将皮可气球送入平流层并实现全球追踪，这听起来像是一个浩大的工程，但你知道吗？业余爱好者们已经找到了一种有趣且成本极低的方法。
这方法的核心是使用超压气球。与常规气象气球不同，它不会一直上升直到爆裂，而是能在高空大气中长期飘浮。这种气球可以持续飞行数月，完成长距离甚至环球航行，并且能全程报告自己的位置。
你可能会想，这种项目肯定技术门槛超高，没个几千美元下不来吧？实际上，它的制造和发射成本，可能只相当于一顿不错的晚餐。关键在于它的体积非常小，因此圈子里的朋友们都叫它“皮可气球”（皮可即pico，意为万亿分之一）。
皮可气球的有效载荷极轻，只有12到30克。一个充了氦气的大型聚酯薄膜派对气球，就足以让它升空。成本低廉这点至关重要，因为这种载荷通常是无法回收的。同时，由于其微型特性，也不会对航空器构成威胁，因此巧妙地避开了许多关于大型自由飘浮气球的法规限制。
这项技术的核心，在于解决了两个关键难题：如何追踪一个可能飘到世界任何角落的气球，以及如何为如此微型的载荷提供持久动力。经过众多探索者的协作，现在已经有了成熟、易于复制且成本可控的解决方案。
令人惊讶的是，全球追踪气球数据，竟然不需要借助卫星。皮可气球爱好者们利用的是一个叫做微弱信号传播报告器（WSPR）的业余无线电网络。这个协议的开发者小约瑟夫·胡顿·泰勒（Joseph Hooton Taylor Jr.）可是一位传奇的业余无线电爱好者，他还在1993年因发现脉冲双星而获得了诺贝尔物理学奖。
WSPR的设计初衷是监测不同无线电频段的信号传播条件，这对追求远距离通信的无线电爱好者很有价值。同时，它也能顺便记录下低功率的气球遥测信号。WSPR的带宽极低，每分钟不到10比特，但对于追踪来说已经足够了。全球的业余无线电爱好者网络会接收这些信号，并通过互联网公开报告，这就为追踪皮可气球铺平了道路。当然，要发射它，你至少需要持有通用级业余无线电执照，因为遥测传输所使用的频段是要求持证操作的。
我自己动手搭建的皮可气球载荷，核心是一块4美元的树莓派Pico开发板（这个名字真是恰如其分）。它被直接焊接在了一块子板上，这块子板集成了GPS接收器和发射器。开发这个子板及相关软件（他们称之为Jetpack WSPR追踪器）的团队贡献巨大，他们的成果具有极佳的可复现性。
从理论上讲，给Jetpack追踪器供电可以用电池。但实际操作中，平流层的平均温度低至-51℃，电池根本无法在这种环境下维持工作。所以，追踪器改用了两片轻量的太阳能模块。晚上，模块正常断电；等到早晨太阳升到足够高度时，追踪器就会重新启动，继续发射信号。
我在中国定制了5块Jetpack电路板，花了39美元，加上运费和关税后费用几乎翻了一倍。但即便如此，如果把树莓派开发板（4美元）、派对气球（两只10美元）、氦气（本地超市卖10美元）和两个太阳能模块（每片7美元）都算上，总成本依然相当亲民。
在Jetpack的设计过程中，最让我头疼的问题是发射器的杂散辐射控制。美国联邦通信委员会（FCC）规定杂散辐射必须至少低于发射信号功率43分贝。但我的发射器在基频的奇次谐波上存在强杂散辐射（因为它采用的是输出方波的Si5351A温控振荡器）。实测发现，42兆赫兹的三次谐波只比WSPR信号的14兆赫兹基频低25分贝。
从实际角度看，这个发射器功率最高也就毫瓦级，而且飘浮在距离最近接收器几公里外的空中，不会产生什么明显干扰。不过，我还是希望尽可能遵守规范，所以给天线加了一个陷波滤波器。陷波器是一种简单的电路元件，业余无线电爱好者常用它来调整天线在不同频率的谐振特性。每个陷波器由一个小型电感器（我用32号线漆包线绕了4匝，直径5毫米）并联一个220皮法的电容构成。借助NanoVNA信号分析仪，我通过微调线圈间距完成了调谐。将陷波器直接连接到追踪器板上后，成功从源头抑制了42兆赫兹的杂散辐射。这个方法效果很好，而且只给设备增加了0.3克的重量。
准备好载荷后，我给气球充入了一些氦气。充气量最好略高于让载荷刚好离地的临界值，这样当气球上升到最终高度时，氦气还有膨胀的空间。
我的第一次发射在北卡罗来纳州家附近的公园进行，那个气球在横跨大西洋的中途失联了。第二次发射的气球升空后便杳无音信。直到第三次，终于成功了！
它飞越了伊比利亚半岛，在我撰写这篇文章时，正以近12公里的高度在地中海上空巡航，或许会继续它的环球之旅。
通过WSPR网络接收到的气球遥测信息很少，而且间隔时间很长，这让我有些困惑。最可能的解释是：冬季太阳高度角偏低，导致我使用的水平太阳能板供电不足。在冬至后仅仅24小时就发射第一个气球之前，我真应该考虑到这个问题！
这次从零开始制作并发射皮可气球的经历，让我对嵌入式系统、低功耗设计和无线电通信有了更深的理解。如果你也对硬件开发和极客项目感兴趣，欢迎来云栈社区交流讨论，这里聚集了许多热爱动手实践的开发者。
发表于 9 小时前
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