                  controlling the flight or transmitting telemetry
92                  signals, but no record of the flight will be
93                  stored in on-board flash.
94                 |====
95
96                 Once landed, the flight computer will signal that by emitting
97                 the “Landed” sound described above, after which it will beep
98                 out the apogee height (in meters). Each digit is represented
99                 by a sequence of short “dit” beeps, with a pause between
100                 digits. A zero digit is represented with one long “dah”
101                 beep. The flight computer will continue to report landed mode
102                 and beep out the maximum height until turned off.
103
104                 One “neat trick” of particular value when TeleMetrum, TeleMega
105                 or EasyMega are used with
106                 very large air-frames, is that you can power the board up while the
107                 rocket is horizontal, such that it comes up in idle mode.  Then you can
108                 raise the air-frame to launch position, and issue a 'reset' command
109                 via TeleDongle over the radio link to cause the altimeter to reboot and
110                 come up in flight mode.  This is much safer than standing on the top
111                 step of a rickety step-ladder or hanging off the side of a launch
112                 tower with a screw-driver trying to turn on your avionics before
113                 installing igniters!
114
115                 TeleMini v1.0 is configured solely via the radio link. Of course, that
116                 means you need to know the TeleMini radio configuration values
117                 or you won't be able to communicate with it. For situations
118                 when you don't have the radio configuration values, TeleMini v1.0
119                 offers an 'emergency recovery' mode. In this mode, TeleMini is
120                 configured as follows:
121
122
123                  * Sets the radio frequency to 434.550MHz
124                  * Sets the radio calibration back to the factory value.
125                  * Sets the callsign to N0CALL
126                  * Does not go to 'pad' mode after five seconds.
127
128                 To get into 'emergency recovery' mode, first find the row of
129                 four small holes opposite the switch wiring. Using a short
130                 piece of small gauge wire, connect the outer two holes
131                 together, then power TeleMini up. Once the red LED is lit,
132                 disconnect the wire and the board should signal that it's in
133                 'idle' mode after the initial five second startup period.
134
135         === GPS
136
137                 TeleMetrum and TeleMega include a complete GPS receiver.  A
138                 complete explanation of how GPS works is beyond the scope of
139                 this manual, but the bottom line is that the GPS receiver
140                 needs to lock onto at least four satellites to obtain a solid
141                 3 dimensional position fix and know what time it is.
142
143                 The flight computers provide backup power to the GPS chip any time a
144                 battery is connected.  This allows the receiver to “warm start” on
145                 the launch rail much faster than if every power-on were a GPS
146                 “cold start”.  In typical operations, powering up
147                 on the flight line in idle mode while performing final air-frame
148                 preparation will be sufficient to allow the GPS receiver to cold
149                 start and acquire lock.  Then the board can be powered down during
150                 RSO review and installation on a launch rod or rail.  When the board
151                 is turned back on, the GPS system should lock very quickly, typically
152                 long before igniter installation and return to the flight line are
153                 complete.
154
155         === Controlling An Altimeter Over The Radio Link
156
157                 One of the unique features of the Altus Metrum system is the
158                 ability to create a two way command link between TeleDongle
159                 and an altimeter using the digital radio transceivers
160                 built into each device. This allows you to interact with the
161                 altimeter from afar, as if it were directly connected to the
162                 computer.
163
164                 Any operation which can be performed with a flight computer can
165                 either be done with the device directly connected to the
166                 computer via the USB cable, or through the radio
167                 link. TeleMini v1.0 doesn't provide a USB connector and so it is
168                 always communicated with over radio.  Select the appropriate
169                 TeleDongle device when the list of devices is presented and
170                 AltosUI will interact with an altimeter over the radio link.
171
172                 One oddity in the current interface is how AltosUI selects the
173                 frequency for radio communications. Instead of providing
174                 an interface to specifically configure the frequency, it uses
175                 whatever frequency was most recently selected for the target
176                 TeleDongle device in Monitor Flight mode. If you haven't ever
177                 used that mode with the TeleDongle in question, select the
178                 Monitor Flight button from the top level UI, and pick the
179                 appropriate TeleDongle device.  Once the flight monitoring
180                 window is open, select the desired frequency and then close it
181                 down again. All radio communications will now use that frequency.
182
183                  * Save Flight Data—Recover flight data from the
184                    rocket without opening it up.
185
186                  * Configure altimeter apogee delays, main deploy
187                    heights and additional pyro event conditions to
188                    respond to changing launch conditions. You can also
189                    'reboot' the altimeter. Use this to remotely enable
190                    the flight computer by turning TeleMetrum or
191                    TeleMega on in “idle” mode, then once the air-frame
192                    is oriented for launch, you can reboot the
193                    altimeter and have it restart in pad mode without
194                    having to climb the scary ladder.
195
196                  * Fire Igniters—Test your deployment charges without snaking
197                    wires out through holes in the air-frame. Simply assemble the
198                    rocket as if for flight with the apogee and main charges
199                    loaded, then remotely command the altimeter to fire the
200                    igniters.
201
202                 Operation over the radio link for configuring an
203                 altimeter, ground testing igniters, and so forth uses
204                 the same RF frequencies as flight telemetry.  To
205                 configure the desired TeleDongle frequency, select the
206                 monitor flight tab, then use the frequency selector
207                 and close the window before performing other desired
208                 radio operations.
209
210                 The flight computers only enable radio commanding in
211                 'idle' mode.  TeleMetrum and TeleMega use the
212                 accelerometer to detect which orientation they start
213                 up in, so make sure you have the flight computer lying
214                 horizontally when you turn it on. Otherwise, it will
215                 start in 'pad' mode ready for flight, and will not be
216                 listening for command packets from TeleDongle.
217
218                 TeleMini listens for a command packet for five seconds
219                 after first being turned on, if it doesn't hear
220                 anything, it enters 'pad' mode, ready for flight and
221                 will no longer listen for command packets. The easiest
222                 way to connect to TeleMini is to initiate the command
223                 and select the TeleDongle device. At this point, the
224                 TeleDongle will be attempting to communicate with the
225                 TeleMini. Now turn TeleMini on, and it should
226                 immediately start communicating with the TeleDongle
227                 and the desired operation can be performed.
228
229                 You can monitor the operation of the radio link by watching the
230                 lights on the devices. The red LED will flash each time a packet
231                 is transmitted, while the green LED will light up on TeleDongle when
232                 it is waiting to receive a packet from the altimeter.
233
234         === Ground Testing
235
236                 An important aspect of preparing a rocket using electronic deployment
237                 for flight is ground testing the recovery system.  Thanks
238                 to the bi-directional radio link central to the Altus Metrum system,
239                 this can be accomplished in a TeleMega, TeleMetrum or TeleMini equipped rocket
240                 with less work than you may be accustomed to with other systems.  It
241                 can even be fun!
242
243                 Just prep the rocket for flight, then power up the altimeter
244                 in “idle” mode (placing air-frame horizontal for TeleMetrum or TeleMega, or
245                 selecting the Configure Altimeter tab for TeleMini).  This will cause
246                 the firmware to go into “idle” mode, in which the normal flight
247                 state machine is disabled and charges will not fire without
248                 manual command.  You can now command the altimeter to fire the apogee
249                 or main charges from a safe distance using your computer and
250                 TeleDongle and the Fire Igniter tab to complete ejection testing.
251
252         === Radio Link
253
254                 TeleMetrum, TeleMini and TeleMega all incorporate an
255                 RF transceiver, but it's not a full duplex system;
256                 each end can only be transmitting or receiving at any
257                 given moment. So we had to decide how to manage the
258                 link.
259
260                 By design, the altimeter firmware listens for the
261                 radio link when it's in “idle mode”, which allows us
262                 to use the radio link to configure the rocket, do
263                 things like ejection tests, and extract data after a
264                 flight without having to crack open the air-frame.
265                 However, when the board is in “flight mode”, the
266                 altimeter only transmits and doesn't listen at all.
267                 That's because we want to put ultimate priority on
268                 event detection and getting telemetry out of the
269                 rocket through the radio in case the rocket crashes
270                 and we aren't able to extract data later.
271
272                 We don't generally use a 'normal packet radio' mode
273                 like APRS because they're just too inefficient.  The
274                 GFSK modulation we use is FSK with the base-band
275                 pulses passed through a Gaussian filter before they go
276                 into the modulator to limit the transmitted bandwidth.
277                 When combined with forward error correction and
278                 interleaving, this allows us to have a very robust
279                 19.2 kilobit data link with only 10-40 milliwatts of
280                 transmit power, a whip antenna in the rocket, and a
281                 hand-held Yagi on the ground.  We've had flights to
282                 above 21k feet AGL with great reception, and
283                 calculations suggest we should be good to well over
284                 40k feet AGL with a 5-element yagi on the ground with
285                 our 10mW units and over 100k feet AGL with the 40mW
286                 devices.  We hope to fly boards to higher altitudes
287                 over time, and would of course appreciate customer
288                 feedback on performance in higher altitude flights!
289
290         :aprsdevices: TeleMetrum v2.0 and TeleMega
291         :configure_section: _configure_altimeter
292         include::aprs-operation.raw[]
293
294         === Configurable Parameters
295
296                 Configuring an Altus Metrum altimeter for flight is
297                 very simple.  Even on our baro-only TeleMini and
298                 EasyMini boards, the use of a Kalman filter means
299                 there is no need to set a “mach delay”.  All of the
300                 configurable parameters can be set using AltosUI
301                 over USB or or radio link via TeleDongle. Read
302                 <<_configure_altimeter>> for more information.