Modulacja amplitudy (AM) a modulacja częstotliwości (FM).

 Jak inżynierowie z lat czterdziestych wygrali wojnę z szumem, zmieniając zasady gry

Każdy z nas zna to uczucie irytacji, gdy ulubioną piosenkę w radiu przerywa nagły zgrzyt lub szum. Wystarczy, że ktoś w pobliżu włączy golarkę elektryczną, a za oknem rozpęta się burza, by czysty dźwięk zamienił się w kakofonię zakłóceń. Przez lata wydawało się, że to nieodłączna cecha radia, z którą trzeba się po prostu pogodzić.

Okazuje się jednak, że rozwiązanie tego problemu jest zaskakująco eleganckie i pochodzi prosto z laboratoriów wojskowych z lat 40. XX wieku. To właśnie wtedy, w ogniu wojennych innowacji, opracowano technologię, która nie walczyła z szumem, ale uczyniła go kompletnie nieistotnym. W tym artykule odkryjemy pięć zaskakujących zasad działania modulacji częstotliwości (FM), które na zawsze zmieniły radio i zapewniają nam czysty dźwięk do dziś.

1. Szum radiowy to nie chaos – to po prostu sygnał mówiący w tym samym języku co radio AM

Kluczem do zrozumienia porażki starego radia jest zaskakująca prawda: problemem nie był sam szum, ale fakt, że mówił on w tym samym języku co pożądany sygnał. Technologia AM (modulacja amplitudy) kodowała dźwięk, czyli techniczną „inteligencję”, poprzez zmianę siły (amplitudy) fali radiowej. Głośniejszy dźwięk oznaczał silniejszą falę, a cichszy – słabszą.

Problem w tym, że niemal wszystkie zakłócenia elektryczne w naszym otoczeniu – od wyładowań atmosferycznych po silniki maszyn – również generują swoje własne, chaotyczne zmiany amplitudy. Gdy te zakłócenia trafiały na falę radiową AM, odbiornik stawał się bezradny. Nie potrafił odróżnić, które zmiany amplitudy niosą pożądaną „inteligencję” w postaci muzyki, a które są tylko przypadkowym szumem.

Odbiornik AM nie potrafi oddzielić zmian amplitudy niosących inteligencję od tych, które niosą tylko szum. Szum – to jest problem.

2. Sekret radia FM: zamiast walczyć z zakłóceniami, po prostu je zignoruj

Skoro walka z zakłóceniami na polu amplitudy była z góry przegrana, inżynierowie podeszli do problemu z innej strony. Na tym polegał geniusz ich rozwiązania: zamiast stawiać czoła problemowi, postanowili go ominąć, zmieniając sam język komunikacji. Zamiast kodować dźwięk poprzez zmianę siły fali, technologia FM zaczęła zmieniać jej częstotliwość (szybkość drgań), pozostawiając amplitudę na stałym, niezmiennym poziomie.

Był to przełom. Badania wykazały, że zakłócenia elektryczne, które siały spustoszenie w sygnale AM, miały znikomy lub żaden wpływ na częstotliwość fali radiowej. W praktyce oznaczało to przeniesienie „rozmowy” do medium, którego szum po prostu nie rozumiał. Zamiast budować skomplikowane filtry, by walczyć z hałasem, radio FM po prostu go zignorowało.

Ale inżynierowie odkryli, że wyładowania atmosferyczne i inne zakłócenia elektryczne mają znikomy wpływ na częstotliwość fali radiowej. Zaczęli więc rozumować: dlaczego nie utrzymać stałej amplitudy i zmieniać częstotliwość lub długość fali, aby to ona niosła wiadomość?

3. Twój odbiornik FM dosłownie "przycina" falę radiową, by usunąć szum

Wydawałoby się, że sygnał FM jest już czysty. Ale jego twórcy poszli o krok dalej, wyposażając każdy odbiornik w bezwzględny mechanizm „czyszczący”, który dba o absolutną perfekcję. Nawet jeśli w drodze z nadajnika jakieś przypadkowe skoki amplitudy „zabrudzą” sygnał, do gry wchodzi kluczowy element odbiornika – tzw. „limiter”.

Limiter działa jak precyzyjny strażnik, który „spłaszcza” falę do idealnie równego poziomu. Bezlitośnie obcina wszelkie wahania amplitudy, które wystają ponad ustalony próg – zarówno te dodatnie, jak i ujemne. Proces ten ma jednak pewien skutek uboczny: fala po takim przycięciu staje się kwadratowa, co wprowadziłoby zniekształcenia do dźwięku. I tu ujawnia się druga część geniuszu tego układu.

Tuż za limiterem znajduje się obwód rezonansowy (tzw. „tuned plate circuit”), który działa na zasadzie „efektu koła zamachowego” (flywheel effect). Wygładza on ostre krawędzie spłaszczonej fali, przywracając jej idealny, sinusoidalny kształt, ale już o stałej, niezmiennej amplitudzie. Do dalszych części radia trafia sygnał pozbawiony jakichkolwiek śladów szumu, gotowy do zdekodowania.

4. Co innego robi głośność, a co innego ton – czyli jak dźwięk rzeźbi falę FM

System kodowania dźwięku w FM to precyzyjny szyfr, w którym dwie podstawowe cechy dźwięku – jego wysokość (ton) i głośność – sterują falą radiową na dwa zupełnie różne sposoby.

Ton dźwięku (np. niska lub wysoka nuta) decyduje o tym, jak często częstotliwość fali radiowej zmienia się wokół swojej centralnej wartości, zwanej „częstotliwością spoczynkową” (rest frequency). Dźwięk o częstotliwości 1000 Hz sprawi, że fala radiowa będzie „wahlować” 1000 razy na sekundę.

Z kolei głośność dźwięku decyduje o tym, jak bardzo częstotliwość odchyla się od punktu spoczynkowego. Cichy dźwięk spowoduje niewielkie odchylenie, a głośny krzyk wywoła znacznie większe. Inżynierowie nazwali to zjawisko „dewiacją” (deviation) – im głośniejszy dźwięk, tym większa dewiacja od częstotliwości spoczynkowej. Dzięki temu precyzyjnemu mapowaniu, odbiornik może idealnie odtworzyć zarówno melodię, jak i dynamikę oryginalnego nagrania.

5. Zanim FM zagrało muzykę, musiało zapewnić łączność na polu bitwy

Choć dziś kojarzymy FM głównie z muzyką w samochodzie, technologia ta narodziła się z bardzo praktycznej, militarnej potrzeby. Jak ujawnia film instruktażowy Departamentu Wojny USA z 1944 roku, w samym środku walk II Wojny Światowej, jednym z głównych motorów napędowych rozwoju FM była konieczność zapewnienia niezawodnej komunikacji na froncie.

Na polu bitwy panował chaos elektryczny. Szum generowany przez silniki czołgów, dalekopisy i inny sprzęt wojskowy sprawiał, że komunikacja oparta na radiu AM była niemal niemożliwa. Kluczowe rozkazy ginęły w morzu zakłóceń, co mogło mieć tragiczne konsekwencje. Stabilna, odporna na zakłócenia łączność, którą oferowało radio FM, stała się strategicznym atutem. Zapewniała, że wiadomości dotrą do celu czyste i zrozumiałe, niezależnie od tego, jak głośno pracowały maszyny wojenne.

PODSUMOWANIE

Historia radia FM to opowieść o inżynieryjnej elegancji. Zamiast budować coraz bardziej skomplikowane systemy do walki z nieuniknionym problemem szumu, twórcy tej technologii postanowili całkowicie zmienić perspektywę. Przenosząc informację z podatnej na zakłócenia amplitudy do stabilnej i odpornej częstotliwości, rozwiązali problem u jego źródła, a nie tylko maskowali objawy.

To ponadczasowa lekcja inżynierii: czasami najtrudniejszy problem można rozwiązać nie przez walkę, ale przez fundamentalną zmianę perspektywy. Ile dzisiejszych technologicznych „szumów” moglibyśmy wyeliminować, gdybyśmy tylko odważyli się zmienić język, w którym o nich myślimy?

Magia modulacji częstotliwości (FM): przewodnik dla początkujących

1. Wprowadzenie: dlaczego potrzebowaliśmy czegoś lepszego niż radio AM?

1.1. Problem z szumami w radiu AM

Modulacja amplitudy (AM) przez lata była podstawą komunikacji radiowej, ale miała fundamentalną wadę: była niezwykle podatna na zakłócenia. Różnego rodzaju zjawiska i urządzenia elektryczne – od burz, przez maszynki do golenia, aż po silniki czołgów – generują własne impulsy, które zmieniają amplitudę (czyli siłę) fali radiowej.

Problem polega na tym, że odbiornik AM nie jest w stanie odróżnić pożądanych zmian amplitudy, które niosą ze sobą informację (głos, muzykę), od przypadkowych zmian spowodowanych zakłóceniami. W rezultacie słuchacz odbierał nie tylko właściwy sygnał, ale również głośne trzaski i szumy. Jak trafnie ujęto to w jednym z materiałów szkoleniowych, technologia AM "nigdy nie była w stanie wyczesać szumu ze swoich włosów".

1.2. Narodziny nowej idei

W poszukiwaniu rozwiązania inżynierowie odkryli kluczową prawidłowość: te same zakłócenia elektryczne, które siały spustoszenie w amplitudzie fali, miały znikomy wpływ na jej częstotliwość. To odkrycie stało się fundamentem rewolucyjnej technologii – modulacji częstotliwości (FM).

Idea FM jest prosta i genialna: zamiast zmieniać siłę fali radiowej, zaczęto zmieniać jej częstotliwość, utrzymując amplitudę na stałym poziomie. W ten sposób "inteligencja" – czyli przesyłana informacja – została zakodowana w parametrze fali, który jest naturalnie odporny na większość popularnych zakłóceń. Sygnał stał się bezpieczny.

Aby w pełni zrozumieć, jak działa ta elegancka metoda, musimy poznać kilka podstawowych pojęć, które stanowią fundament technologii FM.

2. Anatomia sygnału FM: kluczowe pojęcia

Sygnał FM jest kształtowany przez dwie kluczowe cechy dźwięku: jego głośność oraz wysokość tonu. Zrozumienie, jak każda z nich wpływa na falę radiową, jest kluczem do pojęcia magii FM.

2.1. Częstotliwość spoczynkowa (resting frequency)

Każda stacja radiowa FM ma swoją przypisaną częstotliwość bazową, zwaną częstotliwością spoczynkową. Jest to częstotliwość fali nośnej, gdy nie jest ona modulowana – czyli w momentach idealnej ciszy. Można ją sobie wyobrazić jako "punkt wyjścia" lub "środkowy pas na autostradzie", od którego sygnał będzie się odchylał. W materiałach szkoleniowych z epoki jako przykład podawano częstotliwość 40 megaherców.

2.2. Głośność a dewiacja (amount of change)

Dewiacja to miara tego, jak daleko częstotliwość sygnału odchyla się od swojej wartości spoczynkowej. Kluczową zasadą w FM jest to, że wielkość tej dewiacji jest wprost proporcjonalna do głośności dźwięku.

• Cichy dźwięk powoduje niewielkie odchylenie od częstotliwości spoczynkowej.
• Głośny dźwięk powoduje duże odchylenie.

Wyobraź sobie, że idziesz dokładnie po linii na chodniku. To jest Twoja częstotliwość spoczynkowa. Kiedy ktoś szepcze, odchylasz się od linii tylko o kilka centymetrów. Ale kiedy krzyczy, odskakujesz na pół metra w bok. Ta odległość od linii to właśnie dewiacja.

2.3. Ton a szybkość zmian (rate of change)

Podczas gdy głośność decyduje, jak daleko sygnał się odchyla, wysokość tonu (czyli częstotliwość fali dźwiękowej) decyduje, jak często (ile razy na sekundę) sygnał FM "przeskakuje" pomiędzy odchyleniami w górę i w dół od częstotliwości spoczynkowej.

• Niski ton (np. 500 Hz) powoduje wolne wahania częstotliwości.
• Wysoki ton (np. 1000 Hz) powoduje, że częstotliwość zmienia się dwa razy szybciej.

Wracając do naszej analogii: wysokość tonu decyduje, jak szybko wykonujesz kroki w bok i z powrotem do linii. Niski ton to powolne odchylanie się i wracanie. Wysoki ton to bardzo szybkie, nerwowe przeskakiwanie z jednej strony linii na drugą.

2.4. Porównanie kluczowych wpływów

Poniższa tabela syntetyzuje wpływ obu cech dźwięku na sygnał FM.

Cecha dźwięku	Wpływ na sygnał FM	Kluczowe pojęcie
Głośność (amplituda dźwięku)	Określa, jak daleko częstotliwość odchyla się od wartości spoczynkowej.	Dewiacja
Wysokość tonu (częstotliwość dźwięku)	Określa, jak szybko (ile razy na sekundę) częstotliwość przełącza się między odchyleniami.	Szybkość Zmian

Ta swoboda w modulacji sygnału wymaga jednak żelaznej dyscypliny. Aby uniknąć chaosu w eterze, wprowadzono precyzyjny system kanałów i limitów, który organizuje transmisje FM.

3. Organizacja eteru: kanały, dewiacja i pasma ochronne

Aby wiele stacji FM mogło nadawać jednocześnie bez wzajemnego zakłócania się, konieczne było stworzenie standardów określających granice dla każdego nadawcy.

3.1. Maksymalna dewiacja i szerokość kanału

Jak wyjaśniono w wojskowych materiałach szkoleniowych z epoki, to armia amerykańska ustaliła maksymalną dozwoloną dewiację, aby zapobiec "wchodzeniu" jednej stacji na częstotliwość sąsiedniej.

• Maksymalna dewiacja: ustalono ją na 40 kiloherców (kHz) w każdą stronę od częstotliwości spoczynkowej. Oznacza to, że nawet najgłośniejszy sygnał nie może spowodować odchylenia większego niż 40 kHz.
• Całkowite wahanie nośnej (carrier swing): jest to suma maksymalnej dewiacji w obie strony, czyli 40 kHz w górę + 40 kHz w dół, co daje łącznie 80 kHz.

3.2. Pasma ochronne (guard bands)

Nawet przy ustalonych limitach dewiacji istnieje ryzyko, że sygnał z sąsiedniego kanału może się "przelać" (ang. slop over) i spowodować zakłócenia. Aby temu zapobiec, wprowadzono pasma ochronne – puste "strefy buforowe" po obu stronach użytecznego pasma sygnału. Działają one jak pasy awaryjne na autostradzie, oddzielając od siebie poszczególne "pasy ruchu" (kanały radiowe). Szerokość każdego pasma ochronnego ustalono na 10 kHz.

3.3. Podsumowanie szerokości kanału

Całkowita szerokość kanału radiowego FM jest sumą jego składowych. Proste obliczenie wygląda następująco:

• Dewiacja w górę: 40 kHz
• Dewiacja w dół: 40 kHz
• Górne pasmo ochronne: 10 kHz
• Dolne pasmo ochronne: 10 kHz
• Całkowita szerokość kanału: 100 kHz

Dzięki tym precyzyjnym zasadom modulacja częstotliwości staje się nie tylko technologią odporną na zakłócenia, ale również uporządkowanym i niezawodnym systemem komunikacji, zdolnym obsłużyć wielu nadawców jednocześnie.

4. Wnioski: dlaczego FM zmieniło świat radia

Rewolucja FM nie polegała jedynie na nowej technice modulacji; była fundamentalną zmianą paradygmatu w komunikacji radiowej, która przyniosła trwałe korzyści odczuwalne do dziś.

• Czystość dźwięku: najważniejsza zaleta dla słuchacza. Kodowanie informacji w częstotliwości sprawiło, że sygnał FM jest praktycznie niewrażliwy na zakłócenia elektryczne od burz czy urządzeń. Efektem jest krystalicznie czysty odbiór, wolny od trzasków i szumów charakterystycznych dla AM.
• Niezawodność komunikacji: odporność na zakłócenia miała ogromne znaczenie militarne. FM pozwoliło na utrzymanie pewnej i zrozumiałej komunikacji na polu bitwy, gdzie praca czołgów i innego ciężkiego sprzętu generowała potężne zakłócenia, które uniemożliwiały korzystanie z radia AM.
• Zorganizowana transmisja: ścisłe uregulowanie parametrów transmisji – takich jak maksymalna dewiacja i pasma ochronne – stworzyło uporządkowany system. Pozwoliło to na efektywne wykorzystanie pasma radiowego, umożliwiając wielu stacjom nadawanie wysokiej jakości sygnału bez wzajemnego zakłócania się.

Jak działa radio FM: podróż sygnału krok po kroku

Wprowadzenie: rozwiązanie problemu szumów

Radio z modulacją amplitudy (AM) od dawna zmagało się z fundamentalnym problemem: podatnością na zakłócenia. Burze, urządzenia elektryczne, a nawet przelatujący samolot mogły dodawać do sygnału radiowego niechciane trzaski i szumy. Działo się tak, ponieważ zakłócenia te wpływały na amplitudę (siłę) fali radiowej – dokładnie tę samą cechę, która w AM służyła do przenoszenia dźwięku. Modulacja częstotliwości (FM) została opracowana jako rewolucyjne rozwiązanie tego problemu. Zmieniając sposób kodowania dźwięku w fali radiowej, technologia FM zapewniła niemal całkowitą odporność na zakłócenia, dostarczając czysty i klarowny odbiór. Jak ujął to narrator filmu instruktażowego z czasów wojny, w radiu FM "słychać to, co nadaje studio", bez irytującego szumu w tle.

Część I: nadawanie – jak powstaje sygnał FM

1. Krok: fundamenty – czym FM różni się od AM?

Zanim zagłębimy się w proces tworzenia sygnału FM, kluczowe jest zrozumienie fundamentalnej różnicy między nim a jego poprzednikiem, czyli AM. Obie technologie "nakładają" informację dźwiękową na falę radiową, ale robią to w zupełnie inny sposób.

Cecha	Modulacja amplitudy (AM)	Modulacja częstotliwości (FM)
Sposób przenoszenia informacji	Informacja (dźwięk) jest kodowana poprzez zmianę amplitudy (siły) fali nośnej.	Informacja (dźwięk) jest kodowana poprzez zmianę częstotliwości fali nośnej.
Wpływ zakłóceń	Zakłócenia elektryczne (np. błyskawica) generują własne zmiany amplitudy, które bezpośrednio zniekształcają sygnał i są słyszalne jako szum.	Zakłócenia elektryczne mają "znikomy wpływ" na częstotliwość fali, dzięki czemu sygnał pozostaje czysty, a informacja dźwiękowa nienaruszona.
Stała cecha fali	Częstotliwość fali nośnej pozostaje niezmienna.	Amplituda (siła) fali nośnej pozostaje niezmienna.

Skoro już wiemy, na czym polega przewaga FM, zobaczmy, jak dokładnie tworzony jest taki sygnał w nadajniku.

2. Krok: modulacja – jak dźwięk kształtuje falę radiową

Proces "nałożenia" sygnału audio na falę radiową w technologii FM jest elegancki w swojej prostocie. Wyobraźmy sobie podstawowy nadajnik wykorzystujący mikrofon pojemnościowy.

1. Punkt wyjścia: oscylator. Wszystko zaczyna się od oscylatora, czyli obwodu elektronicznego, który generuje stabilną falę radiową o stałej częstotliwości. Ta bazowa częstotliwość nazywana jest częstotliwością spoczynkową (ang. rest frequency). To na niej zostanie zakodowany dźwięk.
2. Wejście audio: mikrofon. Gdy fale dźwiękowe (np. głos spikera) uderzają w membranę mikrofonu pojemnościowego, powodują one wibracje jednej z jego dwóch płytek. Płytki te działają jak kondensator.
3. Magia modulacji: zmiana częstotliwości. Wibracje płytki mikrofonu powodują zmianę odległości między nią a drugą, stacjonarną płytką. To z kolei zmienia pojemność elektryczną mikrofonu. Ponieważ mikrofon jest połączony z obwodem rezonansowym oscylatora, zmiana jego pojemności bezpośrednio wpływa na częstotliwość generowanej fali radiowej.
   • Gdy płytki zbliżają się do siebie, pojemność rośnie, a częstotliwość fali maleje.
   • Gdy płytki oddalają się od siebie, pojemność maleje, a częstotliwość fali rośnie.

W ten sposób sygnał audio zostaje przetłumaczony na zmiany częstotliwości fali radiowej.

Częstotliwość fali radiowej zmienia się w rytm oryginalnego dźwięku.

3. Krok: zrozumienie zmian – wysokość i głośność dźwięku

Sygnał FM koduje dwie kluczowe cechy dźwięku: jego wysokość (częstotliwość) i głośność (amplitudę). Odbywa się to poprzez dwa rodzaje zmian w fali radiowej:

• Szybkość zmian (Częstotliwość dźwięku): wysokość dźwięku określa, jak szybko (ile razy na sekundę) częstotliwość fali radiowej waha się wokół swojej częstotliwości spoczynkowej.
  • Przykład: Dźwięk o częstotliwości 500 Hz powoduje, że częstotliwość fali nośnej "przechodzi" od wartości minimalnej do maksymalnej i z powrotem 500 razy na sekundę.
• Wielkość zmian (dewiacja): głośność dźwięku określa, jak bardzo częstotliwość fali radiowej odchyla się od częstotliwości spoczynkowej. Im głośniejszy dźwięk, tym większe jest to odchylenie, nazywane dewiacją. Głośniejszy dźwięk powoduje, że częstotliwość fali radiowej "odsuwa się" dalej od częstotliwości spoczynkowej, tworząc większą dewiację, podczas gdy cichszy dźwięk powoduje mniejsze odchylenie.

Gdy już nasz sygnał FM, niosący zakodowany dźwięk, zostanie wyemitowany, musi zostać poprawnie odebrany i zdekodowany. Zobaczmy, jak to się dzieje.

Część II: odbiór – jak radio zamienia falę w dźwięk

4. Krok: odbiornik FM – trzy kluczowe różnice

Odbiornik FM, choć podobny do odbiornika AM, musi posiadać trzy unikalne komponenty, aby poprawnie przetworzyć sygnał modulowany częstotliwościowo.

1. Szersze pasmo (bandpass). Odbiornik musi być zdolny do odbioru szerszego zakresu częstotliwości. Dzieje się tak, ponieważ sygnał FM, z powodu dewiacji, zajmuje znacznie szersze "pasmo" niż sygnał o stałej częstotliwości, jak w AM.
2. Ogranicznik (limiter). To specjalny obwód, którego zadaniem jest odcięcie wszelkich zakłóceń, które pojawiły się na fali radiowej jako niechciane zmiany amplitudy podczas jej podróży od nadajnika.
3. Dyskryminator (discriminator). Jest to kluczowy element, który wykonuje zadanie odwrotne do modulatora w nadajniku – zamienia zmiany częstotliwości z powrotem na sygnał audio (czyli zmiany napięcia).

5. Krok: oczyszczanie sygnału – rola ogranicznika

Nawet najlepszy sygnał FM po opuszczeniu nadajnika może "zebrać" po drodze zakłócenia. Pojawiają się one jako niechciane wahania amplitudy. Tutaj do akcji wkracza ogranicznik.

• Sygnał FM docierający do anteny odbiornika, mimo że w teorii powinien mieć stałą amplitudę, w praktyce posiada "narośla" i "wżery" spowodowane przez zakłócenia elektryczne.
• Zadaniem ogranicznika jest "obcięcie" tych wahań amplitudy. Wykorzystuje do tego specjalną lampę ostrego odcięcia (sharp cutoff tube), która jest bardzo czuła na zmiany sygnału i błyskawicznie przestaje przewodzić prąd, gdy amplituda przekroczy określony poziom. W ten sposób skutecznie "przycinane" są wszystkie szczyty fali (zarówno dodatnie, jak i ujemne), niosące ze sobą szum.
• Po tym procesie fala ma już stałą amplitudę, ale jej kształt staje się nieco "kwadratowy" z powodu gwałtownego obcięcia.
• Na koniec obwód rezonansowy, dzięki zjawisku znanemu jako "flywheel effect", wygładza te nieregularności, przywracając fali jej pierwotny, gładki kształt, ale już bez zakłóceń amplitudowych.

Teraz, gdy sygnał jest już wolny od szumów, nadszedł czas, aby odzyskać z niego oryginalną informację dźwiękową.

6. Krok: dekodowanie wiadomości – rola dyskryminatora

Oczyszczony sygnał FM trafia do dyskryminatora, który w genialny sposób zamienia wahania częstotliwości z powrotem na sygnał audio. Proces ten przebiega następująco:

1. Dyskryminator to w istocie obwód rezonansowy, który jest celowo nastrojony na częstotliwość leżącą nieco obok częstotliwości spoczynkowej odbieranego sygnału. Dzięki temu częstotliwość spoczynkowa sygnału trafia idealnie na zbocze krzywej odpowiedzi częstotliwościowej dyskryminatora.
2. Gdy częstotliwość przychodzącej fali FM "wspina się" po zboczu, zbliżając się do częstotliwości rezonansowej dyskryminatora (jego szczytu), obwód ten przepuszcza więcej energii, a napięcie na jego wyjściu wzrasta.
3. Gdy częstotliwość fali oddala się od częstotliwości rezonansowej, "schodząc" po zboczu, napięcie na wyjściu maleje.
4. W rezultacie, wahania częstotliwości fali radiowej są idealnie odwzorowywane jako wahania napięcia na wyjściu dyskryminatora. Te wahania napięcia to nic innego jak odzyskany, oryginalny sygnał audio.

Podsumowanie: cała podróż w pigułce

Podróż sygnału FM to fascynujący proces transformacji. Wszystko zaczyna się od dźwięku w studiu, który w nadajniku, za pomocą modulatora, kształtuje częstotliwość fali radiowej. Ta fala, z zakodowaną wiadomością, jest emitowana przez antenę nadawczą. Po dotarciu do odbiornika, sygnał jest najpierw oczyszczany z wszelkich zakłóceń amplitudowych w ograniczniku. Następnie, w dyskryminatorze, jego wahania częstotliwości są z powrotem zamieniane na sygnał audio. Ten sygnał jest na koniec wzmacniany i odtwarzany przez głośnik. To właśnie ta elegancka metoda kodowania i dekodowania informacji – skupiona na częstotliwości, a nie na podatnej na zakłócenia amplitudzie – stanowi o sile technologii FM i jej zdolności do dostarczania czystego dźwięku bez zakłóceń.

Modulacja częstotliwości (FM): strategiczna przewaga w komunikacji wojskowej

1. Wprowadzenie: problem zakłóceń radiowych na polu walki

Niezawodna komunikacja radiowa stanowi fundament nowoczesnych operacji wojskowych. Zdolność do przekazywania klarownych i niezakłóconych rozkazów, raportów zwiadowczych i koordynacji działań na dynamicznym polu bitwy jest czynnikiem decydującym o powodzeniu misji. Jednak przed upowszechnieniem się technologii FM, komunikacja radiowa w warunkach polowych była prawdziwym "komunikacyjnym bólem głowy" dla armii. Dominująca wówczas technologia modulacji amplitudy (AM) okazała się niezwykle podatna na wszechobecne zakłócenia elektryczne.

Zarówno działania wojskowe, jak i zjawiska naturalne generowały potężny szum elektromagnetyczny, który degradował sygnały AM, czyniąc odbiór "prawie niemożliwym". Do głównych źródeł zakłóceń należały:

• Gąsienice czołgów
• Dalekopisy (teletypes)
• Ładowarki akumulatorów
• Pojazdy opancerzone
• Burze i inne zjawiska atmosferyczne

Te impulsy elektryczne, określane zbiorczo jako "static", nakładały się na sygnał radiowy, zniekształcając przekazywane informacje i w praktyce degradując przychodzący sygnał. W tych warunkach kluczowe komunikaty stawały się niezrozumiałe, co stwarzało bezpośrednie zagrożenie dla żołnierzy i skuteczności operacyjnej. Pojawienie się modulacji częstotliwości (FM) stanowiło przełom technologiczny, który zaoferował skuteczne rozwiązanie tego wszechobecnego problemu.

2. Fundamentalna różnica: modulacja amplitudy (AM) a modulacja częstotliwości (FM)

Aby w pełni docenić rewolucyjny charakter FM, kluczowe jest zrozumienie fundamentalnych różnic w sposobie kodowania informacji w obu systemach. Podatność AM na zakłócenia i odporność FM wynikają bezpośrednio z ich odmiennych zasad działania, które miały decydujące znaczenie strategiczne.

2.1. Zasada działania AM i jej podatność na zakłócenia

Wrodzona podatność modulacji amplitudy (AM) wynikała z jej fundamentalnej zasady: kodowania informacji w tej samej charakterystyce – amplitudzie – która była najbardziej wrażliwa na chaos elektryczny pola bitwy. W systemie tym informacja, na przykład dźwięk, jest "nanoszona" na falę nośną o stałej częstotliwości poprzez zmianę jej amplitudy, czyli siły. Głośniejsze dźwięki powodują większe wahania amplitudy, a cichsze – mniejsze.

Problem polega na tym, że metoda ta jest z natury bezbronna wobec zakłóceń. Impulsy elektryczne generowane przez silniki, wyładowania atmosferyczne czy inny sprzęt wojskowy również powodują gwałtowne zmiany amplitudy fali radiowej. Dla odbiornika AM takie zakłócenia są nie do odróżnienia od właściwego sygnału niosącego informację. W rezultacie odbiornik nie jest w stanie oddzielić wiadomości od szumu, co prowadzi do trzasków i zniekształceń w głośniku.

2.2. Koncepcja FM: odpowiedź na problem zakłóceń

Przełom w technologii radiowej nastąpił, gdy inżynierowie odkryli, że zakłócenia elektryczne mają "znikomy wpływ" na częstotliwość fali radiowej. To spostrzeżenie stało się fundamentem modulacji częstotliwości (FM). Zamiast zmieniać amplitudę, postanowiono utrzymać ją na stałym poziomie, a informację kodować poprzez zmianę jej częstotliwości.

W systemie FM informacja jest przenoszona przez zmianę częstotliwości fali nośnej, podczas gdy jej amplituda pozostaje stała. Głośność dźwięku wejściowego determinuje, jak bardzo częstotliwość fali odchyla się od swojej wartości bazowej, natomiast wysokość dźwięku (ton) określa, jak szybko te zmiany następują. Konsekwencje tego podejścia są fundamentalne: "Jakikolwiek ładunek elektrostatyczny, który przeskoczy na falę, wpływa tylko na amplitudę, a nie na częstotliwość. Dlatego informacja pozostaje nienaruszona".

3. Generowanie sygnału FM: od dźwięku do fali radiowej

Genialna odporność FM na zakłócenia zaczyna się u samego źródła, gdzie sam akt generowania fali radiowej jest nierozerwalnie związany z sygnałem audio, tworząc fundamentalnie odmienny rodzaj transmisji. Uproszczony model wykorzystujący mikrofon pojemnościowy doskonale ilustruje tę zależność.

Proces modulacji przebiega w następujących krokach:

1. Fale dźwiękowe uderzają w elastyczną membranę mikrofonu, wprawiając ją w wibracje.
2. Wibracje membrany, która jest jedną z dwóch płytek kondensatora, zmieniają odległość między płytkami, co z kolei modyfikuje pojemność elektryczną mikrofonu.
3. Mikrofon jest połączony z obwodem rezonansowym oscylatora, więc zmiana jego pojemności bezpośrednio wpływa na parametry całego obwodu.
4. Zmiana w obwodzie rezonansowym powoduje precyzyjną zmianę częstotliwości generowanej przez oscylator.
5. W rezultacie, częstotliwość fali radiowej emitowanej przez nadajnik jest modulowana w idealnej zgodności z oryginalnym sygnałem dźwiękowym.

W celu zrozumienia i standaryzacji sygnałów FM, zdefiniowano kluczowe pojęcia:

• Częstotliwość spoczynkowa (rest frequency): jest to bazowa częstotliwość fali nośnej, gdy nie jest ona modulowana, czyli gdy do mikrofonu nie dociera żaden dźwięk.
• Szybkość zmian (rate of change): parametr ten jest określany przez częstotliwość (wysokość) dźwięku. Dźwięk o wyższym tonie powoduje, że częstotliwość fali radiowej oscyluje wokół częstotliwości spoczynkowej szybciej niż dźwięk o niższym tonie.
• Dewiacja (deviation): wartość ta jest określana przez głośność (amplitudę) dźwięku. Im głośniejszy dźwięk, tym większe jest maksymalne odchylenie częstotliwości fali radiowej od jej wartości spoczynkowej.

Aby zapobiec wzajemnym zakłóceniom między różnymi nadajnikami, armia wprowadziła ścisłe standardy dla kanałów FM. Ta ścisła dyscyplina kanałowa była niepodważalna w gęstym środowisku wojskowym, zapobiegając zagłuszaniu krytycznej komunikacji jednej jednostki przez transmisje jednostki sąsiedniej.

Parametr	Wartość	Opis
Maksymalna dewiacja	40 kHz (w każdą stronę)	Największe dozwolone odchylenie od częstotliwości spoczynkowej.
Wahnięcie nośnej (carrier swing)	80 kHz	Całkowity zakres zmian częstotliwości (40 kHz + 40 kHz).
Pasma ochronne (guard bands)	10 kHz (po każdej stronie)	Dodatkowe pasmo chroniące przed "przelewaniem się" sygnału do sąsiedniego kanału.
Całkowita szerokość kanału	100 kHz	Suma wahnięcia nośnej i obu pasm ochronnych.

Chociaż przedstawiony model z mikrofonem pojemnościowym doskonale ilustruje zasadę działania, armia stosowała również inne, bardziej zaawansowane systemy modulacji, takie jak "lampa reaktancyjna" (reactance tube) oraz "modulacja fazy" (phase modulation). Niezależnie od metody generowania, sygnał FM musiał być następnie poprawnie odebrany i zdekodowany.

4. Odbiornik FM: dekodowanie czystego sygnału

Chociaż metoda transmisji FM była rewolucyjna, jej strategiczna odporność na szumy pola bitwy została w pełni zrealizowana w unikalnej architekturze odbiornika, zaprojektowanego nie tylko do słuchania, ale do aktywnego oczyszczania sygnału. Odbiornik FM różni się od swojego odpowiednika AM w trzech kluczowych aspektach:

1. Szerokość pasma (Bandpass): obwody odbiornika muszą być zaprojektowane tak, aby przepuścić znacznie szerszy zakres częstotliwości (100 kHz), wynikający z dewiacji sygnału FM.
2. Ograniczanie amplitudy (amplitude limiting): odbiornik FM jest wyposażony w dedykowany układ, zwany limiterem, którego zadaniem jest odcinanie wszelkich zmian amplitudy, ponieważ w systemie FM przenoszą one szum, a nie informację.
3. Konwersja częstotliwości na amplitudę: w odbiorniku znajduje się układ, zwany dyskryminatorem, odpowiedzialny za przekształcenie zmian częstotliwości sygnału radiowego z powrotem na sygnał audio (zmiany napięcia).

4.1. Rola limitera w eliminacji zakłóceń

Limiter jest sercem odporności FM na zakłócenia i pierwszą linią obrony w dwuetapowym procesie oczyszczania i dekodowania sygnału. Jego zadaniem jest prowadzenie "wojny z szumem". Zastosowano w nim specjalną lampę o ostrej charakterystyce (sharp cutoff tube), pracującą przy zerowym początkowym napięciu siatki i niskim napięciu anodowym.

Gdy zanieczyszczony szumem sygnał dociera do limitera, ten ustanawia napięciowy "sufit" i "podłogę". Każda część fali, która próbuje przekroczyć te granice – a właśnie tam kryją się zakłócenia amplitudowe – jest bezwzględnie "obcinana". Wraz z tymi obciętymi wierzchołkami usuwany jest cały szum elektryczny. W rezultacie z limitera wychodzi fala o idealnie stałej amplitudzie, która wciąż zawiera nienaruszoną informację zakodowaną w zmianach częstotliwości, gotowa do dalszego przetwarzania.

4.2. Rola dyskryminatora w odzyskiwaniu dźwięku

Po oczyszczeniu sygnału w limiterze, fala o stałej amplitudzie trafia do dyskryminatora – drugiego etapu procesu, pełniącego rolę "kryptografa". Jego zadaniem jest bezbłędne zdekodowanie czystych wahań częstotliwości i przekształcenie ich z powrotem w zrozumiały dźwięk. Ingenieria tego układu jest niezwykle pomysłowa: jest on celowo nastrojony "obok" częstotliwości rezonansowej. To sprytne rozwiązanie projektowe pozwala wykorzystać nachyloną część krzywej rezonansowej jako czuły przetwornik częstotliwość-napięcie.

Gdy częstotliwość fali FM zbliża się do częstotliwości rezonansowej dyskryminatora, napięcie na jego wyjściu rośnie. Gdy częstotliwość się oddala, napięcie maleje. W ten sposób wahania częstotliwości są precyzyjnie przekształcane na odpowiadające im zmiany napięcia, które stanowią już odtworzony sygnał audio.

Synergia limitera i dyskryminatora tworzy dwuetapowy proces oczyszczania i dekodowania sygnału, który pozwala na odtworzenie czystego, wolnego od zakłóceń dźwięku, który po wzmocnieniu jest kierowany do głośnika.

5. Podsumowanie: strategiczne znaczenie FM dla komunikacji wojskowej

Cały proces, od wygenerowania sygnału FM w nadajniku, poprzez jego oczyszczenie z szumów amplitudowych w limiterze odbiornika, aż po precyzyjną interpretację zmian częstotliwości w dyskryminatorze, składa się na system o bezprecedensowej odporności na zakłócenia.

Strategiczny wpływ tej technologii na komunikację wojskową był ogromny. Zdolność FM do przezwyciężania zakłóceń elektrycznych, generowanych masowo na polu bitwy przez sprzęt wojskowy i zjawiska naturalne, była czynnikiem decydującym. Zapewniała, że wiadomości nie zostaną zniekształcone i dotrą do odbiorcy w klarownej, zrozumiałej formie. Wprowadzenie modulacji częstotliwości nie było jedynie technicznym usprawnieniem; stanowiło fundamentalny krok naprzód, dając armii narzędzie komunikacyjne o czystości i niezawodności, które znacząco zwiększyło skuteczność dowodzenia i bezpieczeństwo żołnierzy.

Raport techniczny: analiza porównawcza modulacji częstotliwości (FM) i amplitudy (AM) w kontekście zastosowań wojskowych

1.0 Wprowadzenie: problem zakłóceń w komunikacji radiowej i rola modulacji częstotliwości

Celem niniejszego raportu jest przeprowadzenie dogłębnej analizy porównawczej dwóch fundamentalnych systemów modulacji radiowej: modulacji amplitudy (AM) oraz modulacji częstotliwości (FM). Analiza ta ma na celu nie tylko wyjaśnienie ich podstawowych różnic technicznych, ale przede wszystkim wykazanie, dlaczego wdrożenie technologii FM stanowiło rozwiązanie fundamentalnej słabości w amplitudowym kodowaniu informacji. Szczególny nacisk położony zostanie na kontekst wojskowy, gdzie zdolność do przezwyciężania wszechobecnych zakłóceń elektrycznych jest kluczowa dla skuteczności operacyjnej. Wdrożenie modulacji częstotliwości przez armię rozwiązało krytyczny problem zawodności komunikacji, zapewniając czysty i zrozumiały przekaz w warunkach, w których starsze systemy okazywały się niewystarczające. Aby w pełni docenić znaczenie tej innowacji, konieczne jest najpierw zrozumienie zasad działania oraz ograniczeń bardziej tradycyjnej metody, jaką jest modulacja amplitudy.

2.0 Modulacja amplitudy (AM): zasada działania i fundamentalne ograniczenia

Zrozumienie podstaw działania modulacji amplitudy jest strategicznie istotne, ponieważ stanowi ona punkt odniesienia, który pozwala w pełni ocenić unikalne zalety systemu FM. Technologia AM, choć historycznie pierwsza, posiada wrodzone ograniczenia, które stały się bodźcem do poszukiwania nowych, bardziej odpornych na zakłócenia rozwiązań.

2.1 Proces modulacji amplitudy

W systemie modulacji amplitudy informacja, określana jako "inteligencja" (np. sygnał mowy), jest nakładana na falę radiową o stałej częstotliwości, zwaną falą nośną. Niemodulowana fala nośna, generowana przez oscylator, sama w sobie nie przenosi żadnej informacji – można ją porównać do monotonnego, niezmiennego dźwięku trąbki. Proces modulacji polega na zmianie amplitudy (siły) tej fali nośnej w rytm sygnału audio.

Zgodnie z materiałem źródłowym, ścieżka sygnału w procesie modulacji AM jest następująca: informacja w postaci dźwięku trafia do mikrofonu, który przekształca ją w energię elektryczną o częstotliwości akustycznej. Ta energia jest następnie kierowana do modulatora, gdzie zostaje wzmocniona. Stamtąd trafia do stopnia wzmacniacza mocy, gdzie fluktuacje energii elektrycznej sygnału audio są "nakładane" na falę nośną. W rezultacie amplituda fali nośnej rośnie i maleje proporcjonalnie do zmian w sygnale audio, podczas gdy jej częstotliwość pozostaje niezmienna.

2.2 Podatność na zakłócenia elektryczne

Fundamentalną słabością systemu AM jest jego wysoka podatność na zakłócenia elektryczne. Dzieje się tak, ponieważ źródła zakłóceń – takie jak wyładowania atmosferyczne, silniki elektryczne czy iskrowniki w pojazdach – również generują gwałtowne zmiany amplitudy w falach radiowych. Odbiornik AM, którego zadaniem jest dekodowanie informacji właśnie na podstawie zmian amplitudy, nie jest w stanie odróżnić pożądanych zmian niosących "inteligencję" od przypadkowych zmian będących szumem.

Jak opisuje to materiał źródłowy, zakłócenia, takie jak wyładowania atmosferyczne, działają jak "autostopowicz" (hitchhiker), który "dosłownie doczepia się do transmitowanej fali, zaśmiecając ją i zakłócając zawartą w niej informację". Ta wrodzona podatność AM na zakłócenia stała się główną motywacją do opracowania nowego, bardziej odpornego systemu modulacji.

3.0 Modulacja częstotliwości (FM): nowy paradygmat w odporności na zakłócenia

Modulacja częstotliwości (FM) została opracowana jako innowacyjne rozwiązanie problemu zakłóceń, który nękał systemy AM. Jej strategiczna wartość polega na fundamentalnie odmiennym podejściu do sposobu kodowania informacji w fali radiowej, co bezpośrednio przekłada się na niemal całkowitą odporność na szumy pochodzenia elektrycznego.

3.1 Podstawowa zasada działania FM

Kluczowa koncepcja modulacji częstotliwości polega na odwróceniu zasady znanej z AM. W systemie FM amplituda fali nośnej jest utrzymywana na stałym, niezmiennym poziomie. Informacja ("inteligencja") jest natomiast kodowana poprzez celową zmianę jej częstotliwości. Innymi słowy, zamiast zmieniać siłę sygnału, zmienia się jego częstotliwość w rytm sygnału audio.

3.2 Mechanizm odporności na szumy

Zasada działania FM jest podstawą jej niezwykłej odporności na zakłócenia. Inżynierowie odkryli, że zakłócenia elektryczne, takie jak wyładowania atmosferyczne, mają znikomy wpływ na częstotliwość fali radiowej, oddziałując niemal wyłącznie na jej amplitudę. Ponieważ w systemie FM:

• Informacja jest przenoszona przez zmiany częstotliwości.
• Szum objawia się jako zmiany amplitudy.

Odbiornik FM może zostać zaprojektowany tak, aby celowo ignorował wszelkie wahania amplitudy i skupiał się wyłącznie na odczytywaniu zmian częstotliwości. Dzięki temu zakłócenia są skutecznie eliminowane, a odbierany sygnał pozostaje czysty i zrozumiały. To właśnie ten mechanizm sprawił, że FM stało się technologią z wyboru dla zastosowań wymagających najwyższej niezawodności. Aby w pełni zrozumieć, jak ta przewaga jest realizowana w praktyce, konieczna jest analiza techniczna komponentów systemu FM, począwszy od nadajnika.

4.0 Analiza techniczna nadajnika FM: kodowanie informacji w częstotliwości

Zrozumienie procesu modulacji zachodzącego w nadajniku jest kluczowe dla docenienia, w jaki sposób sygnał audio jest precyzyjnie przekształcany w zmiany częstotliwości fali radiowej. Poniższa analiza opiera się na uproszczonym modelu wykorzystującym mikrofon pojemnościowy.

4.1 Ilustracja procesu modulacji

Proces modulowania fali nośnej za pomocą sygnału dźwiękowego w prostym nadajniku FM można opisać w następujących krokach:

1. Dźwięk uderza w membranę mikrofonu, powodując jej wibracje zgodnie z charakterystyką fali dźwiękowej.
2. Wibracje zmieniają odległość między płytkami mikrofonu, co bezpośrednio powoduje zmianę jego pojemności elektrycznej.
3. Zmiana pojemności mikrofonu wpływa na całkowitą pojemność w obwodzie rezonansowym oscylatora, który generuje falę nośną.
4. Zmiana pojemności obwodu rezonansowego powoduje proporcjonalną zmianę częstotliwości pracy oscylatora.
5. Częstotliwość wyjściowej fali radiowej jest modulowana (zmienia się w czasie) zgodnie ze zmianami sygnału audio.

Gdy nie ma dźwięku, oscylator generuje falę o stałej, niemodulowanej częstotliwości. W terminologii FM jest to częstotliwość spoczynkowa (Rest Frequency), stanowiąca punkt odniesienia dla całego procesu modulacji.

4.2 Kluczowe parametry sygnału FM

Sygnał FM charakteryzują dwa kluczowe parametry, które odpowiadają za przenoszenie informacji:

• Częstotliwość spoczynkowa (rest frequency): jest to bazowa częstotliwość niemodulowanej fali nośnej. Wokół tej wartości oscyluje częstotliwość sygnału podczas modulacji.
• Szybkość zmian (rate of change): określa, jak szybko częstotliwość fali nośnej waha się wokół częstotliwości spoczynkowej. Parametr ten jest determinowany przez częstotliwość (wysokość dźwięku) sygnału audio. Jak ilustruje materiał źródłowy, sygnał o częstotliwości 1000 Hz spowoduje dwukrotnie szybsze wahania częstotliwości nośnej niż sygnał o częstotliwości 500 Hz.
• Dewiacja (deviation): jest to maksymalne odchylenie częstotliwości fali nośnej od częstotliwości spoczynkowej. Parametr ten jest determinowany przez głośność (amplitudę) sygnału audio. Głośniejszy dźwięk powoduje większą dewiację.

4.3 Struktura kanału transmisyjnego

Aby uniknąć wzajemnego zakłócania się stacji, armia zdefiniowała ścisłe parametry dla każdego kanału transmisyjnego FM:

• Maksymalna dewiacja: 40 kilocykli po obu stronach częstotliwości spoczynkowej.
• Wahanie nośnej (carrier swing): 80 kilocykli (całkowity zakres dewiacji od minimum do maksimum).
• Pasma ochronne (guard bands): 10 kilocykli po każdej stronie kanału, aby zapobiec "przelewaniu się" sygnału na sąsiednie kanały.
• Całkowita szerokość kanału: 100 kilocykli.

Po zrozumieniu, jak sygnał FM jest tworzony i jakie ma parametry, następnym logicznym krokiem jest analiza jego odbioru i procesu dekodowania w odbiorniku.

5.0 Architektura odbiornika FM: dekodowanie sygnału i eliminacja zakłóceń

Unikalne właściwości sygnału FM – stała amplituda i informacja zakodowana w częstotliwości – wymagają zastosowania specjalistycznej architektury odbiornika. Różni się ona znacząco od konstrukcji typowego odbiornika AM, a jej kluczowe komponenty są zaprojektowane specjalnie do eliminacji zakłóceń i precyzyjnego dekodowania sygnału.

5.1 Porównanie z odbiornikiem AM

W porównaniu do odbiornika superheterodynowego AM, odbiornik FM wyróżniają trzy kluczowe różnice w jego budowie i działaniu:

1. Szersze pasmo przenoszenia (bandpass): obwody odbiornika muszą być zdolne do obsługi znacznie szerszego pasma częstotliwości (100 kHz) w porównaniu do AM.
2. Obecność układu do odcinania wariacji amplitudy: niezbędny jest specjalny obwód, który usuwa wszelkie zmiany amplitudy (szumy) dodane do sygnału podczas transmisji.
3. Obecność układu do zmiany wariacji częstotliwości: konieczny jest układ, który przetwarza zmiany częstotliwości z powrotem na zmiany amplitudy sygnału audio.

5.2 Rola i działanie limitera

Głównym zadaniem limitera jest realizacja drugiej z powyższych funkcji. Jego celem jest odcięcie ("clipping") wszelkich wahań amplitudy, które zostały dodane do sygnału FM w postaci szumu podczas jego propagacji. Sygnał docierający do odbiornika jest zatem zniekształcony amplitudowo.

Proces eliminacji tych zakłóceń w limiterze, wykorzystującym lampę o ostrej charakterystyce odcięcia, przebiega dwuetapowo:

• Odcinanie szczytów dodatnich: gdy dodatnia półfala sygnału rośnie, siatka lampy staje się dodatnia, co powoduje przepływ prądu siatki. Prąd ten, płynąc przez rezystor, wytwarza spadek napięcia o ujemnej polaryzacji, który "przeciwstawia się" sygnałowi wejściowemu, skutecznie uniemożliwiając dalszy wzrost jego dodatniej amplitudy.
• Odcinanie szczytów ujemnych: gdy ujemna półfala sygnału narasta, siatka lampy staje się coraz bardziej ujemna. Ze względu na ostrą charakterystykę lampy, szybko osiąga ona punkt odcięcia, w którym prąd anodowy całkowicie ustaje. Wszelkie dalsze, bardziej ujemne wahania amplitudy nie są już przenoszone.

Powstała w ten sposób fala o niemal kwadratowym kształcie jest następnie wygładzana przez obwód rezonansowy na wyjściu limitera, który wykorzystuje tzw. "efekt koła zamachowego" (flywheel effect), aby odtworzyć jej sinusoidalny kształt. W rezultacie na wyjściu otrzymujemy falę o stałej amplitudzie, "oczyszczoną" z szumu.

5.3 Rola i działanie dyskryminatora

Oczyszczony sygnał z limitera trafia do dyskryminatora, którego zadaniem jest przetłumaczenie wahań częstotliwości z powrotem na sygnał audio (napięciowe wahania o częstotliwości akustycznej). Dyskryminator to w istocie obwód rezonansowy, który jest celowo nastrojony nieco obok częstotliwości spoczynkowej sygnału FM.

Gdy częstotliwość sygnału wejściowego "wspina się" po zboczu krzywej rezonansowej dyskryminatora, zbliżając się do jego częstotliwości rezonansowej, napięcie na wyjściu obwodu rośnie. Gdy częstotliwość oddala się od rezonansu, napięcie maleje. W ten sposób ruch częstotliwości jest precyzyjnie tłumaczony na proporcjonalne zmiany napięcia, które po wzmocnieniu stają się słyszalnym dźwiękiem w głośniku.

To właśnie precyzyjnie zdefiniowana i komplementarna praca limitera – usuwającego szum amplitudowy – oraz dyskryminatora – odtwarzającego sygnał z wariacji częstotliwości – stanowi techniczną realizację fundamentalnej przewagi systemu FM.

6.0 Zastosowania wojskowe: przewaga FM na polu walki

Wprowadzenie technologii FM do komunikacji wojskowej nie było jedynie ulepszeniem, lecz rozwiązaniem krytycznego problemu operacyjnego. Zdolność do zapewnienia czystej i niezawodnej łączności w środowisku nasyconym zakłóceniami elektrycznymi miała bezpośredni wpływ na skuteczność dowodzenia i koordynacji działań na polu bitwy.

6.1 Źródła zakłóceń na polu bitwy

Pole walki jest środowiskiem o ekstremalnie wysokim poziomie zakłóceń elektrycznych, które stanowiły poważne wyzwanie dla systemów opartych na modulacji amplitudy. Główne źródła tych zakłóceń obejmowały:

• Zakłócenia generowane przez gąsienice czołgów
• Dalekopisy (teletypes)
• Ładowarki akumulatorów
• Pojazdy opancerzone i inne pojazdy mechaniczne
• Zjawiska naturalne, takie jak burze z wyładowaniami atmosferycznymi

6.2 Wpływ na skuteczność dowodzenia

W systemach AM każde z powyższych źródeł generowało szum, który mógł całkowicie zagłuszyć lub zniekształcić przekazywane rozkazy. "Zaszumione" i niezrozumiałe komunikaty prowadziły do błędów, opóźnień i utraty koordynacji, co w warunkach bojowych mogło mieć katastrofalne skutki. Wdrożenie systemu FM, z jego wbudowaną odpornością na zakłócenia, zrewolucjonizowało komunikację wojskową. Zapewniło czystą i niezawodną łączność, która była decydująca dla powodzenia operacji, umożliwiając precyzyjne dowodzenie nawet w najtrudniejszych warunkach elektromagnetycznych.

7.0 Podsumowanie porównawcze i wnioski

Przedstawiona analiza techniczna jednoznacznie ukazuje fundamentalne różnice między systemami modulacji AM i FM oraz wyjaśnia, dlaczego ta druga technologia stanowiła tak istotny krok naprzód, zwłaszcza w kontekście zastosowań wojskowych.

7.1 Tabela porównawcza: AM vs. FM

Cecha	Modulacja amplitudy (AM)	Modulacja częstotliwości (FM)
Zasada modulacji	Zmienna amplituda, stała częstotliwość.	Stała amplituda, zmienna częstotliwość.
Przenoszenie informacji	Poprzez zmiany siły (amplitudy) fali nośnej.	Poprzez zmiany częstotliwości fali nośnej.
Podatność na zakłócenia	Wysoka. Odbiornik nie odróżnia szumu od sygnału.	Bardzo niska. Zakłócenia amplitudowe są eliminowane.
Kluczowy element odbiornika	Demodulator.	Limiter i Dyskryminator.
Główne zastosowanie wojskowe	Ograniczone przez zakłócenia na polu walki.	Zapewnienie czystej, niezawodnej komunikacji w środowisku o wysokim poziomie zakłóceń elektrycznych.

7.2 Wniosek końcowy

Modulacja częstotliwości (FM), dzięki swojej innowacyjnej zasadzie działania opartej na kodowaniu informacji w zmianach częstotliwości przy stałej amplitudzie, stanowiła fundamentalny postęp technologiczny w dziedzinie komunikacji radiowej. Jej wrodzona odporność na zakłócenia elektryczne, realizowana w odbiorniku przez układy limitera i dyskryminatora, pozwoliła przezwyciężyć największą słabość systemów AM. Wdrożenie tej technologii bezpośrednio przełożyło się na drastyczne zwiększenie skuteczności i niezawodności komunikacji, co w zastosowaniach wojskowych miało bezcenną wartość, zapewniając czystość przekazu w najbardziej krytycznych momentach.

Pico tracker APRS SP9UOB: kronika rocznego lotu w stratosferze.

 
Ten Polak przez 10 lat budował miniaturową "satelitę". 6 faktów o jego projekcie, które Cię zszokują.

Wprowadzenie

Każdy z nas ma jakieś hobby. Czasem to zbieranie znaczków, czasem majsterkowanie. Ale co się dzieje, gdy pasja wymyka się spod kontroli, przeradza w dekadę inżynierskich wyzwań i kończy się projektem, który przekracza granice państw, kontynentów i wyobraźni? To właśnie historia Tomka (SP9UOB), elektronika i krótkofalowca z niemal 30-letnim stażem, który postanowił zrealizować z pozoru niemożliwe marzenie: wysłać amatorski balon w podróż dookoła świata.

Przez dziesięć lat, w swoim warsztacie, metodą prób i błędów, tworzył i udoskonalał miniaturowe urządzenie śledzące, które miało unieść się do stratosfery. Nie korzystał z gotowych rozwiązań – całą elektronikę projektował i budował od zera. Efekt? Projekt zrodzony z czystej pasji osiągnął rezultaty, które zaskakują pomysłowością, skalą i dramatycznym finałem, godnym technologicznego thrillera.

Oto sześć najbardziej niesamowitych faktów o jego przedsięwzięciu, które pokazują, że największe wynalazki często zaczynają się od jednego człowieka i wielkiego marzenia.

1. Od 200 gramów do wagi kilku kropel wody

Fundamentalną zasadą fizyki, która rządzi lotami balonów stratosferycznych, jest prawo Archimedesa. W wielkim skrócie: im lżejszy jest ładunek, tym mniejszego balonu i mniejszej ilości gazu potrzeba, aby go unieść. Dla Tomka ta zasada stała się inżynierską obsesją i motorem napędowym całego projektu – dążeniem do radykalnej miniaturyzacji.

Ewolucja jego trackera to imponująca podróż. Pierwsza wersja, z bateriami i anteną, ważyła 200 gramów. To był dopiero początek. Kolejne iteracje przynosiły spektakularne redukcje masy: 22 g, potem 12 g, a następnie 7 g. Finał tej drogi był zdumiewający: w pełni funkcjonalny, gotowy do lotu tracker ważył poniżej 3,5 grama, a najlżejsza wersja osiągnęła zaledwie 2,8 g.

Aby osiągnąć taki rezultat, Tomek musiał wejść na ekstremalny poziom precyzji. Montaż odbywał się pod mikroskopem i wymagał lutowania elementów SMD o rozmiarze 0201 – komponentów tak małych, że są porównywalne z ziarenkiem piasku.

kompletny tracker który podpinamy pod y balon waży 2,8 g tyle co kilka dużych kropli wody

2. Jak kompas z igły i korka pomaga ładować baterie w stratosferze

Każdy, kto ma do czynienia z panelami słonecznymi, wie, że kluczem do ich wydajności jest odpowiednie ustawienie względem słońca. W przypadku unoszącego się swobodnie w stratosferze trackera wielkości pudełka zapałek, zastosowanie mechanicznych systemów śledzących słońce jest absolutnie niemożliwe. Jak więc zapewnić, że maleńkie ogniwa będą czerpać maksimum energii?

Rozwiązanie Tomka jest genialne w swojej prostocie. Zamiast skomplikowanej technologii, wykorzystał fundamentalną siłę natury: pole magnetyczne Ziemi. Do trackera przymocowany jest miniaturowy magnes neodymowy, który działa niczym igła w szkolnym kompasie. W polu magnetycznym półkuli północnej magnes automatycznie obraca całe urządzenie tak, by panele słoneczne były skierowane na południe – prosto w stronę słońca. To jednak nie koniec inżynierskiej pomysłowości. Tomek stworzył nawet specjalną "wersję zimową" trackera, w której panele słoneczne są celowo pochylone, aby idealnie wychwytywać promienie nisko zawieszonego na niebie zimowego słońca.

Inspiracja dla tego rozwiązania pochodzi z dzieciństwa, co dowodzi, że czasem najbardziej zaawansowane problemy techniczne można rozwiązać dzięki podstawowej wiedzy.

jak byłem małym gówniarzem tata mi pokazał jak się robi kompas z igły korka i pół miska wody no i to wykorzystałem właśnie w taki sposób

3. "Grzeczny" tracker, który wyłącza się nad Koreą Północną

Choć tracker waży zaledwie kilka gramów, jego oprogramowanie jest niezwykle zaawansowane. W jego pamięci zapisana jest cyfrowa mapa świata, dzięki której urządzenie w każdej chwili wie, nad terytorium jakiego kraju się znajduje. Ta funkcja nie jest tylko technologiczną ciekawostką, ale ma trzy kluczowe, praktyczne zastosowania.

Po pierwsze, dostosowuje się do lokalnych przepisów radiowych. Częstotliwości APRS różnią się na świecie, więc tracker automatycznie przełącza się na odpowiednie pasmo, gdy wlatuje nad Japonię, a na inne, gdy znajduje się nad Europą. Co więcej, nad Wielką Brytanią, gdzie lotnicze nadawanie amatorskie jest zabronione, tracker inteligentnie przełącza się na dozwolone pasmo ISM ze zredukowaną mocą.

Po drugie, automatycznie aktualizuje swój znak wywoławczy. Zgodnie z międzynarodowymi regulacjami, urządzenie samo dodaje odpowiedni prefiks do swojego znaku, np. nadając jako "DL/SP9UOB" nad Niemcami, co jest dowodem na niezwykłą dbałość o szczegóły.

Po trzecie, respektuje prawo międzynarodowe. W krajach, gdzie działalność radioamatorska jest zakazana (jak w Jemenie, Korei Północnej czy Omanie), tracker całkowicie wyłącza swój nadajnik. Nie przestaje jednak pracować – kontynuuje zapisywanie swojej pozycji w wewnętrznej pamięci, stając się tymczasowo "niewidzialny" w eterze. To wyraz szacunku i działania w duchu "Ham Spirit" – niepisanych zasad etyki krótkofalarskiej.

działamy w zasadach H Spiritu i jeśli tylko mogę i potrafię to robię tak żeby było dobrze no i wtedy balon sobie tam leci on loguje pozycję w sensie zapisuje informacje gdzie się znajduje aczkolwiek ma nadajnik absolutnie wyłączony

4. Rok w powietrzu: amatorski balon, który okrążył Ziemię jak satelita

Każdy długodystansowy lot był sukcesem, ale jeden z nich przeszedł do historii amatorskich projektów stratosferycznych. To nie był pojedynczy szczęśliwy traf. Już wcześniej jeden z balonów Tomka wykazał się niesamowitą wytrzymałością, pięciokrotnie okrążając Ziemię i przelatując nad huraganami. Jednak to, co wydarzyło się później, przekroczyło wszelkie oczekiwania.

Jeden z jego pico balonów, wyposażony w ultralekki tracker, utrzymał się w stratosferze przez równy rok. Przez 365 dni dryfował na wysokości kilkunastu kilometrów, wielokrotnie okrążając glob i nieustannie wysyłając dane telemetryczne, które pozwalały śledzić jego niezwykłą podróż. Sam autor z uśmiechem nazwał go "małym satelitą latającym na bardzo niskiej orbicie".

To osiągnięcie pokazało, że amatorska konstrukcja, zbudowana w domowym warsztacie, jest w stanie działać w ekstremalnych warunkach stratosfery dłużej niż niejeden komercyjny projekt.

"udało mi się utrzymać balon stratosferyczny pikobalon w stratosferze przez równy rok mógłby działać dłużej ale nie będę zdradzał wszystkich szczegółów"

5. Niesamowita wydajność: jak tracker nadawał zasilany strzępkiem panelu słonecznego

Sekretem długowieczności trackera jest jego unikalny system zasilania. Zamiast tradycyjnych baterii litowych, które źle znoszą mróz i głębokie rozładowanie, Tomek zastosował superkondensator. Gromadzi on energię z paneli słonecznych i jest odporny na ekstremalne temperatury panujące w stratosferze. Jak wydajny jest to system, pokazał pewien niezwykły incydent.

Jeden z balonów wylądował awaryjnie na Słowacji, wpadając w gęste zboże. Jego panel słoneczny został niemal całkowicie zniszczony i dodatkowo zasłonięty przez roślinność. Mimo to, ku zdumieniu wszystkich, tracker wciąż nadawał sygnał.

"Magia" tego zjawiska tkwiła w inteligentnym zarządzaniu energią. Procesor urządzenia przez większość czasu pozostawał w trybie głębokiego uśpienia, pozwalając, by resztki panelu słonecznego powoli ładowały superkondensator. Gdy zgromadził minimalną ilość energii, wybudzał się na chwilę, by uruchomić GPS i zapisać pozycję. Następnie znów zapadał w sen, by doładować kondensator na tyle, by mieć siłę na wysłanie jednej ramki danych. Ten cykl powtarzał się w nieskończoność, dowodząc niesamowitej odporności i wydajności konstrukcji.

o dziwo odbierali te remetrie rzadko rzadko ale odbierali na takim kawałku tego krzemu jeszcze wrzuconego gdzieś tam głęboko w krzaki

6. Smutny koniec nad Ukrainą

Niezwykła podróż balonu, który przez rok krążył nad naszymi głowami, zakończyła się w sposób równie nagły, co dramatyczny. Ostatnia ramka telemetryczna została odebrana, gdy urządzenie znajdowało się nad obszarem działań wojennych na Ukrainie. A potem nastała cisza.

Według analizy Tomka nie była to typowa awaria techniczna. Urządzenia elektroniczne w takich warunkach zazwyczaj psują się stopniowo, dając wcześniej jakieś sygnały. W tym przypadku transmisja została przerwana w połowie nadawania ramki. Hipoteza konstruktora jest jednoznaczna: balon nie uległ awarii, lecz najprawdopodobniej został przypadkowo zestrzelony lub zniszczony przez "jakieś żelazo" – odłamek, rakietę lub wojskowy samolot operujący w tamtej przestrzeni powietrznej.

Smutny i nieoczekiwany finał projektu, który stał się mimowolnym świadkiem historii.

naraz w trakcie nadawania ramki po prostu zamilkł w sensie to była nagła śmierć to nie było że coś padało gdzieś jakoś powolutku

Zakończenie

Historia projektu Tomka SP9UOB to coś więcej niż opowieść o technologii. To dowód na to, że pasja, połączona z inżynierską pomysłowością i niezwykłą wytrwałością, pozwala osiągać rzeczy, które wydają się poza zasięgiem. W domowym warsztacie, przez dziesięć lat, powstało urządzenie, które pod względem miniaturyzacji, autonomii i inteligencji zawstydziłoby wiele komercyjnych rozwiązań.

Jego podróż dookoła świata i nagły koniec nad Ukrainą to symboliczny obraz naszych czasów – niezwykłego ludzkiego geniuszu zderzającego się z brutalną rzeczywistością. Pozostaje zadać sobie pytanie: jakie niezwykłe projekty mogłyby powstać, gdyby każdy z nas z podobną determinacją i pasją realizował swoje marzenia?

Od 200 gramów do okrążenia Ziemi: 10-letnia odyseja balonowego trackera

Wstęp: marzenie o podróży dookoła świata

Wyobraź sobie, że w domowym warsztacie tworzysz urządzenie tak lekkie i wydajne, że po wypuszczeniu w niebo działa nieprzerwanie przez cały rok, stając się Twoim prywatnym, małym satelitą. To nie scenariusz filmu science fiction, ale największe osiągnięcie projektu, który jest bohaterem tej opowieści. Poznaj historię Tomka SP9UOB – pasjonata elektroniki i krótkofalowca, który przez dziesięć lat, metodą prób, błędów i kolejnych iteracji, realizował swoje ambitne marzenie. To opowieść o inżynierskiej pasji, niezwykłej wytrwałości i o tym, jak z prostego pomysłu zrodził się projekt, który wielokrotnie okrążył Ziemię.

1. Iskra inspiracji: jak to wszystko się zaczęło?

Wszystko zaczęło się w grudniu 2011 roku, kiedy Tomek usłyszał o niezwykłym wyczynie – grupa California Near Space Project zrealizowała pierwszy amatorski przelot balonu stratosferycznego nad Atlantykiem. To wydarzenie podziałało na wyobraźnię i stało się bezpośrednią inspiracją. Skoro Amerykanie potrafią przelecieć przez Atlantyk, to dlaczego nie spróbować przelecieć z Polski do Ameryki? Cel był ambitny, ale na drodze stanęły fundamentalne prawa fizyki rządzące ziemską atmosferą.

Problem mamy taki, że (...) główny wiodący kierunek wiatrów w atmosferze jest taki, że wiatry wieją na wschód. Więc ja, żeby z Polski dolecieć do Stanów Zjednoczonych, muszę przelecieć nad całą Azją, muszę przelecieć nad Pacyfikiem, żeby koniec końców dolecieć do Stanów Zjednoczonych.

Aby sprostać temu wyzwaniu, trzeba było zrozumieć kluczową zasadę: im lżejszy jest ładunek, tym mniej gazu (helu) potrzeba, by go unieść. Mniejsza ilość gazu pozwala z kolei użyć mniejszego i lżejszego balonu, który może unosić się na stałej wysokości, stając się tzw. "floterem". Misja stała się jasna: stworzyć jak najlżejszy ładunek, czyli miniaturowy tracker, jaki tylko da się zbudować.

Tak rozpoczęły się pierwsze eksperymenty, które zaprowadziły Tomka na ścieżkę radykalnej miniaturyzacji.

2. Wyścig z wagą: ewolucja i pierwsze porażki

Początki projektu to nieustanny wyścig z wagą. Każdy kolejny prototyp był krokiem milowym w "odchudzaniu" elektroniki. Pierwszy tracker, kompletny z bateriami i anteną, ważył około 200 gramów. Wystarczyło jednak kilka miesięcy, by waga spadła ponad 25-krotnie. Pierwszym znaczącym krokiem była seria trackerów, które ze względu na charakterystyczny kształt anten zyskały przydomek „Spón”. Poniższa tabela ilustruje tę niesamowitą ewolucję.

Wersja/etap	Rok	Waga	Kluczowa cecha lub ciekawostka
Pierwszy tracker	-	~200 g	Kompletny zestaw z bateriami i anteną.
Seria "Spón"	2012	22 g	Nazwa pochodzi od charakterystycznego wyglądu anteny.
Kolejna wersja	2012	12 g	Szybki postęp w miniaturyzacji w ciągu jednego roku.
Płytka z fabryki	2012	7 g	Użycie małych elementów SMD montowanych ręcznie pod mikroskopem.
Wersja 4	-	4 g	Rezygnacja ze styropianowej izolacji, która okazała się zbędna – elektronika działała doskonale bez niej.

Oczywiście droga do sukcesu nie była usłana różami. Pierwsze próby lotów były, jak sam określa to Tomek, "średnio udane" i stanowiły cenne, choć czasem kosztowne, lekcje:

• Jeden z pierwszych lotów zakończył się podróżą z Gliwic do... Będzina.
• Inny balon wylądował na Węgrzech, a znalazca – lokalny rolnik – zażyczył sobie 40 euro za zwrot urządzenia. Był to bolesny, ale niezapomniany element przygody.
• Testy z lekkimi balonami foliowymi ujawniły, jak precyzyjne musi być wyważenie. Granica między wznoszeniem a opadaniem była tak mała, że aby osiągnąć idealną neutralną wyporność, do jednego z trackerów trzeba było doczepić… torebkę herbaty, która ważyła idealne 2 gramy.

Mimo początkowych trudności, każdy lot dostarczał bezcennych danych. Przełom, który dodał projektowi nowej, potężnej energii, miał nadejść wraz z misją znacznie większego, lateksowego balonu – Seba 6.

3. Przełom nad Syberią: dowód, że "się da"

Kluczowy moment nadszedł w grudniu 2013 roku wraz z misją balonu Seba 6. To był duży, lateksowy balon, ale jego sukces udowodnił, że dalekie loty są w zasięgu ręki.

Osiągnięcia tej misji były imponujące:

• Czas pracy: tracker działał nieprzerwanie przez 33 godziny.
• Zasilanie: wykorzystano niezawodne zasilanie chemiczne, oparte na bateriach litowych.
• Komunikacja: urządzenie nadawało telemetrię na dwóch pasmach – falach krótkich oraz UHF.
• Zasięg: ostatni sygnał odebrano, gdy balon znajdował się nad "daleką Syberią".

Ten sukces był dla Tomka psychologicznym przełomem i potwierdzeniem, że obrany kierunek jest słuszny.

Od tego momentu zacząłem myśleć, że to się, kurde, da zrobić. W sensie, że to rzeczywiście ma sens i rzeczywiście to się da zrobić. I to był (...) taki strzał energii i takie podniecenie. Mówię: zaczynamy lutować pikusie i robimy tak długo, aż zrobimy.

Ta dawka motywacji skierowała dalsze prace na rozwój jeszcze mniejszych, tym razem zasilanych energią słoneczną, trackerów.

4. Solarna rewolucja i pierwsze okrążenie Ziemi

Po przerwie w latach 2014-2015, poświęconej sprawom rodzinnym, projekt powrócił z nową siłą i nową technologią. Nastąpił kolejny wielki krok: przejście na zasilanie słoneczne. Nowy system był prosty w założeniach, ale rewolucyjny w skutkach:

• Źródło energii: ogniwa krzemowe lutowane bezpośrednio do układu.
• Magazyn energii: ciężkie i wrażliwe na mróz baterie zastąpił lekki i niezawodny superkondensator.
• Ograniczenie: tracker działał tylko w dzień, ale dzięki temu mógł działać teoretycznie w nieskończoność.

Wynik tej zmiany był oszałamiający. Gotowy do lotu tracker, wyposażony w panele słoneczne i anteny, ważył zaledwie 5,2 grama! Ta technologiczna rewolucja przyniosła największy dotychczasowy sukces: w maju 2016 roku balon Pico 24 jako pierwszy w projekcie okrążył kulę ziemską. Podróż zajęła mu 16 dni.

Ten historyczny lot był jednak dopiero początkiem dążenia do inżynierskiej perfekcji.

5. Szczyt miniaturyzacji: sekrety najlżejszego trackera

Najbardziej zaawansowana, siódma wersja trackera (Rev 7), to prawdziwe dzieło sztuki inżynierskiej. Sama płytka po oszlifowaniu ważyła poniżej 1 grama, a najlżejszy, kompletny i gotowy do lotu tracker osiągnął wagę zaledwie 2,8 grama – tyle, co kilka dużych kropli wody. Sercem układu był wydajny, ale energooszczędny procesor (PIC18LF26K22), pozycję ustalał moduł GPS (u-blox ZOE-M8), a za komunikację odpowiadał wszechstronny chip radiowy (SI4464). Jak udało się osiągnąć tak niesamowity wynik? Oto kilka sekretów tej konstrukcji.

Niewidzialne komponenty

Aby osiągnąć tak niską wagę, konieczne było użycie miniaturowych komponentów elektronicznych w standardzie 0201. Aby zrozumieć tę skalę, wystarczy spojrzeć na porównania: pojedynczy opornik jest wielkości ziarnka piasku i wygląda jak pyłek na główce od zapałki. Wszystkie te elementy były ręcznie układane i lutowane pod mikroskopem, co wymagało niezwykłej precyzji i cierpliwości.

Inteligentny system zasilania

Sekret długowieczności trackera tkwił w genialnie zaprojektowanym systemie zarządzania energią, który działał jak wielostopniowa pompa:

1. Ładowanie w uśpieniu: procesor pozostaje w głębokim uśpieniu, podczas gdy układ MPPT efektywnie ładuje superkondensator energią z paneli słonecznych.
2. Okresowa kontrola: co jakiś czas procesor budzi się na ułamek sekundy tylko po to, by sprawdzić napięcie. Jeśli jest zbyt niskie, natychmiast wraca do snu.
3. Akwizycja GPS: gdy zgromadzi się wystarczająco dużo energii do uruchomienia GPS, procesor budzi moduł, pobiera pozycję, zapisuje ją i… natychmiast znowu idzie spać, by oszczędzać energię.
4. Transmisja danych: następnie czeka, aż w superkondensatorze zgromadzi się kolejna porcja energii, tym razem wystarczająca do zasilenia nadajnika. Dopiero wtedy budzi się po raz ostatni, by wysłać zapamiętaną wcześniej pozycję.

Dzięki tej strategii tracker mógł funkcjonować nawet przy minimalnym oświetleniu, gdy tylko niewielki fragment panelu słonecznego był odsłonięty.

Genialny kompas i pokładowa mapa świata

Oprogramowanie i konstrukcja trackera kryły w sobie dwa rozwiązania, które wydają się niemal magiczne:

• Cyfrowa mapa: tracker miał w pamięci zapisaną uproszczoną mapę świata. Dzięki temu "wiedział", nad jakim krajem się znajduje, co pozwalało mu na automatyczne wyłączanie nadajnika w strefach zakazanych (np. Korea Północna), zmianę znaku wywoławczego i dostosowanie częstotliwości do lokalnych przepisów. Wszystko to w duchu "Ham Spirit". Jak tłumaczy Tomek, chodziło o szacunek dla zasad – nawet jeśli ryzyko konsekwencji było zerowe, chciał, aby projekt był realizowany „tak, żeby było dobrze”.
• "Solar tracker": jak zmusić panele słoneczne, by zawsze były skierowane w stronę słońca bez użycia silników? Rozwiązanie było genialne w swojej prostocie. Inspiracją była dziecięca zabawa w budowanie kompasu z namagnesowanej igły i korka. Do trackera przymocowano mały magnes neodymowy, który, wykorzystując pole magnetyczne Ziemi, ustawiał całe urządzenie tak, by panele były skierowane na południe, maksymalizując zyski energii.

Ta zaawansowana technologia, dopracowana w najdrobniejszych szczegółach, doprowadziła do osiągnięć, które przeszły najśmielsze oczekiwania.

6. Rekordy, wyzwania i rok w powietrzu

Dekada pracy została ukoronowana serią spektakularnych sukcesów, które pokazały pełen potencjał miniaturowych, solarnych trackerów.

1. Zwycięstwo w Czechach (2020): podczas zawodów Pico Balan Challenge w Brnie, gdzie wszyscy uczestnicy otrzymali identyczne balony i gaz, liczyła się tylko inżynieria. Balon Tomka zdeklasował konkurencję. Zawody rozpoczęły się 2 marca i jeszcze tego samego dnia większość konkurencyjnych balonów zamilkła. Tymczasem tracker Tomka działał aż do 11 kwietnia.
2. Pięć okrążeń Ziemi (2020-2021): jeden z balonów stał się niemal stałym obiektem na niebie, pięciokrotnie okrążając planetę i dostarczając cennych danych telemetrycznych przez wiele miesięcy.
3. Absolutny rekord: rok w stratosferze: największym osiągnięciem był lot balonu Pico 41. Działał on nieprzerwanie przez cały rok, stając się, jak z uśmiechem mówi jego twórca, "małym satelitą na bardzo niskiej orbicie Ziemi".

Niestety, misja tego rekordowego balonu zakończyła się w nagły i dramatyczny sposób.

7. Nagły koniec i czas na refleksję

Smutny koniec misji balonu Pico 41 nastąpił nad Ukrainą. Ostatnia transmisja, wysłana po ponad roku nieprzerwanej pracy, nadeszła z obszaru objętego działaniami wojennymi. Sygnał urwał się w trakcie nadawania ramki telemetrycznej. Była to "nagła śmierć", a nie powolne wygaszanie spowodowane awarią.

Hipoteza Tomka jest taka, że balon, lecący na wysokości około 11 kilometrów, mógł zostać przypadkowo zestrzelony lub uszkodzony przez "jakieś żelazo" – odłamek, rakietę lub samolot wojskowy operujący w strefie konfliktu. To wydarzenie, w połączeniu z ogólną sytuacją polityczną, skłoniło go do tymczasowego zawieszenia projektu i wstrzymania kolejnych lotów.

Zakończenie: Twoja kolej na wielki projekt!

Historia 10-letniej odysei balonowego trackera Tomka SP9UOB to niezwykły dowód na to, że z pasji, naukowej ciekawości i inżynierskiej wytrwałości – nawet w domowym zaciszu – mogą powstać rzeczy absolutnie niezwykłe. To opowieść o tym, jak jedno marzenie może pchnąć do przekraczania kolejnych granic technologii i własnych możliwości.

Niech ta historia będzie dla Ciebie inspiracją. Nie bój się marzyć, zadawać pytań i eksperymentować. Ucz się na błędach, bo każda porażka to cenna lekcja. Chwyć za lutownicę, napisz pierwszą linijkę kodu i zacznij realizować własne, nawet najbardziej szalone, projekty. Kto wie, może Twój pomysł również kiedyś okrąży Ziemię?

Magia pico balonów: zrozumieć fizykę i technikę lotów stratosferycznych

Wprowadzenie: małe urządzenie, wielka podróż

Projekt pico trackera to fascynująca historia inżynierskiej pasji, która po dekadzie prób i kolejnych udoskonaleń doprowadziła do niezwykłego osiągnięcia – utrzymania balonu w stratosferze przez cały rok. Działając niczym mały, samodzielny satelita krążący na bardzo niskiej orbicie, to miniaturowe urządzenie wielokrotnie okrążyło Ziemię, dostarczając bezcennych danych. Ten dokument w prosty i przystępny sposób wyjaśni, jakie fundamentalne zasady fizyki i sprytne rozwiązania techniczne umożliwiły tę niezwykłą podróż.

1. Sekret lewitacji: jak balon unosi się i "zawisa" w powietrzu

1.1. Siła, która pcha do góry: prawo Archimedesa w praktyce

Podstawową zasadą, która pozwala balonowi wznieść się w powietrze, jest Prawo Archimedesa. Można je sobie wyobrazić, obserwując mały bąbelek powietrza na dnie szklanki z wodą. Gdy unosi się ku powierzchni, otaczające go ciśnienie wody maleje, co pozwala mu się rozszerzać. Zwiększając swoją objętość, wypiera więcej wody, co z kolei zwiększa siłę wyporu pchającą go w górę.

Ten sam mechanizm działa w atmosferze. Balon unosi się, ponieważ gaz w jego wnętrzu (np. hel) ma znacznie mniejszą gęstość niż otaczające go powietrze. Ta różnica gęstości tworzy siłę wyporu, która pcha cały układ do góry. Z tej prostej zasady wynika kluczowa zależność, będąca fundamentem całego projektu:

• Mniejszy ładunek (tracker)
• Wymaga mniej gazu, aby go unieść.
• Mniej gazu oznacza mniejszą i lżejszą powłokę balonu.

Dążenie do minimalizacji wagi było więc kluczowe dla powodzenia misji.

1.2. Sztuczka z "floaterem": jak zatrzymać balon na stałej wysokości?

Większość balonów, np. meteorologicznych, wznosi się tak wysoko, aż pęknie. Jak więc utrzymać obiekt w stratosferze przez rok? Kluczem jest koncepcja balonu typu "floater", która wykorzystuje specyficzne właściwości materiału powłoki.

Przypomnij sobie dmuchanie dziecięcego balonika. Początkowo jest ciężko, potem łatwiej, a na samym końcu czuć wyraźny opór, tuż przed pęknięciem. To właśnie ten "sweet spot" – granica sprężystości materiału – jest wykorzystywany w pico balonach. Napełnia się je gazem tylko do tego momentu, w którym powłoka na chwilę przestaje się rozszerzać. Ponieważ balon nie zwiększa już swojej objętości, siła wyporu przestaje rosnąć, co pozwala mu "zawisnąć" na stałej wysokości, zamiast wznosić się aż do rozerwania. Precyzja jest tu kluczowa – margines błędu między pęknięciem a brakiem wystarczającej siły nośnej to zaledwie 4-5 gramów. Nawet wilgoć kondensująca na powłoce podczas przejścia przez chmury może spowodować, że balon zacznie opadać.

💡 Kluczowa innowacja: wykorzystanie granicy sprężystości. Zamiast pozwalać balonowi na niekontrolowane rozszerzanie, projekt wykorzystuje fizyczną granicę elastyczności materiału jako pasywny mechanizm do zatrzymania wznoszenia na precyzyjnie określonej wysokości, co jest podstawą długotrwałego lotu.

Cecha	Balon klasyczny (np. meteorologiczny)	Balon "floater" (pico tracker)
Cel	Wznieść się jak najwyżej, aż do pęknięcia.	Osiągnąć określoną wysokość i pozostać na niej.
Mechanizm	Ciągłe rozszerzanie się powłoki wraz ze spadkiem ciśnienia.	Wykorzystanie granicy sprężystości materiału do zatrzymania rozszerzania.
Czas Lotu	Krótki (godziny).	Bardzo długi (dni, miesiące, a nawet rok).

Zrozumienie fizyki lotu to jedno, ale jak zapewnić energię urządzeniu dryfującemu w ekstremalnych warunkach przez tak długi czas? Odpowiedź leży w inteligentnym systemie zasilania.

2. Energia ze Słońca: serce elektroniczne trackera

2.1. Wyzwanie: energia w ekstremalnym mrozie

Tradycyjne baterie litowe, powszechnie stosowane w elektronice, zupełnie nie nadają się do tego zadania. Powodem są dwa fundamentalne problemy:

1. Niska temperatura: baterie litowe wymagają dodatnich temperatur do ładowania i bardzo źle znoszą mróz panujący w stratosferze. Ich wydajność drastycznie spada, a proces ładowania staje się niemożliwy.
2. Wrażliwość: głębokie rozładowanie, np. do zera, nieodwracalnie je niszczy. W warunkach, gdzie dostęp do światła słonecznego jest zmienny (dzień/noc, chmury), takie sytuacje byłyby nieuniknione.

Zamiast nich zastosowano superkondensator. Jego działanie opiera się na zjawiskach fizycznych, a nie chemicznych. Dzięki temu jest on odporny na ekstremalnie niskie temperatury i nie szkodzi mu całkowite rozładowanie. Stanowi idealny, wytrzymały magazyn energii.

💡 Kluczowa innowacja: fizyczny magazyn energii Zastąpienie wrażliwych chemicznie baterii superkondensatorem, którego działanie oparte jest na fizyce, pozwoliło stworzyć system magazynowania energii odporny na mróz i głębokie cykle rozładowania – kluczowy warunek przetrwania w stratosferze.

2.2. Inteligentna "pompa energii": jak działa zasilanie?

System zasilania zaprojektowano jako wysoce wydajną, "dwustopniową pompę energii", która potrafi wykorzystać każdą odrobinę światła słonecznego.

1. Krok 1: efektywne ładowanie (układ MPPT). Pierwszy stopień to układ Maximum Power Point Tracker (MPPT). Działa on jak inteligentny regulator, który na bieżąco dostosowuje parametry pracy paneli słonecznych, aby pobierać z nich maksymalną możliwą moc w danych warunkach oświetleniowych. Energia ta jest następnie wykorzystywana do ładowania superkondensatora do napięcia 2,7V.
2. Krok 2: wykorzystanie do ostatniej kropli (przetwornica step-up). Drugi stopień to przetwornica podwyższająca napięcie (step-up). Jej zadaniem jest pobranie energii z superkondensatora i "podbicie" jej do stabilnych 3V, których wymaga elektronika. Co najważniejsze, przetwornica ta działa nawet wtedy, gdy napięcie na kondensatorze spadnie do zaledwie 0,3V. Oznacza to, że system jest w stanie spożytkować niemal całą zgromadzoną energię.

Skuteczność tego rozwiązania potwierdził przypadek balonu, który wylądował na Słowacji. Mimo że był zaplątany w zbożu i tylko niewielki fragment panelu słonecznego był odsłonięty, tracker wciąż był w stanie gromadzić energię i co jakiś czas nadawać swoją pozycję.

Ta cenna, z trudem zdobyta energia musi być zarządzana przez "mózg" operacji, czyli miniaturową elektronikę zoptymalizowaną pod kątem ekstremalnej oszczędności.

3. Mózg operacji: jak myśli i działa pico tracker?

3.1. Zespół specjalistów na miniaturowej płytce

Kluczowe komponenty elektroniczne można porównać do zespołu specjalistów, z których każdy ma precyzyjnie określoną rolę, a ich współpraca ma na celu przede wszystkim oszczędzanie energii.

• 🧠 Mózg (procesor PIC18LF): jego głównym zadaniem jest zarządzanie energią. Przez zdecydowaną większość czasu "śpi" w trybie głębokiego uśpienia, zużywając znikomą ilość prądu.
• 🛰️ Oczy (moduł GPS u-blox): odpowiada na pytanie "Gdzie jestem?". Jest włączany tylko na krótką chwilę, aby ustalić pozycję i pobrać jak najmniej energii.
• 📡 Głos (układ radiowy SI4464): jego zadaniem jest "wykrzyczenie" pozycji i danych telemetrycznych na Ziemię z mocą około 16 mW. Również jest uruchamiany tylko na moment wysłania sygnału.

3.2. Strategia przetrwania: inteligentne zarządzanie energią

Tracker działa w inteligentnym, powtarzalnym cyklu, w którym absolutnym priorytetem jest przetrwanie i skuteczne wysłanie informacji. Proces ten dzieli najbardziej energochłonne zadania na dwa etapy.

1. Głęboki sen i ładowanie: tracker jest niemal całkowicie wyłączony, podczas gdy panele słoneczne powoli ładują superkondensator.
2. Pobudka i sprawdzenie napięcia: procesor budzi się na ułamek sekundy, aby sprawdzić poziom naładowania kondensatora. Jeśli jest zbyt niski, natychmiast wraca do snu.
3. Zdobycie pozycji (czynność #1): jeśli jest wystarczająco dużo energii, procesor włącza moduł GPS. Po uzyskaniu i zapisaniu pozycji w pamięci, natychmiast wyłącza GPS i ponownie przechodzi w stan głębokiego uśpienia.
4. Odzyskanie energii: tracker ponownie czeka, aż panele słoneczne naładują superkondensator, uzupełniając energię zużytą przez moduł GPS.
5. Nadanie wiadomości (czynność #2): gdy kondensator ponownie osiągnie wymagany poziom naładowania, tracker budzi się, włącza radio i wysyła zapamiętaną wcześniej pozycję.
6. Powrót do snu: cykl się powtarza.

Dzięki temu mechanizmowi tracker jest w stanie skutecznie działać nawet w bardzo trudnych warunkach oświetleniowych, cierpliwie czekając, aż zgromadzi wystarczającą ilość energii do wykonania kolejnego zadania.

💡 Kluczowa innowacja: rozdzielenie zadań energochłonnych. Kluczem do przetrwania przy minimalnej energii jest rozdzielenie procesu zdobywania pozycji GPS od jej nadawania. Pomiędzy tymi dwiema operacjami tracker wraca do snu, aby odzyskać energię, co pozwala mu działać nawet w warunkach skrajnie słabego oświetlenia.

Pozostał jeszcze jeden sekret – genialne w swojej prostocie rozwiązanie, które dodatkowo zwiększa efektywność całego systemu, nie zużywając przy tym ani odrobiny energii.

4. Genialne w prostocie: jak ustawić panele w stronę Słońca bez silnika?

4.1. Problem: maksymalizacja energii

Panele słoneczne generują najwięcej energii, gdy są skierowane prostopadle do padających na nie promieni słonecznych. W przypadku swobodnie dryfującego i obracającego się balonu osiągnięcie takiej orientacji wydaje się niemożliwe bez skomplikowanych, ciężkich i energochłonnych silniczków oraz czujników.

4.2. Rozwiązanie: kompas z dzieciństwa

Rozwiązanie tego problemu jest zaskakująco proste i inspirowane dziecięcą zabawą w budowanie kompasu z igły, korka i miski z wodą.

Do konstrukcji trackera przymocowany jest mały, lekki magnes neodymowy. Pole magnetyczne Ziemi, działając na ten magnes, naturalnie obraca cały, lekki tracker, ustawiając go w optymalnej pozycji. Rozwiązanie to jest niezawodne, ponieważ bazuje na fakcie, że atmosfera między półkulą północną a południową praktycznie się nie miesza, więc balon nie ma prawa znaleźć się na półkuli południowej. Dzięki temu magnes stale orientuje panele słoneczne w kierunku południowym, maksymalizując ilość przechwytywanej energii słonecznej.

To rozwiązanie jest idealne, ponieważ jest:

• Pasywne: nie zużywa absolutnie żadnej energii.
• Niezawodne: działa zawsze i wszędzie tam, gdzie istnieje pole magnetyczne Ziemi.
• Ultralekkie: waga magnesu jest pomijalna i nie wpływa na wyporność balonu.

💡 Kluczowa innowacja: pasywna orientacja Zastosowanie prostego magnesu neodymowego tworzy bezobsługowy, bezenergetyczny i ultralekki system orientacji paneli słonecznych. Wykorzystuje on naturalne pole magnetyczne Ziemi do maksymalizacji pozyskiwania energii, eliminując potrzebę stosowania jakichkolwiek skomplikowanych mechanizmów.

Zakończenie: połączenie nauki i pasji

Sukces projektu pico trackera nie był dziełem przypadku. Był wynikiem idealnego połączenia kilku kluczowych elementów: fundamentalnego zrozumienia fizyki (prawo Archimedesa i właściwości materiałów), zastosowania odpowiedniej technologii (superkondensator i wydajna przetwornica), inteligentnego oprogramowania (cykl uśpienia i zarządzania energią) oraz czystej inżynierskiej pomysłowości (pasywny, magnetyczny system orientacji paneli). To dowód na to, że połączenie głębokiej wiedzy, wieloletniej pasji i kreatywnego myślenia pozwala na realizację projektów, które na pierwszy rzut oka wydają się niemożliwe.

Pico tracker APRS SP9UOB: kronika rocznego lotu w stratosferze

1.0 Wprowadzenie: przełamywanie granic możliwości

Utrzymanie balonu stratosferycznego w locie przez równy rok to osiągnięcie, które na nowo definiuje paradygmat amatorskiej eksploracji bliskiego kosmosu. Projekt Pico Tracker APRS, będący kulminacją dekady iteracyjnych prac badawczo-rozwojowych prowadzonych przez Tomka SP9UOB, stanowi świadectwo inżynierskiej determinacji i bezkompromisowej innowacyjności. Dokument ten stanowi analityczną kronikę podróży od ambitnej idei do globalnego sukcesu, demonstrując przełomowe rozwiązania w dziedzinie radioelektroniki i eksploracji stratosfery. Wszystko zaczęło się od jednej inspiracji, która zdefiniowała wyzwanie na następną dekadę.

2.0 Geneza projektu: od inspiracji do wyzwania

Zrozumienie fundamentalnej motywacji stojącej za projektem jest kluczowe, ponieważ to właśnie ambitne cele definiują zakres prac inżynieryjnych i determinację potrzebną do ich osiągnięcia. Bezpośrednią inspiracją stał się przelot transatlantycki zrealizowany przez California Near Space Project w grudniu 2011 roku. Ten sukces zrodził w głowie Tomka SP9UOB równie ambitny cel: wysłać balon z Polski do Ameryki.

Realizacja tego zamierzenia napotkała jednak fundamentalną przeszkodę natury fizycznej. Ze względu na ruch obrotowy Ziemi, dominującym kierunkiem wiatrów w stratosferze jest wschód. Oznaczało to, że aby dotrzeć do Stanów Zjednoczonych, balon musiał najpierw okrążyć całą planetę. To wyzwanie przekształciło się w główny cel, który nadał kierunek wszystkim późniejszym pracom.

Twórcą projektu jest Tomek SP9UOB – licencjonowany krótkofalowiec od 1995 roku, elektronik z wykształcenia i pasji, a także entuzjasta odnawialnych źródeł energii i eksploracji kosmosu. Jego fundamentalne podejście opierało się na pełnej autonomii konstrukcyjnej. Jak sam podkreśla: „zawsze te urządzenia były mojej konstrukcji, mojego pomysłu i zbudowane od początku przeze mnie”. Aby sprostać globalnemu wyzwaniu, projekt musiał przyjąć radykalną filozofię: bezkompromisową miniaturyzację, która stała się technicznym kręgosłupem całego przedsięwzięcia.

3.0 Ewolucja technologiczna: dekada dążenia do miniaturyzacji

Sukces w długodystansowych lotach stratosferycznych jest nierozerwalnie związany z masą ładunku. Zgodnie z prawem Archimedesa, lżejszy ładunek wymaga mniejszej ilości gazu nośnego, co pozwala na użycie mniejszej i lżejszej powłoki balonu. Ta zależność jest kluczowa dla osiągnięcia stabilnego lotu na dużej wysokości, tzw. „float”. Zjawisko to wykorzystuje mechanizm fizyczny materiału balonu: w miarę wznoszenia powłoka rozszerza się aż do momentu, w którym osiąga granicę swojej sprężystości. W tym punkcie ekspansja zatrzymuje się, siła wyporu stabilizuje się, a balon przestaje się wznosić, unikając rozerwania i utrzymując stałą wysokość. Osiągnięcie tego stanu wymagało bezkompromisowego dążenia do jak najniższej masy trackera, co ilustruje poniższa chronologia.

Rok	Wersja / opis	Masa (w gramach)	Kluczowa Innowacja / uwagi
Początkowa	Pierwszy tracker z bateriami	~200 g	Punkt wyjścia; duża masa limitująca możliwości.
2012	Seria „Spóner” (wersja 1)	22 g	Radykalna miniaturyzacja, zastosowanie procesora Microchip o niskim poborze mocy.
2012	Seria „Spóner” (wersja 2)	12 g	Dalsza optymalizacja w tym samym roku.
2012	Wersja na płytce fabrycznej	7 g	Umożliwiło montaż mniejszych elementów SMD, niemożliwy w warunkach amatorskich.
Później	Wersja bez izolacji	4 g	Przełomowe odkrycie, że izolacja styropianowa nie jest konieczna dla elektroniki.
Wersja 7	Gotowa płytka z antenami	3.1 g	Użycie komponentów SMD 0201, montaż pod mikroskopem.
Wersja 7	Najlżejszy egzemplarz	2.8 g	Osiągnięcie wagi porównywalnej do kilku dużych kropli wody.

Kluczowym momentem w procesie miniaturyzacji była rezygnacja z izolacji styropianowej, gdy okazało się, że elektronika jest w stanie poprawnie funkcjonować w ekstremalnych temperaturach stratosfery. Kolejnym przełomem było przejście na montaż powierzchniowy (SMD) z wykorzystaniem komponentów w rozmiarze 0201. Skalę tego wyzwania najlepiej obrazuje porównanie takiego elementu do ziarnka piasku – mieści się on z łatwością na główce zapałki. Montaż tak miniaturowych części musiał odbywać się ręcznie, pod mikroskopem, co wymagało niezwykłej precyzji.

Te wybitne osiągnięcia inżynieryjne w dziedzinie miniaturyzacji stały się fundamentem, który umożliwił serię przełomowych lotów, przesuwających granice amatorskiej eksploracji kosmosu.

4.0 Kluczowe kamienie milowe: od Syberii do rekordu świata

Postęp w projekcie najlepiej ilustrują konkretne, przełomowe misje, które rok po roku potwierdzały słuszność przyjętych założeń inżynieryjnych. Każdy udany lot był nie tylko dowodem technicznym, ale także potężną motywacją do dalszej, jeszcze bardziej ambitnej pracy.

1. Grudzień 2013 (Seba 6): pierwszy znaczący sukces i dowód, że długodystansowe misje są w zasięgu ręki. Zasilany chemicznie balon pracował nieprzerwanie przez 33 godziny, a jego ostatni sygnał odebrano nad odległą Syberią. Wtedy właśnie, jak wspomina twórca, pojawiła się myśl: „to się kurde da zrobić”. To osiągnięcie było potężnym „strzałem energii” i potwierdzeniem, że projekt zmierza we właściwym kierunku.
2. Maj 2016 (Pico 24): historyczny moment dla polskiej społeczności krótkofalarskiej. Było to pierwsze amatorskie okrążenie Ziemi przez balon wypuszczony z Polski, które zajęło 16 dni. Sukces ten był bezpośrednim rezultatem połączenia dwóch kluczowych innowacji: ultralekkiego trackera oraz zasilania słonecznego.
3. Marzec 2020 (Pico Balon Challenge w Brnie): zwycięstwo w tej międzynarodowej konkurencji stanowiło ostateczne potwierdzenie wyższości technologicznej projektu. W warunkach w pełni ustandaryzowanych, gdzie wszyscy uczestnicy otrzymali identyczne balony i tę samą ilość gazu, tracker SP9UOB zdeklasował rywali. Podczas gdy konkurencyjne balony zamilkły już pierwszego dnia, polska konstrukcja działała przez ponad miesiąc, aż do 11 kwietnia.
4. Przełom 2020/2021: kolejny balon zademonstrował niezwykłą niezawodność i wytrzymałość konstrukcji, wykonując aż pięć pełnych okrążeń Ziemi i dostarczając cennych danych telemetrycznych przez wiele miesięcy.
5. 2021–2022 (Pico 41 – lot roczny): misja ta stanowi ukoronowanie całej dekady prac. Balon działał nieprzerwanie w stratosferze przez równy rok, okrążając Ziemię wielokrotnie i funkcjonując de facto jako „mały satelita na bardzo niskiej orbicie”. Jego historia zakończyła się nagle i dramatycznie – ostatni sygnał odebrano z obszaru działań wojennych na Ukrainie. Nagłe urwanie transmisji w trakcie nadawania ramki telemetrycznej sugeruje, że balon został najprawdopodobniej zniszczony, co dodaje niezwykłego kontekstu temu wyjątkowemu osiągnięciu.

Te spektakularne sukcesy były możliwe wyłącznie dzięki synergii unikalnych innowacji technicznych, które stanowią serce i duszę projektu.

5.0 Innowacje techniczne: sekrety sukcesu

Sukces projektu opiera się na synergii trzech fundamentalnych filarów inżynieryjnych: autonomicznego systemu zasilania, pasywnego mechanizmu orientacji paneli oraz zaawansowanego, adaptacyjnego oprogramowania.

5.1 Autonomiczny system zasilania słonecznego

Architektura systemu zasilania została zaprojektowana z myślą o maksymalnej wydajności i odporności na ekstremalne warunki. Składa się z następujących komponentów:

• Dwa ogniwa krzemowe (19x52 mm), stanowiące źródło energii.
• Superkondensator 1F 2.7V pełniący rolę magazynu energii.
• Kontroler MPPT (Maximum Power Point Tracking) optymalizujący proces ładowania.
• Przetwornica step-up podwyższająca napięcie do poziomu wymaganego przez elektronikę.

Kluczową decyzją było zastosowanie superkondensatora zamiast baterii litowych. W przeciwieństwie do akumulatorów, superkondensator jest wysoce odporny na niskie temperatury stratosfery i doskonale toleruje cykle głębokiego rozładowania, co jest nieuniknione podczas nocy.

System działa w inteligentnym, wieloetapowym cyklu, zapewniając przetrwanie nawet w warunkach minimalnego oświetlenia:

1. Faza ładowania głównego: procesor pozostaje w trybie głębokiego uśpienia, podczas gdy układ MPPT efektywnie ładuje superkondensator.
2. Faza akwizycji pozycji: po osiągnięciu progu napięcia, procesor budzi się, uruchamia GPS, pozyskuje pozycję, zapamiętuje ją, a następnie natychmiast wraca do uśpienia w celu oszczędzania energii.
3. Faza doładowania do transmisji: procesor czeka na ponowne naładowanie kondensatora do poziomu wystarczającego na energochłonną transmisję.
4. Faza transmisji: procesor budzi się i nadaje zapamiętaną wcześniej pozycję, po czym cały cykl się powtarza.

Wyjątkową wydajność tego rozwiązania zilustrował przypadek balonu odnalezionego na Słowacji. Mimo że jego ogniwo słoneczne było w większości zniszczone, tracker był w stanie nadal nadawać, korzystając z energii generowanej przez niewielki, uszkodzony fragment krzemu.

5.2 Pasywny system orientacji paneli słonecznych

To rozwiązanie jest przykładem genialnej prostoty inspirowanej dziecięcymi doświadczeniami. Jak wspomina twórca: „jak byłem małym gówniarzem tata mi pokazał jak się robi kompas z igły”. Do trackera przyklejony jest mały magnes neodymowy. Wykorzystując naturalne pole magnetyczne Ziemi, magnes działa jak kompas, automatycznie ustawiając cały tracker w taki sposób, aby panele słoneczne były skierowane na południe.

Co więcej, panele są celowo nachylone pod odpowiednim kątem. Ponieważ fizyka atmosfery praktycznie uniemożliwia przemieszczenie się balonu z półkuli północnej na południową, nachylenie to optymalizuje ekspozycję na światło słoneczne w warunkach zimowych, maksymalizując pozyskiwanie energii.

5.3 Inteligentne oprogramowanie i globalna adaptacyjność

Oprogramowanie, składające się z ponad 11 000 linii kodu, jest prawdziwym „mózgiem” całej operacji.

• Wbudowana mapa cyfrowa: tracker posiada w pamięci mapę świata podzieloną na regiony, co pozwala mu na podejmowanie autonomicznych decyzji dotyczących swojego zachowania w zależności od aktualnej lokalizacji.
• Zgodność z przepisami („Ham Spirit”): system demonstruje poszanowanie dla międzynarodowych regulacji i etyki krótkofalarskiej. Choć, jak przyznaje twórca, ewentualne naruszenie przepisów w odległych krajach prawdopodobnie nie miałoby konsekwencji, tracker automatycznie wyłącza nadajnik nad terytoriami, gdzie praca amatorska jest zabroniona (np. Korea Północna, Jemen). Nad Wielką Brytanią inteligentnie przełącza się na dozwolone pasmo ISM.
• Dynamiczne zarządzanie częstotliwością: tracker automatycznie dostosowuje częstotliwość nadawania sygnału APRS do standardów obowiązujących w danym regionie. W Japonii, gdzie funkcjonują dwie różne sieci APRS, urządzenie potrafi przełączać się między nimi.
• Wszechstronność modulacji: oprogramowanie obsługuje szeroki wachlarz trybów transmisji (APRS AFSK/GMSK, D-STAR, telegrafia CW, Contestia, Olivia, RTTY). Transmisja lokatora i wysokości alfabetem Morse'a (CW) okazała się kluczowa dla śledzenia balonu nad odległymi obszarami, takimi jak Syberia.

To właśnie synergia tych trzech innowacji – autonomicznego zasilania, pasywnej orientacji i inteligentnego oprogramowania – pozwoliła na osiągnięcie bezprecedensowego, rocznego lotu w stratosferze.

6.0 Podsumowanie i perspektywy na przyszłość

Projekt Pico Tracker APRS autorstwa Tomka SP9UOB to znacznie więcej niż rekordowy lot. To przede wszystkim świadectwo siły iteracyjnego rozwoju, inżynierskiej pasji i myślenia, które pozwala na osiąganie niezwykłych celów. Projekt ten ustanowił nowy wzorzec w dziedzinie amatorskiej eksploracji bliskiego kosmosu, udowadniając, że synergia bezkompromisowej miniaturyzacji, inteligentnego zarządzania energią i adaptacyjnego oprogramowania prowadzi do przełomowych rezultatów.

Obecnie, ze względu na niestabilną sytuację geopolityczną i zwiększoną wrażliwość na niezidentyfikowane obiekty latające, dalsze loty zostały tymczasowo wstrzymane. Zgromadzona wiedza i dojrzała technologia nie są jednak jedynie archiwum przeszłych sukcesów, lecz gotową do wdrożenia platformą dla następnej generacji misji stratosferycznych, oczekującą jedynie na sprzyjające warunki do ponownego przekraczania granic.

Raport techniczny: dziesięcioletnia ewolucja projektu pico trackera APRS SP9UOB

1.0 Wprowadzenie

Niniejszy raport techniczny stanowi szczegółową dokumentację dziesięcioletniego, iteracyjnego procesu rozwoju ultrawydajnego, zminiaturyzowanego trackera APRS. Projekt, prowadzony przez Tomka SP9UOB, jest unikalnym studium przypadku w dziedzinie inżynierii systemów wbudowanych, elektroniki niskiej mocy oraz amatorskiej komunikacji radiowej. Dokument analizuje kluczowe etapy ewolucji, od pierwszych prototypów po zaawansowane, autonomiczne wersje zasilane energią słoneczną.

Autorem projektu jest Tomek (SP9UOB), licencjonowany krótkofalowiec od 1995 roku, którego pasje zawodowe i hobbystyczne koncentrują się wokół elektroniki, odnawialnych źródeł energii oraz eksploracji kosmosu. Jego podejście od samego początku zakładało tworzenie autorskich konstrukcji, od podstaw projektowanych i budowanych na potrzeby misji balonowych.

Pierwotną inspiracją dla projektu stał się udany przelot transatlantycki zrealizowany przez California Near Space Project w grudniu 2011 roku. To osiągnięcie zrodziło ambitne wyzwanie inżynierskie: realizacja podobnego lotu z Polski do Stanów Zjednoczonych. Ze względu na dominujące wiatry wiejące w kierunku wschodnim, zadanie to wymagało nie tylko przekroczenia Atlantyku, ale okrążenia całej kuli ziemskiej.

W kolejnych rozdziałach przeanalizowano kluczowe etapy ewolucji trackera, dokumentując postęp technologiczny, który umożliwił realizację tego ambitnego celu.

2.0 Etap I: początki i wyzwania fundamentalne (2012–2013)

Strategiczne znaczenie miniaturyzacji w kontekście fizyki balonów stratosferycznych było fundamentalnym założeniem projektu. Zgodnie z prawem Archimedesa, lżejszy ładunek wymaga mniejszej ilości gazu nośnego, co pozwala na użycie mniejszej i lżejszej powłoki balonu. Ten łańcuch zależności jest kluczowy dla balonów typu "floater", które utrzymują stałą wysokość lotu. Wykorzystują one granicę sprężystości lateksu – punkt, w którym powłoka przestaje się rozszerzać pod wpływem spadającego ciśnienia atmosferycznego, stabilizując siłę wyporu. Osiągnięcie tego stanu wymaga precyzyjnego doboru minimalnej ilości gazu i, co za tym idzie, minimalnej masy ładunku.

Prace rozpoczęte w 2012 roku skupiały się na bezkompromisowej redukcji wagi. Ewolucja pierwszych prototypów ilustruje skokowy postęp, jaki udało się osiągnąć w krótkim czasie:

• Pierwszy tracker: masa całkowita wynosiła około 200 g.
• Seria "SPutnik": dzięki integracji komponentów i optymalizacji, masa spadła do 22 g.
• Kolejna wersja (ten sam rok): dalsze udoskonalenia pozwoliły osiągnąć masę 12 g.
• Wersja z fabryczną płytką PCB: przejście na profesjonalne obwody drukowane umożliwiło redukcję wagi do 7 g.
• Późniejsza wersja: ostateczna optymalizacja w tym okresie doprowadziła do powstania trackera o masie zaledwie 4 g.

Ta pięćdziesięciokrotna redukcja masy w ciągu jednego roku nie była celem samym w sobie, lecz kluczowym czynnikiem umożliwiającym praktyczne zastosowanie fizyki balonów typu "floater". Osiągnięcie masy poniżej progu krytycznego (ok. 5-7 g) pozwoliło na uniezależnienie misji od drogich, dużych powłok lateksowych i otworzyło drogę do eksperymentów z długotrwałymi lotami na stałej wysokości.

Pierwsze próby lotów, realizowane z Gliwic, napotykały na liczne trudności techniczne i operacyjne. Loty kończyły się często w niewielkiej odległości (np. w Będzinie), a jednym z kluczowych wyzwań okazał się wpływ czynników atmosferycznych, takich jak wilgoć kondensująca na powłoce balonu. Problemem były również kwestie logistyczne; jeden z wczesnych balonów, który wylądował na Węgrzech, został odesłany przez miejscowego rolnika dopiero po uiszczeniu opłaty w wysokości 40 €.

Kluczowym kamieniem milowym tego etapu był przełomowy lot balonu SEBA-6 w grudniu 2013 roku. Była to znacznie cięższa konstrukcja, wyposażona w telemetrię na falach krótkich (28 MHz) i UHF (70 cm), zasilana chemicznie za pomocą ogniw litowych. Ostatni sygnał z tego balonu został odebrany z odległej Syberii. Sukces ten udowodnił, że długodystansowe, transkontynentalne loty z Polski są technicznie możliwe i stał się potężnym impulsem do dalszych prac.

Analiza wyników pierwszego etapu prac pozwoliła na zdefiniowanie dwóch fundamentalnych wektorów dalszego rozwoju projektu: bezkompromisowej miniaturyzacji oraz osiągnięcia pełnej autonomii energetycznej.

3.0 Etap II: przełom w autonomii zasilania i ekstremalna miniaturyzacja (od 2016)

Po przerwie w latach 2014-2015, rok 2016 przyniósł rewolucję w projekcie, napędzaną przez wdrożenie zasilania słonecznego oraz osiągnięcie nowego, ekstremalnego poziomu miniaturyzacji. Te dwie innowacje stworzyły fundament pod realizację długotrwałych, wielodniowych, a ostatecznie wielomiesięcznych misji stratosferycznych, otwierając drogę do okrążenia kuli ziemskiej.

Wprowadzono nową, wysoce wydajną architekturę systemu zasilania. Jej kluczowe komponenty to:

• Źródło energii: dwa krzemowe ogniwa słoneczne o wymiarach 19x52 mm, stanowiące jedyne źródło zasilania.
• Magazyn energii: superkondensator o pojemności 1 Farada (2,7 V). Komponent ten został wybrany zamiast tradycyjnych baterii litowych ze względu na swoje unikalne właściwości. Superkondensatory, opierające swoje działanie na zjawiskach fizycznych, a nie chemicznych, charakteryzują się wyjątkową odpornością na skrajnie niskie temperatury panujące w stratosferze oraz tolerancją na głębokie rozładowanie, co jest destrukcyjne dla ogniw litowych.
• Dwustopniowy układ zarządzania energią: architektura składająca się z dwóch kluczowych bloków: (1) układu śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPPT), optymalizującego ładowanie superkondensatora z paneli słonecznych, oraz (2) przetwornicy step-up, zapewniającej stabilne napięcie 3 V dla elektroniki poprzez efektywne rozładowanie superkondensatora (sprawność do napięcia wejściowego ~0,3 V).

Równolegle kontynuowano prace nad redukcją masy, co doprowadziło do imponujących rezultatów. Poniższa tabela przedstawia ewolucję wagi trackera w tym okresie:

Wersja/element	Masa
Płytka drukowana (Rev7, nieoszlifowana)	1,0 g
Płytka drukowana (Rev7, oszlifowana)	0,98 g
Kompletny tracker (gotowy do lotu)	3,1 g
Najlżejszy zbudowany egzemplarz	2,8 g

Osiągnięcie tak niskiej masy wiązało się z ogromnymi wyzwaniami technologicznymi. Przejście na miniaturowe komponenty SMD w rozmiarze 0201 (porównywalne wielkością do ziarnka piasku) wymusiło konieczność ręcznego montażu wszystkich elementów pod mikroskopem.

Kulminacyjnym momentem tego etapu i potwierdzeniem słuszności przyjętych założeń konstrukcyjnych był lot Pico 24 w maju 2016 roku. Misja ta zakończyła się pierwszym w historii projektu udanym okrążeniem kuli ziemskiej, które zajęło 16 dni. Sukces ten był możliwy dzięki zaawansowanej architekturze technicznej, która zostanie szczegółowo omówiona w następnej sekcji.

4.0 Architektura techniczna finalnej wersji trackera

Niniejsza sekcja stanowi szczegółową analizę rozwiązań technicznych zastosowanych w najbardziej zaawansowanej wersji trackera. Sukces projektu jest wynikiem synergii pomiędzy starannie dobranymi komponentami, unikalnym systemem zarządzania energią, zaawansowanym oprogramowaniem oraz innowacyjnymi rozwiązaniami z zakresu mechaniki i nawigacji.

4.1 Kluczowe komponenty elektroniczne

Dobór podzespołów był podyktowany przede wszystkim kryterium minimalnego zużycia energii oraz wysokiej integracji. Kluczowe układy scalone to:

• Jednostka centralna (CPU): PIC18LF26K22 - Wybór tego mikrokontrolera firmy Microchip był motywowany jego licznymi trybami oszczędzania energii, które są intensywnie wykorzystywane w oprogramowaniu do minimalizacji poboru prądu w stanie bezczynności.
• Odbiornik GNSS: u-blox ZOE-M8 - Wysokiej klasy moduł GPS zapewniający szybką i niezawodną akwizycję pozycji przy relatywnie niskim zużyciu energii.
• Układ radiowy: SI4464 - Wszechstronny transceiver radiowy, zdolny do pracy na pasmach 2 m i 70 cm. Charakteryzuje się mocą wyjściową rzędu 16 mW i programową zdolnością do generowania szerokiej gamy modulacji cyfrowych (np. Contestia, Olivia), a nawet analogowych (AM).

4.2 Inteligentny system zarządzania energią

Dwustopniowy system zasilania działa w oparciu o logikę histerezy, z dwoma progami napięciowymi na superkondensatorze, które sterują cyklami akwizycji danych i transmisji, maksymalizując efektywność energetyczną. Jego cykl pracy jest precyzyjnie zarządzany przez oprogramowanie:

1. Głębokie uśpienie: w stanie bazowym procesor znajduje się w trybie głębokiego uśpienia. Układ MPPT w tym czasie ładuje superkondensator.
2. Okresowa kontrola: procesor okresowo wybudza się, aby sprawdzić poziom napięcia na superkondensatorze.
3. Akwizycja pozycji: gdy zgromadzona energia osiągnie zadany próg, uruchamiany jest moduł GPS.
4. Oszczędzanie w trakcie akwizycji: aby nie rozładować kondensatora w trakcie czasochłonnego procesu pozyskiwania sygnału z satelitów, procesor ponownie przechodzi w stan uśpienia.
5. Zapis i oczekiwanie: po pomyślnej akwizycji i zapisaniu pozycji, system ponownie zasypia, oczekując na naładowanie kondensatora do poziomu umożliwiającego transmisję radiową.
6. Transmisja: po osiągnięciu wymaganego poziomu energii, tracker nadaje ramkę telemetryczną z wcześniej zapamiętaną pozycją.

Praktyczny dowód na niezwykłą efektywność tego systemu dostarczył przypadek balonu, który po awarii wylądował na Słowacji. Mimo że tracker został wplątany w zarośla, a panele słoneczne zostały w większości zniszczone, był on w stanie nadawać telemetrię, czerpiąc energię z niewielkiego, ocalałego fragmentu ogniwa. Ten incydent stanowił niezaplanowany, lecz niezwykle cenny test wytrzymałościowy, empirycznie potwierdzający odporność architektury zasilania na katastrofalne uszkodzenia i zdolność do działania przy minimalnym, szczątkowym dopływie energii.

4.3 Oprogramowanie i funkcjonalności komunikacyjne

Oprogramowanie sterujące trackerem jest rozbudowanym systemem, liczącym ponad 11 000 linii kodu i zajmującym po skompilowaniu ponad 47 KB pamięci. Oferuje ono szereg zaawansowanych funkcji.

Jedną z kluczowych jest wewnętrzny log telemetryczny. Tracker przechowuje w pamięci EEPROM dane z ostatnich 7 dni, zapisując swoją pozycję, wysokość i czas co około dwie godziny. Te historyczne dane są następnie kompresowane i okresowo wysyłane w niestandardowym pakiecie APRS, co umożliwia odtworzenie pełnej trasy lotu.

Wszechstronność komunikacyjna trackera jest jedną z jego najmocniejszych stron. Obsługiwane modulacje i tryby pracy zostały pogrupowane według zastosowań:

• Podstawowe tryby APRS: sekwencyjne nadawanie ramek AFSK 1200 bodów oraz GFSK 9600 bodów.
• Alternatywne systemy cyfrowe: praca w trybie D-STAR (DPRS) z prędkością 4800 bodów.
• Tryby dalekiego zasięgu/niskiej przepustowości:
  • Telegrafia (CW): implementacja telegrafii do transmisji lokatora i wysokości była strategiczną decyzją, która okazała się kluczowa dla utrzymania ciągłości śledzenia w rejonach pozbawionych naziemnej infrastruktury APRS, takich jak Syberia czy Pacyfik. Prostota sygnału CW pozwalała na jego odbiór przez globalną sieć odbiorników WebSDR, zapewniając krytyczny przepływ danych.
  • Tryby cyfrowe HF: obsługa modulacji takich jak Contestia, Olivia, Domino i RTTY.
• Systemy pomocnicze:
  • RSID: Automatyczny tag identyfikujący nadawaną modulację, pozwalający oprogramowaniu odbiorczemu na automatyczne dostrojenie się do transmisji.

4.4 Innowacyjne rozwiązania inżynierskie

Oprócz zaawansowanej elektroniki, projekt wykorzystuje proste, ale efektywne rozwiązania pasywne.

Pasywny system orientacji paneli słonecznych jest tego najlepszym przykładem. Niewielki magnes neodymowy, wchodząc w interakcję z ziemskim polem magnetycznym, ustawia tracker w osi północ-południe. Dzięki temu panele słoneczne są optymalnie skierowane w stronę słońca, maksymalizując uzysk energetyczny. Inspiracją dla tego rozwiązania był prosty kompas wykonany z igły i korka.

Implementacja wbudowanej cyfrowej mapy świata (geofencing) stanowiła przełom w autonomii operacyjnej trackera, umożliwiając realizację czterech krytycznych funkcji bez potrzeby ingerencji z zewnątrz:

1. Zgodność z przepisami: w duchu "Ham Spirit", nadajnik jest automatycznie wyłączany nad terytoriami, gdzie praca amatorska jest zabroniona (np. Jemen, Korea Północna). Tracker kontynuuje logowanie pozycji, ale nie prowadzi emisji.
2. Dynamiczne prefiksy: urządzenie automatycznie dodaje prawidłowy prefiks kraju (np. DL/SP9UOB) do znaku wywoławczego w transmisjach CW.
3. Dostosowanie częstotliwości: tracker automatycznie wybiera właściwą częstotliwość APRS dla danego regionu geograficznego. Jest to kluczowe np. w Japonii, gdzie działają dwie oddzielne sieci APRS.
4. Ograniczenia dla lotów: w krajach zabraniających pracy amatorskiej z obiektów w powietrzu (np. Wielka Brytania), tracker przełącza się na pasmo ISM 70 cm, gdzie praca z ograniczoną mocą jest dozwolona.

To właśnie synergia między precyzyjnie dobranym sprzętem, wysoce zoptymalizowanym oprogramowaniem oraz unikalnymi rozwiązaniami mechanicznymi stanowi o wyjątkowości i sukcesie całego projektu.

5.0 Kluczowe osiągnięcia i wyniki operacyjne

Kulminacją dziesięcioletnich prac rozwojowych były liczne, rekordowe loty, które w praktyce potwierdziły niezawodność, wydajność i odporność opracowanej technologii. Poniżej przedstawiono najważniejsze misje w formie studiów przypadku.

• Pico 24 (maj 2016): pierwszy historyczny sukces projektu. Balon ten jako pierwszy zrealizował główne założenie, okrążając Ziemię w ciągu 16 dni i udowadniając, że globalne misje są w zasięgu tej technologii.
• Pico balon challenge w brnie (2020): wydarzenie to stało się dowodem przewagi inżynierskiej konstrukcji SP9UOB. W zawodach, gdzie wszyscy uczestnicy otrzymali identyczne balony i gaz, zwycięski tracker działał nieprzerwanie od 2 marca do 11 kwietnia, podczas gdy balony konkurencji przestały nadawać już w dniu startu.
• Misja 2020-2021: ten długotrwały lot wyznaczył nowy standard wytrzymałości, realizując imponujący wynik pięciu pełnych okrążeń Ziemi i dostarczając bezcennych danych telemetrycznych na temat prądów powietrznych w stratosferze.
• Pico 41 (do 2022): misja ta stanowi absolutny rekord projektu. Tracker pracował nieprzerwanie w stratosferze przez jeden rok, stając się de facto amatorskim, quasi-satelitą. Jego lot zakończył się nagle nad strefą działań wojennych na Ukrainie. Nagłe urwanie transmisji w trakcie nadawania ramki telemetrycznej sugeruje, według hipotezy autora, zniszczenie przez obiekt militarny, a nie awarię techniczną.

Udokumentowane osiągnięcia tych misji stanowią ostateczne i niezaprzeczalne potwierdzenie skuteczności zastosowanych rozwiązań technicznych oraz słuszności obranej ścieżki rozwojowej.

6.0 Podsumowanie i wnioski

Dziesięcioletnia historia projektu pico trackera SP9UOB to podróż od ciężkich, zasilanych chemicznie prototypów, do ultralekkich, w pełni autonomicznych systemów słonecznych zdolnych do rocznej pracy w surowych warunkach stratosfery. Ten iteracyjny proces badawczo-rozwojowy dostarczył szeregu cennych wniosków inżynierskich, które wykraczają poza ramy amatorskiego krótkofalarstwa.

Kluczowe wnioski wynikające z projektu można podsumować w następujących punktach:

• Potwierdzono krytyczną rolę synergii między ekstremalną miniaturyzacją a inteligentnym zarządzaniem energią. Dopiero połączenie tych dwóch elementów umożliwiło realizację misji długodystansowych.
• Wykazano jednoznaczną przewagę superkondensatorów nad tradycyjnymi bateriami w zastosowaniach stratosferycznych, ze względu na ich odporność na niskie temperatury i cykle głębokiego rozładowania.
• Udowodniono, że zaawansowane funkcje, takie jak geofencing i dynamiczna adaptacja trybów pracy, mogą być z powodzeniem zaimplementowane w urządzeniach o skrajnie ograniczonych zasobach obliczeniowych i energetycznych.
• Zilustrowano potęgę prostych, pasywnych rozwiązań mechanicznych (np. magnetyczna orientacja paneli), które mogą w znaczący sposób optymalizować wydajność energetyczną systemu bez wprowadzania złożoności i dodatkowych punktów awarii.

Obecnie, ze względu na niestabilną sytuację geopolityczną, projekt został tymczasowo zawieszony. Niezależnie od przyszłości, stanowi on trwały i cenny wkład w rozwój technologii amatorskich, będąc inspirującym studium przypadku dla inżynierów, elektroników i entuzjastów krótkofalarstwa na całym świecie.