Подигнувањето на лесна радио-опрема на само неколку десетици метри над земјата драстично ја менува геометријата и дострелот на безжичните комуникации. Во котлински релјеф опкружен со планински масиви какво што е Скопје, густиот урбан армиран бетон и природните пречки на релјефот го задушуваат радио-сигналот на земја веќе по два до три километри. Со подигнување на автономен LoRa репетитор преку врзан аеродинамички змеј или метеоролошки балон, директната оптичка видливост (Line-of-Sight) се отвора за десетици километри, создавајќи робусна комуникациска инфраструктура со нулта зависност од комерцијални мобилни оператори или електричната мрежа.

LoRa 868 MHz и протокол Meshtastic

Основата на системот е LoRa (Long Range) модулацијата на европскиот слободен ISM опсег од 868 MHz, со почитување на CEPT/ETSI регулативите: - Фреквентни канали и работни циклуси (Duty Cycle): За стандарден сообраќај користиме канали во опсегот 868.0–868.6 MHz со дозволена моќност од 14 dBm (25 mW) и 1% работен циклус. За висински репетиторски јазли се користи под-опсегот 869.4–869.65 MHz со дозволена излезна моќност до 27 dBm (500 mW ERP) и 10% работен циклус, што обезбедува супериорна продорност низ пречки. - Отворен протокол Meshtastic: Јазлите користат децентрализиран ad-hoc mesh протокол со динамичко рутирање базирано на поплавување (managed flood routing) со ограничување на скоковите (обично 3 до 5 скока). Пакетите носат кратки текстуални пораки, GPS локации и сензорска телеметрија, при што секој јазол користи табела на дедупликација базирана на хеш на пакетот. - Криптографска заштита: Мрежата поддржува енкрипција AES-256-CTR/GCM за затворени приватни канали (за координација на спасувачки тимови), како и стандарден отворен јавен канал за итни соопштенија и граѓански сигнали за помош.

Летечкиот јазол функционира како доминантен висински репетитор (Client_Mute или Router_Client режим) што ги слуша дури и најслабите рачни примопредаватели од дното на котлината и ги премостува врвовите кон соседните населби и градови.

Аеродинамика: Змејови и врзани балони

За сигурно одржување на радио-товарот во воздух користиме две комплементарни платформи прилагодени за различни метеоролошки услови: 1. Аеродинамички парафоил змејови (Flowform 16 и Rokkaku): За ветар со брзина од 12 до 45 km/h (Бофор 3–6). Flowform змејовите се целосно меки (без цврсти прачки што можат да се скршат), а стабилноста и профилот на крилото се формираат со воздушен притисок во надолжните комори (ram-air cells) со специјални вентили за балансирање. Со агол на напад од 15°–20° и висок сооднос на узгон спрема отпор ($L/D \approx 4$), Flowform 16 стабилно држи товар од 200–350 грама на висина од 80 до 120 метри со часови. Јажето е плетено кевларско/Dyneema јаже (со носивост од 60–90 kg), лесно, нерастегливо и диелектрично (диелектрик за елиминирање на статички електрицитет). 2. Врзани метеоролошки балони со хелиум: При мирно време или лесен ветар под 10 km/h користиме латекс балони од 100–150 грама полнети со 99.9% чист хелиум. Балонот обезбедува бруто узгон од ~250–350 грама, овозможувајќи нето слободен узгон (free lift) од 100–150 грама над тежината на радио-товарот, со што репетиторот се држи стабилно вертикално позициониран.

Товарот (payload) е спакуван во аеродинамична, водоотпорна 3Д-печатена капсула од PETG со тежина под 115 грама, која содржи Semtech SX1262 модул, ESP32 микроконтролер, 3.2V 1500mAh LiFePO4 ќелија, микро-MPPT соларна фолија (CN3791) и прилагодена полуталасна коаксијална дипол антена со VSWR < 1.25:1.

Математички пресметки на Line-of-Sight и буџет на врската

Експериментите не се засноваат на нагаѓање, туку на прецизно електромагнетно моделирање:

  1. Радио-хоризонт и оптичка видливост:
    Поради атмосферската рефракција (стандарден фактор на ефективен радиус на Земјата $k = 4/3$), максималното геодетско радио-растојание со директна видливост се пресметува како: $$d_{\text{max}} \approx 4.12 \times \left(\sqrt{h_{\text{tx}}} + \sqrt{h_{\text{rx}}}\right) \text{ km}$$ Ако летечкиот јазол се наоѓа на висина $h_{\text{tx}} = 100\text{ m}$ над земјата, а приземната станица е на Водно на $h_{\text{rx}} = 1060\text{ m}$: $$d_{\text{max}} \approx 4.12 \times (\sqrt{100} + \sqrt{1060}) = 4.12 \times (10 + 32.56) \approx 175.3\text{ km}$$ Ова теоретски го отвора целиот Вардарски регион, Кумановската котлина и делови од Пелагонија.

  2. Загуба во слободен простор (Free-Space Path Loss - FSPL): $$\text{FSPL (dB)} = 20\log_{10}(d) + 20\log_{10}(f) + 32.44$$ За растојание $d = 100\text{ km}$ на фреквенција $f = 868\text{ MHz}$, загубата на патот изнесува: $$\text{FSPL} \approx 20(2) + 20(2.938) + 32.44 \approx 40 + 58.77 + 32.44 = 131.2\text{ dB}$$

  3. Буџет на врската (Link Budget):
    Со моќност на емитување $P_{\text{tx}} = +22\text{ dBm}$ (160 mW), добивка на предавателната антена $G_{\text{tx}} = +2.15\text{ dBi}$, добивка на приемната антена $G_{\text{rx}} = +3.0\text{ dBi}$ и кабелски загуби од $0.5\text{ dB}$: $$P_{\text{rx}} = 22 + 2.15 + 3.0 - 0.5 - 131.2 = -104.55\text{ dBm}$$ Бидејќи Semtech SX1262 на конфигурација Meshtastic LongFast (SF11, BW 250 kHz) има чувствителност на прием од $-130\text{ dBm}$ (и до $-137\text{ dBm}$ на SF12/BW 125 kHz), маргината на врската (link margin) изнесува над 25 dB. Ова гарантира исклучително сигурен прием на пакетите дури и низ атмосферски врнежи и урбан радио-шум.

  4. Френелова зона (Fresnel Zone Clearance):
    Радиусот на првата Френелова зона на средината на растојанието ($d_1 = d_2 = 50\text{ km}$) изнесува $r_1 \approx 8.656 \sqrt{100 / (4 \times 0.868)} \approx 46.5\text{ m}$. Подигнувањето на висина од 100 m овозможува чистење на над 60% од првата Френелова зона над повеќето ридови и урбани објекти.

Отпорност при кризи и отворена телеметрија

При катастрофи (земјотреси, планински пожари или прекин на електричната мрежа), комерцијалните базни станици престануваат со работа веднаш штом се испразнат нивните бафери. Летечкиот LoRa репетитор се подготвува и крева во воздух за помалку од 10 минути од обичен ранец.

Покрај комуникацијата, летечката капсула носи микро-сензори за температура, притисок, влажност (BME280) и оптички сензор за чад и честички. Секој пакет телеметрија се емитува отворено во етерот, зачуван во локалните дневници на приземните станици и достапен за секого без лиценци или претплати. Целата хардверска документација, STL фајлови и конфигурации на фирмверот се достапни во нашето јавно git складиште.