zaterdag 2 april 2016

GPS onder de kap

Zoals bekend bij bezitters van carbon velomobielen wil een gps niet altijd lekker werken. Zeker als je onder een kap zit is de eerste de beste boom genoeg om de satellieten kwijt te raken. Op zich heel logisch: carbon is een elektrische geleider en je zit dan in een kooi van Faraday. De signalen die de satellieten uitzenden zijn door de enorme afstand (ca 20.000 km) heel zwak. Zo zwak zelfs dat de van nature aanwezige ruis vele malen sterker is dan het gps signaal. Alleen dankzij ingenieuze technieken (correlatie) kun je ze toch ontvangen. Maar te veel demping door een velomobiel, tja, dan houdt ook de wiskundige trukendoos er mee op.

Gelukkig is er een oplossing: plaats de gps antenne buiten de velomobiel. Het idee is simpel, maar mijn gps ontvanger (Garmin Edge 800) heeft geen aansluiting voor een externe antenne. Een truc is dan om vlak bij de Garmin een antenne te plaatsen die het signaal weer uitzendt. Antennes werken in principe even goed voor ontvangen als voor zenden. Alleen zit er een addertje onder het gras: alle losse gps antennes hebben een ingebouwde versterker en die werkt maar één kant op. Dus standaard externe gps antennes kunnen niet uitzenden. Nu ben ik van huis uit elektronica ontwerper, met als specialisatie antennes en draadloze identificatie (rfid), dit is voor mij een koud kunstje.

Uit de rommeldoos komt een oude gps antenne die open geschroefd wordt. In de behuizing zit een zogenaamde ceramic patch antenne en een printplaatje met twee versterkers in serie. De elektronica wordt voor zover nodig verwijderd en de coax kabel wordt aangesloten op het aansluitpunt van de patch. Ik heb ook nog een tweede antenne gevonden, die kan ongewijzigd blijven en moet aan de buitenkant komen. De coax kabels worden aan elkaar gesoldeerd. Bij dit alles moeten de losse eindjes van de kabel zo kort mogelijk blijven, een hooguit paar mm. De mantels van de coaxkabels komen aan elkaar en de binnenaders van de coaxkabels ook. De binnenader moet ook aan de plus van de voeding, de mantel komt aan de min.

Ik heb nog een oud kastlampje op batterijen. Met een beetje gepruts past alles er in. Drie batterijen leveren 4.5 V, ruim voldoende. De opgenomen stroom is ca 10 mA. Ik zet er ook nog een rood ledje in ipv het witte ledje. Die moet het met 0.5 mA doen en dat geeft genoeg licht om te zien dat de gps booster aan staat. Door te drukken op de behuizing kun je het geheel aan of uit zetten.


onderdelen van het eerste gps experiment

gps antenne op het klittenband van het minivizier


Garmin met onder het schuimblok de gps antenne
signaalsterkte (groene balkjes) is prima!

zonder gps booster nauwelijks signaal




Zoals te zien is op de gps, is de signaalsterkte veel hoger en zijn er veel meer satellieten zichtbaar. Daarmee is ook de plaatsbepaling nauwkeuriger.
Het geheel zit gemonteerd op de rechter wielkast. De eerste ritjes werkte het uitstekend, geen moment viel het signaal weg of werd de snelheidsweergave onbetrouwbaar, dat is vaak het eerste teken dat de gps ontvangst slecht is. Helaas werkt de aan/uit schakelaar niet. Dat was in de originele toepassing als kastlampje al de reden dat hij naar de rommeldoos werd verbannen, maar nu is er te weinig ruimte omdat de coax kabels over de batterij liggen. Bij een poging om de behuizing te openen (met een muntstuk aan de achterzijde) scheurde de behuizing kapot. Typisch gevalletje van operatie geslaagd, patiënt overleden.

Ondertussen heb ik een nieuwe versie gemaakt, en zijn ook de bestelde gps antennes verrassend snel vanuit China hier bezorgt. Ik besluit om er een sma connector op te zetten zodat de nieuwe antenne zonder modificaties aangesloten kan worden.

nieuwe versie, nog steeds wat prutswerk

De nieuwe gps antenne is nog een fractie kleiner. Ik gebruik nu een batterijhouder voor twee AA batterijen. Het stroomverbruik is nu flink wat lager. Ook zit er weer een ledje in en een vrij lompe schakelaar. Alles op een stukje blanke printplaat. Met klittenband hangt alles aan elkaar. Wat een wonderspul is dat toch. Met deze versie heb ik nog niet gefietst, maar de gps sterktebalkjes vliegen omhoog als ik de schakelaar aan zet. De hele goede kijkers zien dat er nog een ferrietkraaltje zit in de  aansluiting van de voeding. Ik denk niet dat het nodig is, maar kwaad kan het zeker niet. Het draadje naar de batterij heeft al voldoende zelfinductie om de gps frequentie tegen te houden.

Nog even reclame maken voor de gps antenne: http://www.aliexpress.com/item/2016-New-GPS-Active-Remote-Antenna-Aerial-Connector-1575-42MHz-SMA-connector-For-3M/32616362445.html
Voor $3.38 per stuk gratis thuis afgeleverd. Deze antenne heb ik nog niet open gehad, maar daar moet ook een vergelijkbare inhoud in zitten.

Wat de toekomst nog moet brengen: een fatsoenlijke behuizing zou wel handig zijn, ook als bescherming tegen al het vocht in de DF. Ook wil ik nog een bewegingssensor gebruiken om de aan/uit schakelaar te vervangen. Hoef ik nooit meer na te denken of hij aan of uit staat. Ook kan de gps-versterker waarschijnlijk wel een tandje minder hard versterken, dat scheelt dan weer stroomverbruik. Stel dat ik op 4 mA uit kom. Een batterij heeft ca 2000mAh capaciteit, dus goed voor 500 uur. Da's toch ruim 15000 km fietsplezier.

Verder wil ik nog eens kijken of het misschien helemaal passief kan, dus zonder antenneversterker. Ik vermoed dat dat best wel zal werken, alleen veel marge verwacht ik dan niet meer.

BELANGRIJKE AANVULLING:
De Aliexpress antennes zijn helaas niet zonder geweld open te krijgen. Daarmee wordt het wel lastig om er een zendantenne van te maken. De ublox antenne uit de rommeldoos daarentegen wel, maar daar zijn de schroefjes dol van. Mocht je toch met de aliexpress antenne wat willen doen, bedenk dan dat je het kapje over de antenne heel moet laten. De ceramic patch is afgeregeld op de invloed van het kapje. Zonder kapje zal de antenne op een te hoge frequentie afgesteld zijn.
Met een beetje geluk zit er een schroefje onder het magneetje, maar ik ben bang dat het dekseltje ultrasoon gelast is, of dat er lijm in zit
De aliexpress antenne, lastig open te maken

8 opmerkingen:

  1. Hoi Renier,

    Veel dank voor deze blog, dit klinkt als een degelijke oplossing. Ik had er ook al even op gegoogled, maar kon niks vinden hiervoor en mijn electronica kennis schiet veel te kort om dit zelf te verzinnen en uit te voeren. Ik hoop dat ik er met dit verhaal uit kan komen. Begrijp ik goed dat in essentie de coaxkabels van die antennes van Aliexpress aan elkaar moet worden gesoldeerd en dan van spanning moeten worden voorzien? Dat lijkt me nog net haalbaar ;-).

    Passief zou natuurlijk helemaal mooi zijn en gezien het feit dat met het vizier open mijn Edge 800 het toch nog wel enigszins aan kan lijkt me dat ook niet onhaalbaar en is het allemaal nog robuustee.

    Sportieve groet,
    Henk-Jan

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Hi Henk-Jan,
      Ik probeerde net de aliexpress antenne open te maken, maar dat lukt niet. Er zitten geen schroefjes onder de sticker. Je moet één van de antennes modificeren, anders kan hij niet uitzenden. Verder klopt jouw samenvatting wel ;)

      Verwijderen
  2. Mooi beschreven en je oplossing werkt ook als je met meerdere GPS toestellen tegelijk werkt. In mijn geval gebruikt de telefoon GPS voor de tracker die het thuisfront informeert, de Garmin Etrex voor de route en de Suunto Ambit3 voor de sportieve informatie :)

    Misschien moeten we VM fabrikanten vragen om een GPS-luikje in de body te maken: een klein stukje body dat niet uit koolstofmat bestaat. Of iets bedenken waardoor de carbon geen aaneengesloten stukken vormt. Vraagt wat creativiteit, maar zou moeten kunnen.

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Een stukje glasvezel ipv koolstof had ik ook al bedacht en aan Ymte voorgesteld. Mijn DF was toen al in de maak, dus daar kwam het sowieso te laat voor. Mogelijk werkt het nog beter als je er een metalen vierkant plaatje in lamineert met precies de juiste afmetingen (halve golflengte). Het kan dan als antenne gaan resoneren. Is alleen nog maar een ideetje, wil ik nog een keer wat mee gaan experimenteren en meten.

      Verwijderen
  3. Mooi knutselwerk. Zou je deze oplossing, met schema, na testen, op ligfiets.net in de zelfbouwhoek willen toevoegen?

    BeantwoordenVerwijderen
  4. Very interesting! I had the same problem with my modified Quest XS which has a reinforced body with more Carbon and also "honeycomb" material. As you experienced the signal strength at my Garmin Montana was very poor and often lost altogether. Fortunately the Montana has an aerial connection so I just bought the Garmin external aerial (Garmin GA 25 MCX Low-Profile GPS Antenna 010-10702-00) and now I never lose GPS lock> The advantage of your system though is that all GPS devices can benefit--I have friends who will be interested.

    BeantwoordenVerwijderen
  5. Nice to see that my blog is also "decyphered" in the UK!
    I'll do some more testing as the antennas I bought from Aliexpress cannot be opened. I have some ideas to make my own antenna with just some wire. Then you only need one standard antenna (with amplifier).
    I'm just extremely busy at the moment, so it will have to wait a few weeks.

    BeantwoordenVerwijderen