Merge branch 'master' of ssh://
[fw/altos] / doc / telemetrum.xsl
1 <?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
2 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.5//EN"
3   "/usr/share/xml/docbook/schema/dtd/4.5/docbookx.dtd">
4 <book>
5   <bookinfo>
6     <author>
7       <firstname>Bdale</firstname>
8       <surname>Garbee</surname>
9     </author>
10     <author>
11       <firstname>Keith</firstname>
12       <surname>Packard</surname>
13     </author>
14     <copyright>
15       <year>2010</year>
16       <holder>Bdale Garbee and Keith Packard</holder>
17     </copyright>
18     <title>TeleMetrum</title>
19     <subtitle>Owner's Manual for the TeleMetrum System</subtitle>
20     <legalnotice>
21       <para>
22         This document is released under the terms of the 
23         <ulink url="">
24           Creative Commons ShareAlike 3.0
25         </ulink>
26         license.
27       </para>
28     </legalnotice>
29     <revhistory>
30       <revision>
31         <revnumber>0.1</revnumber>
32         <date>30 March 2010</date>
33         <revremark>Initial content</revremark>
34       </revision>
35     </revhistory>
36   </bookinfo>
37   <chapter>
38     <title>Introduction and Overview</title>
39     <para>
40       Welcome to the Altus Metrum community!  Our circuits and software reflect
41       our passion for both hobby rocketry and Free Software.  We hope their
42       capabilities and performance will delight you in every way, but by
43       releasing all of our hardware and software designs under open licenses,
44       we also hope to empower you to take as active a role in our collective
45       future as you wish!
46     </para>
47     <para>
48       The focal point of our community is TeleMetrum, a dual deploy altimeter 
49       with fully integrated GPS and radio telemetry as standard features, and
50       a "companion interface" that will support optional capabilities in the 
51       future.
52     </para>
53     <para>    
54       Complementing TeleMetrum is TeleDongle, a USB to RF interface for 
55       communicating with TeleMetrum.  Combined with your choice of antenna and 
56       notebook computer, TeleDongle and our associated user interface software
57       form a complete ground station capable of logging and displaying in-flight
58       telemetry, aiding rocket recovery, then processing and archiving flight
59       data for analysis and review.
60     </para>
61   </chapter>
62   <chapter>
63     <title>Specifications</title>
64     <itemizedlist>
65       <listitem>
66         <para>
67           Recording altimeter for model rocketry.
68         </para>
69       </listitem>
70       <listitem>
71         <para>
72           Supports dual deployment (can fire 2 ejection charges).
73         </para>
74       </listitem>
75       <listitem>
76         <para>
77           70cm ham-band transceiver for telemetry downlink.
78         </para>
79       </listitem>
80       <listitem>
81         <para>
82           Barometric pressure sensor good to 45k feet MSL.
83         </para>
84       </listitem>
85       <listitem>
86         <para>
87           1-axis high-g accelerometer for motor characterization, capable of 
88           +/- 50g using default part.
89         </para>
90       </listitem>
91       <listitem>
92         <para>
93           On-board, integrated GPS receiver with 5hz update rate capability.
94         </para>
95       </listitem>
96       <listitem>
97         <para>
98           On-board 1 megabyte non-volatile memory for flight data storage.
99         </para>
100       </listitem>
101       <listitem>
102         <para>
103           USB interface for battery charging, configuration, and data recovery.
104         </para>
105       </listitem>
106       <listitem>
107         <para>
108           Fully integrated support for LiPo rechargeable batteries.
109         </para>
110       </listitem>
111       <listitem>
112         <para>
113           Uses LiPo to fire e-matches, support for optional separate pyro 
114           battery if needed.
115         </para>
116       </listitem>
117       <listitem>
118         <para>
119           2.75 x 1 inch board designed to fit inside 29mm airframe coupler tube.
120         </para>
121       </listitem>
122     </itemizedlist>
123   </chapter>
124   <chapter>
125     <title>Handling Precautions</title>
126     <para>
127       TeleMetrum is a sophisticated electronic device.  When handled gently and
128       properly installed in an airframe, it will deliver extraordinary results.
129       However, like all electronic devices, there are some precautions you
130       must take.
131     </para>
132     <para>
133       The Lithium Polymer rechargeable batteries used with TeleMetrum have an 
134       extraordinary power density.  This is great because we can fly with
135       much less battery mass than if we used alkaline batteries or previous
136       generation rechargeable batteries... but if they are punctured 
137       or their leads are allowed to short, they can and will release their 
138       energy very rapidly!
139       Thus we recommend that you take some care when handling our batteries 
140       and consider giving them some extra protection in your airframe.  We 
141       often wrap them in suitable scraps of closed-cell packing foam before 
142       strapping them down, for example.
143     </para>
144     <para>
145       The TeleMetrum barometric sensor is sensitive to sunlight.  In normal 
146       mounting situations, it and all of the other surface mount components 
147       are "down" towards whatever the underlying mounting surface is, so
148       this is not normally a problem.  Please consider this, though, when
149       designing an installation, for example, in a 29mm airframe's see-through
150       plastic payload bay.
151     </para>
152     <para>
153       The TeleMetrum barometric sensor sampling port must be able to "breathe",
154       both by not being covered by foam or tape or other materials that might
155       directly block the hole on the top of the sensor, but also by having a
156       suitable static vent to outside air.  
157     </para>
158     <para>
159       As with all other rocketry electronics, TeleMetrum must be protected 
160       from exposure to corrosive motor exhaust and ejection charge gasses.
161     </para>
162   </chapter>
163   <chapter>
164     <title>Hardware Overview</title>
165     <para>
166       TeleMetrum is a 1 inch by 2.75 inch circuit board.  It was designed to
167       fit inside coupler for 29mm airframe tubing, but using it in a tube that
168       small in diameter may require some creativity in mounting and wiring 
169       to succeed!  The default 1/4
170       wave UHF wire antenna attached to the center of the nose-cone end of
171       the board is about 7 inches long, and wiring for a power switch and
172       the e-matches for apogee and main ejection charges depart from the 
173       fin can end of the board.  Given all this, an ideal "simple" avionics 
174       bay for TeleMetrum should have at least 10 inches of interior length.
175     </para>
176     <para>
177       A typical TeleMetrum installation using the on-board GPS antenna and
178       default wire UHF antenna involves attaching only a suitable
179       Lithium Polymer battery, a single pole switch for power on/off, and 
180       two pairs of wires connecting e-matches for the apogee and main ejection
181       charges.  
182     </para>
183     <para>
184       By default, we use the unregulated output of the LiPo battery directly
185       to fire ejection charges.  This works marvelously with standard e-matches
186       from companies like [insert company and product names for e-matches we've
187       tried and like] and with Quest Q2G2 igniters.  However, if you
188       want or need to use a separate pyro battery, you can do so by adding
189       a second 2mm connector to position B2 on the board and cutting the
190       thick pcb trace connecting the LiPo battery to the pyro circuit between
191       the two silk screen marks on the surface mount side of the board shown
192       here [insert photo]
193     </para>
194     <para>
195       We offer two choices of pyro and power switch connector, or you can 
196       choose neither and solder wires directly to the board.  All three choices
197       are reasonable depending on the constraints of your airframe.  Our
198       favorite option when there is sufficient room above the board is to use
199       the Tyco pin header with polarization and locking.  If you choose this
200       option, you crimp individual wires for the power switch and e-matches
201       into a mating connector, and installing and removing the TeleMetrum
202       board from an airframe is as easy as plugging or unplugging two 
203       connectors.  If the airframe will not support this much height or if
204       you want to be able to directly attach e-match leads to the board, we
205       offer a screw terminal block.  This is very similar to what most other
206       altimeter vendors provide by default and so may be the most familiar
207       option.  You'll need a very small straight blade screwdriver to connect
208       and disconnect the board in this case, such as you might find in a
209       jeweler's screwdriver set.  Finally, you can forego both options and
210       solder wires directly to the board, which may be the best choice for
211       minimum diameter and/or minimum mass designs. 
212     </para>
213     <para>
214       For most airframes, the integrated GPS antenna and wire UHF antenna are
215       a great combination.  However, if you are installing in a carbon-fiber
216       electronics bay which is opaque to RF signals, you may need to use 
217       off-board external antennas instead.  In this case, you can order
218       TeleMetrum with an SMA connector for the UHF antenna connection, and
219       you can unplug the integrated GPS antenna and select an appropriate 
220       off-board GPS antenna with cable terminating in a U.FL connector.
221     </para>
222   </chapter>
223   <chapter>
224     <title>Operation</title>
225     <section>
226       <title>Radio Link </title>
227       <para>
228         The chip our boards are based on incorporates an RF transceiver, but
229         it's not a full duplex system... each end can only be transmitting or
230         receiving at any given moment.  So we have to decide how to manage the
231         link...
232       </para>
233       <para>
234         By design, TeleMetrum firmware listens for an RF connection when
235         it's in "idle mode" (turned on while the rocket is horizontal), which
236         allows us to use the RF link to configure the rocket, do things like
237         ejection tests, and extract data after a flight without having to 
238         crack open the airframe.  However, when the board is in "flight 
239         mode" (turned on when the rocket is vertical) the TeleMetrum only 
240         transmits and doesn't listen at all.  That's because we want to put 
241         ultimate priority on event detection and getting telemetry out of 
242         the rocket and out over
243         the RF link in case the rocket crashes and we aren't able to extract
244         data later... 
245       </para>
246       <para>
247         We don't use a 'normal packet radio' mode because they're just too
248         inefficient.  GFSK is just FSK with the baseband pulses passed through a
249         Gaussian filter before they go into the modulator to limit the
250         transmitted bandwidth.  When combined with the hardware forward error
251         correction support in the cc1111 chip, this allows us to have a very
252         robust 38.4 kilobit data link with only 10 milliwatts of transmit power,
253         a whip antenna in the rocket, and a hand-held Yagi on the ground.  We've
254         had a test flight above 12k AGL with good reception, and my calculations
255         say we should be good to 40k AGL or more with just a 5-element yagi on
256         the ground.  I expect to push 30k with a 54mm minimum airframe I'm
257         working on now, so we'll hopefully have further practical confirmation
258         of our link margin in a few months.
259       </para>
260       <para>
261         Placeholder.
262       </para>
263     </section>
264   </chapter>
265   <chapter>
266     <title>Using Altus Metrum Products</title>
267     <section>
268       <title>Being Legal</title>
269       <para>
270         First off, in the US, you need an [amateur radio license](../Radio) or 
271         other authorization to legally operate the radio transmitters that are part
272         of our products.
273       </para>
274       <section>
275         <title>In the Rocket</title>
276         <para>
277           In the rocket itself, you just need a [TeleMetrum](../TeleMetrum) board and 
278           a LiPo rechargeable battery.  An 860mAh battery weighs less than a 9V 
279           alkaline battery, and will run a [TeleMetrum](../TeleMetrum) for hours.
280         </para>
281         <para>
282           By default, we ship TeleMetrum with a simple wire antenna.  If your 
283           electronics bay or the airframe it resides within is made of carbon fiber, 
284           which is opaque to RF signals, you may choose to have an SMA connector 
285           installed so that you can run a coaxial cable to an antenna mounted 
286           elsewhere in the rocket.
287         </para>
288       </section>
289       <section>
290         <title>On the Ground</title>
291         <para>
292           To receive the data stream from the rocket, you need an antenna and short 
293           feedline connected to one of our [TeleDongle](../TeleDongle) units.  The
294           TeleDongle in turn plugs directly into the USB port on a notebook 
295           computer.  Because TeleDongle looks like a simple serial port, your computer
296           does not require special device drivers... just plug it in.
297         </para>
298         <para>
299           Right now, all of our application software is written for Linux.  However, 
300           because we understand that many people run Windows or MacOS, we are working 
301           on a new ground station program written in Java that should work on all
302           operating systems.
303         </para>
304         <para>
305           After the flight, you can use the RF link to extract the more detailed data 
306           logged in the rocket, or you can use a mini USB cable to plug into the 
307           TeleMetrum board directly.  Pulling out the data without having to open up
308           the rocket is pretty cool!  A USB cable is also how you charge the LiPo 
309           battery, so you'll want one of those anyway... the same cable used by lots 
310           of digital cameras and other modern electronic stuff will work fine.
311         </para>
312         <para>
313           If your rocket lands out of sight, you may enjoy having a hand-held GPS 
314           receiver, so that you can put in a waypoint for the last reported rocket 
315           position before touch-down.  This makes looking for your rocket a lot like 
316           Geo-Cacheing... just go to the waypoint and look around starting from there.
317         </para>
318         <para>
319           You may also enjoy having a ham radio "HT" that covers the 70cm band... you 
320           can use that with your antenna to direction-find the rocket on the ground 
321           the same way you can use a Walston or Beeline tracker.  This can be handy 
322           if the rocket is hiding in sage brush or a tree, or if the last GPS position 
323           doesn't get you close enough because the rocket dropped into a canyon, or 
324           the wind is blowing it across a dry lake bed, or something like that...  Keith
325           and Bdale both currently own and use the Yaesu VX-7R at launches.
326         </para>
327         <para>
328           So, to recap, on the ground the hardware you'll need includes:
329           <orderedlist inheritnum='inherit' numeration='arabic'>
330             <listitem> 
331               an antenna and feedline
332             </listitem>
333             <listitem> 
334               a TeleDongle
335             </listitem>
336             <listitem> 
337               a notebook computer
338             </listitem>
339             <listitem> 
340               optionally, a handheld GPS receiver
341             </listitem>
342             <listitem> 
343               optionally, an HT or receiver covering 435 Mhz
344             </listitem>
345           </orderedlist>
346         </para>
347         <para>
348           The best hand-held commercial directional antennas we've found for radio 
349           direction finding rockets are from 
350           <ulink url="" >
351             Arrow Antennas.
352           </ulink>
353           The 440-3 and 440-5 are both good choices for finding a 
354           TeleMetrum-equipped rocket when used with a suitable 70cm HT.  
355         </para>
356       </section>
357       <section>
358         <title>Data Analysis</title>
359         <para>
360           Our software makes it easy to log the data from each flight, both the 
361           telemetry received over the RF link during the flight itself, and the more
362           complete data log recorded in the DataFlash memory on the TeleMetrum 
363           board.  Once this data is on your computer, our postflight tools make it
364           easy to quickly get to the numbers everyone wants, like apogee altitude, 
365           max acceleration, and max velocity.  You can also generate and view a 
366           standard set of plots showing the altitude, acceleration, and
367           velocity of the rocket during flight.  And you can even export a data file 
368           useable with Google Maps and Google Earth for visualizing the flight path 
369           in two or three dimensions!
370         </para>
371         <para>
372           Our ultimate goal is to emit a set of files for each flight that can be
373           published as a web page per flight, or just viewed on your local disk with 
374           a web browser.
375         </para>
376       </section>
377       <section>
378         <title>Future Plans</title>
379         <para>
380           In the future, we intend to offer "companion boards" for the rocket that will
381           plug in to TeleMetrum to collect additional data, provide more pyro channels,
382           and so forth.  A reference design for a companion board will be documented
383           soon, and will be compatible with open source Arduino programming tools.
384         </para>
385         <para>
386           We are also working on the design of a hand-held ground terminal that will
387           allow monitoring the rocket's status, collecting data during flight, and
388           logging data after flight without the need for a notebook computer on the
389           flight line.  Particularly since it is so difficult to read most notebook
390           screens in direct sunlight, we think this will be a great thing to have.
391         </para>
392         <para>
393           Because all of our work is open, both the hardware designs and the software,
394           if you have some great idea for an addition to the current Altus Metrum family,
395           feel free to dive in and help!  Or let us know what you'd like to see that 
396           we aren't already working on, and maybe we'll get excited about it too... 
397         </para>
398       </section>
399     </section>
400   </chapter>
401 </book>