středa 4. května 2016

Jak jsem se nakazil balónománií

Na rádiu je pěkné, to že dá dohromady lidi, kteří se nikdy před tím neviděli a třeba se v životě ani neuvidí. Už ani nevím, jak jsem se seznámil s libereckou partou. No "libereckou" je silně zavádějící. Vlastně jsme roztroušeni tak nějak proporcionálně od severu Čech až k jihu. Liberecká parta říkám, protože ministr všech ptákovin Milan OK1IF bydlí v Liberci a je to hlavní organizátor našich společných akcí. Na našich společných dovolených, které mají zkratku SRH (Summer Radio Hiking) se věnujeme sotování a nebo jen výletům po okolí, no a když nás to zmůže, tak je potřeba se posilnit dobrým mokem. Když je mok doopravdy kvalitní, tak má blahodárný vliv i na mozkovou aktivitu a světlo světa spatřují ty nejlepší nápady. No a kdysi před lety vznikla debata  typu, jak daleko je možné se dovolat s kvalitní anténou a minimálním výkonem. Tehdy musel být mok skutečně špičkový, protože vznikl projekt ideální antény, pracovně pojmenovaný "Sputnik". Je to anténa (půlvlnný dipól) vytažený do výšky několika km balónem. Pokud mě paměť neklame, sputniky s různě kvalitními motory (od pouťových balónků až po meteorologický balón) vyletěly celkem 4. Nad výsledky měření jsme vědecky i nevědecky mudrovali ale pro solidní posouzení stále chyběly základní údaje, a to jak daleko a jak vysoko je asi vysílací anténa. Proto vznikl projekt Apollo, kdy balón ponese radiomaják vybavený teploměrem a GPS přijímačem.
Duchovním otcem Sputniků je Jarda OK1MKX. Vyvinul a vyrobil veškerý HW. Já většinou zajišťoval pomocné práce jako kotvení Sputnika, čerpání paliva  a podobně. Při plánování projektu Apollo mě již byla svěřena důvěra a byl jsem jmenován hlavním konstruktérem. Takový profesní skok mé kariéry jsem ani nečekal. S vývojem elektroniky jsem totiž skončil před cca 30 lety. 
Ona ta myšlenka vlastně ani tak novátorská není. Radiomajáků vybavených mnohem lépe, je na trhu několik. Jenomže já si říkám, když už jsem sakra ten radioamatér a telegrafista, tak nebudu přece kupovat hotový tracker, i když má zabudovaný 70 cm modul s připojením na APRS a spoustu dalších vymožeností. Takže bylo rozhodnuto, že naše Apollo bude mít výstup CW v pásmu 80 m. Pásmo 80 m bylo vybráno z několika prozaických důvodů. Jsou běžně k dostání krystaly s kmitočtem 3579.65 kHz, V době slunečního minima toto pásmo zajistí slušné podmínky šíření a jsou k dispozici liškové přijímače, pomocí kterých je možno potom maják dohledat. Zadání naštěstí příliš svazující nebylo.
HF Výkon max 100 mW
Životnost alespoň 24 h
Výstup CW v pásmu 80 m
Hmotnost do 100 g


Nakonec se ukázalo, že to úplně triviální úloha není a vztah mezi životností baterek, výkonem a hmotností je docela kritický. VF část je řešena klasicky. Základem je Colpitsův oscilátor, řízený krystalem na kmitočtu 3.57965 MHz. Za ním následuje koncový stupeň s Mosfet tranzistorem PMBF170 (BS170) . Anténa je přizpůsobena L článkem na 75 Ohm. Napájení VF části je přímo z baterek, takže výkon je závislý na vybití baterek. Pro rozsah napětí 5V - 7.2V kolísá výkon od 50 mW do 100 mW. Původně plánované baterky 2x Li.SOCl2 (3.6V) se neosvědčily, nesnášejí tak vysoké vybíjecí proudy. Nejlepší výsledky dávají baterky Li-FeS2 (1.5V). Ty ale díky nižšímu napětí musejí být 4, takže jsme zase o pár gramů těžší.
Číslicová část je založena na řídícím procesoru Atmel typ ATTiny 1634, 16 kb Flash, 1 kb Ram. Obsahuje i 2 UARTy, jeden je využit pro komunikaci GPS přijímačem U-Blox M8-Q a druhý je určen pro připojení PC. SW MCU zajišťuje transparentní propojení obou portů, takže je možno monitorovat komunikaci mezi MCU a GPS a konfigurovat GPS. Vedlejším produktem tohoto řešení je vlastně takový zjednodušený vývojový systém pro GPS. Stav GPS je indikován tříbarevnou LED. Červená LED indikuje zapnutí GPS, Zelená LED indikuje aktivitu na kom. portu GPS a modrá indikuje stav fixace GPS. Po zafixování bliká s 10 s přestávkou. Počet bliknutí indikuje počet zachycených satelitů pro výpočet polohy. Z důvodu úspory energie funguje indikace led pouze hodinu po zapnutí a pro nadmořskou výšku (ASL) < 1000 m. Jelikož jsem neměl s konstrukcí GPS přijímačů zkušenosti, nechal jsem si otevřená zadní vrátka a přípojil k MCU řídící signály EXTINT a TIMEPULSE. Nakonec jsem je nevyužil ale naštěstí ATTiny 1634 má dost I/O, tak jsem šetřit nemusel. Z důvodu úspory energie je nutno rovněž vypínat GPS RX. To dělám rovněž HW pomocí tranzistoru Q1 (BC807). Interní paměť GPS, kde jsou uložena data pro výpočet polohy je trvale napájena. Jako GPS anténa slouží keramická Path anténa 13x13 mm. Je to nejslabší článek Apolla. Úroveň signálů ze satelitů je nízká a je třeba šetřit každým dB. Standard, který je nejrozšířenější 25x25 mm jsem zavrhl z důvodu rozměrů a hmotnosti. Nakonec, když jsem zvětšil zemní plochu kolem antény a oddělil napájení GPS tlumivkou se zafixuje i v podkroví. Venku s výhledem na oblohu 1. fixace trvá několik minut, v podkroví třeba i 30 minut. Napájení číslicové části dělá měnič MCP16301. Pracuje v základní katalogovém zapojení.
Relace je ve tvaru:

V V V de OK1DDQ/AM  UTC HHMM - LAT XX.XXX - LON XX.XXX - ASL XXX M - SUP XX.X V - TMP XX.X C

UTC - Čas UTC, kdy byla zjištěna poloha. Udávají se hodiny a minuty
LAT - zeměpisná šířka ve stupních. znaménko - indikuje jižní šířku, například 49.9542° SŠ
LON - zeměpisná délka ve stupních, znaménko - indikuje západní délku například -14.2568° ZD
ASL - Nadmořská výška v metrech
SUP - Aktuální hodnota napájecího napětí ve voltech
TMP - Aktuální teplota ve °C

Po relaci následuje z důvodu úspory energie asi minutová přestávka, ve které se vysílají pouze tečky. V době zjišťování polohy přechází TX rovněž do tohoto úsporného režimu. Teplota a napětí se měří před každou relací.
Výše popsaný SW je verze 1.0. Do letošní SRH 2016 od 11.6. do 18.6. doufám dospěji do vyšší verze. V plánu je především zrychlit fixaci GPS, aktivovat před vyčerpáním baterek dohledávací režim, aktivovat režim snížené spotřeby MCU mezi relacemi a několik dalších vylepšení.
Budeme rádi, pokud budete sledovat 1. let Apolla a pokud a pokud se aktivně zapojíte. Nápadem se můžete zapojit již nyní. Rádi bychom aby let Apolla nebyl pouze záležitostí účastníků SRH 2016 ale aby se dokázali zapojit i ostatní u vlastních rádií. Proto hledám nějakou aplikaci, nejlépe mapovou, do které by mohli zapisovat aktuální data z Apolla i ostatní. Pokud se záměr zdaří, Apollo bude pracovat minimálně 24 hodin a nám na Šumavě zmizí z radarů po několika hodinách. Bylo by pěkné, kdyby ostatní, kteří jej uslyší mohli převzít štafetu a udržovat aktuální data a po přistání jej případně pomohli dohledat.