EP1577679A1 - Suchgerät zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät - Google Patents

Suchgerät zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät Download PDF

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EP1577679A1
EP1577679A1 EP05005289A EP05005289A EP1577679A1 EP 1577679 A1 EP1577679 A1 EP 1577679A1 EP 05005289 A EP05005289 A EP 05005289A EP 05005289 A EP05005289 A EP 05005289A EP 1577679 A1 EP1577679 A1 EP 1577679A1
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EP
European Patent Office
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transmitter
signals
search
angle
search device
Prior art date
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EP05005289A
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EP1577679B1 (de
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Gerald Kampel
Ingo Zawallich
Rolf Matzner
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B29/00—Apparatus for mountaineering
    • A63B29/02—Mountain guy-ropes or accessories, e.g. avalanche ropes; Means for indicating the location of accidentally buried, e.g. snow-buried, persons
    • A63B29/021—Means for indicating the location of accidentally buried, e.g. snow-buried, persons

Definitions

  • the invention relates to a search device for locating a transmitter, in particular an avalanche transceiver, wherein for searching a search area, the search device by Panning a user in an angular range that covers the search area.
  • Avalanche burial seekers work with an unmodulated transmit signal 457 kHz. All skiers in a group switch on their devices in normal operation Broadcasting. If a part of the group is buried in an avalanche, the other people receive their devices on receipt and try to cover the burials of the transmitted signal.
  • the transmission signal is clocked at a frequency of about one hertz.
  • the broadcasting time at the frequency of 457 kHz, the so-called duty cycle, is ten to 30 percent.
  • This method has a number of disadvantages in practice. On the one hand influence the antennas mutually, even if they are turned off, so that the receiver sensitivity of the device suffers altogether. In particular, a direction determination at long distances over 50 meters almost impossible, the thus won Direction indicator so not useful. On the other hand, this technique is very sensitive to interference, so the direction indication is not optimal Conditions strongly scatters.
  • a special challenge for the seeker is when he receives the signals receives several victims at the same time.
  • the location purely by ear requires here a lot of practice and a cumbersome search strategy.
  • the object of the invention is therefore to provide a generic search device, which the position of at least one buried on reliable and cost-effective Way determined automatically.
  • such a search device further comprises a magnetic field sensor on, the earth magnetic field related sensor signals to the signal processing device outputs, which are supplied as a processing signal of the output unit and each Search direction assign a fixed search angle, relative to the Earth's magnetic field.
  • An essential idea of the invention is that a search device, which the above task solves, ideally, how a radar works and the antenna constantly by an angular range, for example. 180 degrees, would rotate. Because it's known at which angle the antenna is standing, can at any time a received Signal with the respective field strength assigned to the current angle of the antenna become. This is of course not feasible in practice. After all, will but the rotation by 180 degrees achieved by the person seeking the device while walking in the hand holds and swings left and right, a procedure like this is known in the application of search devices according to the prior art. The problem then is to determine the angle to an external reference coordinate system the device is at a given time.
  • information about the search angle might be from the evaluation of the GPS signal. This is the relatively high cost of a GPS Receiver and, for rescue applications, generally inadequate availability sufficient GPS signals.
  • the search device gives the Magnetic field sensor three sensor signals relating to the earth's magnetic field to the signal processing device out. This allows the solid angle of the device relative to the Determine field lines in which the field strength components of the earth's magnetic field in three measured perpendicular to each other axes.
  • magnetic field sensors with a precision of 1 degree are cheaper as a GPS receiver, so that the search device according to the invention made cheaper can be.
  • inclination sensors are provided, the sensor signals output the signal processing device, which related to the location of the search device represent on a horizontal plane.
  • the sensor signals of the tilt sensors can be the sensor signals of the magnetic field sensor advantageously correct so that the relative position of the search device to the earth's magnetic field very accurate and independent of the horizontal position of the search device can be determined.
  • the signal processing device designed to from the transmitter signals and the sensor signals To generate angle signals that have a reception field strength as a function of a Represent search angle.
  • the application of signal processing mechanisms to the Angular signals according to the invention allows in a particularly simple and reliable Way the determination of the transmitter location.
  • the Signal processing device for calculating a transmitter search angle in which the Transmitter is formed based on the angle signals. This can be done by the search device
  • the location of the transmitter can be determined as the determination of the distance between Transmitter and search device by conventional methods is easily possible. A provision the station by ear is therefore not required.
  • the station search angle can after one or more panning of the search device according to the invention be determined, even if the device is already back in a completely different Direction shows.
  • the signal processing device formed to at least two angle signals the transmitter search angle to determine.
  • a problem with transmitters to find buried victims is that the transmitter signal the transmitter is clocked. In a random pivoting movement, it is so common happen that the transmitter is currently in a transmission pause when the searcher is in the direction of maximum or minimum field strength (during the times when the Sender sends) is held.
  • the sequence of angle signals, d. H. the function of Receive field strength above the search angle therefore, is generally only in sections available.
  • an algorithm is implemented in the search device to to extrapolate from the intervening values maximum and minimum. in the The principle for this are only two arbitrary points of the field strength curve (that is, two Angle signals) required when the directivity of the search antenna known is.
  • Embodiment of the search device is the extrapolation or Interpolation of the complete course of the image (search angle -> field strength) Application of least squares method performed. this makes possible a constant improvement of the estimated field strength over the search angle with further measured values.
  • the output unit formed for the graphic output of result signals that the transmitter search angle represent, and in particular a display panel for the graphical display of Sender location in the search area includes. This will be advantageous the fast and intuitive recording of the transmitter by the user allows.
  • the signal processing device comprises a filter correlation unit configured to generate angle signals by correlation of the transmitter signals (received signal or mixed down Received signal) with predetermined pattern or filter signals to detect. hereby the detection of weak transmitter signals of a transmitter is made possible, for example, in long distance from the search device. This corresponds to finding a signal with known form in noise.
  • the filter correlation unit can, for example, a so-called matched-filter mechanism be implemented, wherein a cross-correlation between the searched and the received signal is performed.
  • the filter correlation unit formed to the angle signals with a sinusoidal and with a cosinusoidal Filter signal sequence to correlate.
  • a cosinusoidal filter signal d .h. if a cosinusoidal transmitter signal is expected, the computational cost be significantly reduced compared to a matched filter method when the transmitter signal is decomposed into a sine and a cosine component.
  • all that is needed instead of the cross-correlation a simple multiplication with the sine and the Cosine component of the pattern or filter signal with subsequent absolute value formation and moving average filtering.
  • the signal processing device comprises an inventive Seeker an autocorrelation unit, which is designed to be in stored signals by autocorrelation to detect periodic signal components. If the signals of multiple stations are received, the transmitter signals of the Transmitters superimpose each other and also mutually cancel. Because two devices always have slightly different from each other repetition rates and / or duty cycles, is However, in principle, an assignment of the respective received signal to the one or other stations possible. The superposition of signals from multiple stations is is the sum of several periodically switched on and off signals. Therefore, it is suitable the autocorrelation function adjusts itself to the periodic components of this sum signal detect. For example, from the measured reception field strengths by threshold decision an on / off function are formed whose autocorrelation function Contains spectral lines at the frequencies occurring. Thus, one is Separation of the signals of several transmitters by providing an autocorrelation unit in Search device possible.
  • the search device is the autocorrelation unit downstream of a filter correlation unit.
  • the structure designed of the search device particularly advantageous because initially all detectable (possibly weak) transmitter signals are identified and then in a simple way these signals can be assigned to different stations.
  • the search antenna of the search device according to the invention comprises a ferrite antenna, preferably with a cosinusoidal directional characteristic.
  • Ferrite Antenna are special because of their pronounced directional characteristic for transmitter location suitable.
  • a cosinusoidal directional characteristic allows, for example, training the filter correlation unit as stated above, wherein the angle signals correlated with a sinusoidal and with a cosinusoidal filter signal sequence become.
  • the search device comprises a transmitter for Transmitting transmitter signals, the transmitter signals preferably by a transmitter identifier are individualized.
  • group functions can be realized be in which of a plurality of stations at least one by his individualized identifier is identifiable, for example, the group leader one Group of skiers.
  • the signal processing device is for generating processing signals corresponding to a transmitter search angle assign a transmitter identifier, wherein a transmitter is designed such that Transmitter signals of this transmitter can be customized with respect to transmitter signals of other transmitters are.
  • such a method is further developed in such a way that Sensor signals related to the earth's magnetic field, as a processing signal through Result signals are displayed to the users and each search direction a solid Search angle, relative to the earth's magnetic field, is assigned. This turns the Earth's magnetic field used as a fixed reference coordinate system, and it is at any time the assignment the measured transmitter signal of a transmitter to a fixed search angle possible.
  • the inclinations of the search device are measured against the horizontal plane and the Sensor signals corrected accordingly.
  • the direction can be advantageous exactly be determined.
  • angle signals each indicating a reception field strength at a search angle, from the Transmitter signals and the assignments of search direction and search angle generated.
  • To Generating the angle signals is advantageous the application of signal processing Mechanisms on these signals possible, resulting in particularly simple and reliable Way the destination of the transmitter allowed.
  • a transmitter search angle in which the transmitter is located, calculated from the angle signals and a Output result signal representing the station search angle. This allows the Location of the transmitter to be determined, since the determination of the distance between transmitters and search device is easily possible by conventional methods. A provision of the Sender location by ear is therefore not required.
  • the station search angle can after one or more times pivoting of the search device according to the invention are determined even if the device is already pointing in a completely different direction.
  • the transmitter search angle is at least two, in particular at least three, angle signals determined.
  • a transmitter it is often the case in a random pivoting movement that the station is currently in a pause when the searcher is in the direction of maximum or minimum field strength.
  • the sequence of angle signals, d. H. the Function of the reception field strength above the search angle therefore, becomes general only available in sections.
  • the process of the invention is therefore advantageous designed to maximum and minimum from the intermediate values extrapolate.
  • two arbitrary points of the field strength curve i.e. H. two angle signals
  • the use is at least three Angle signals advantageous.
  • an estimated angle signal sequence according to the least squares method from the angle signals calculated and the station search angle from the maximum of the estimated angle signal sequence is determined. From the present, sectional consequences of the angle signals can with the least squares method the determining parameters of the whole Curves are estimated. This can easily be the estimated angle signal sequence calculated as previously stated above.
  • the method according to the invention are estimated transmitter signals by correlation of transmitter signals with predetermined filter signals determined and determined angle signals from the estimated transmitter signals. Becomes a cross-correlation between the filter signals and the transmitter signals, the Detection of weak transmitter signals of a transmitter allows, for example. In large Distance from the locator, this finding a signal with known form in the noise corresponds.
  • this embodiment is for determining the Transmitter signal from noise interference by correlation of received transmitter signals with a sinusoidal and a cosinusoidal filter signal sequence one each Sine and a cosine signal sequence determined.
  • the above-mentioned cross-correlation be performed by means of a matched filter mechanism.
  • the matched filter is very expensive. This is due to the fact that the pattern function represented by the filter signals in all possible phase positions the sequence of received transmitter signals must be compared. This computational effort can be significantly reduced if the sequence of transmitter signals in a sine and a cosine component is decomposed.
  • reception field strengths the signals of the estimated transmitter signal sequence from the summation of the products of the (if previously down-mixed) received signal sequence with a sine and a cosine signal sequence determined.
  • the argument (angle) of the above-mentioned sine and cosine component formed complex number describes the phase position of the received signal in Ratio to the cosine pattern function, while the amount of the complex number is a measure for the reception field strength.
  • the method according to the invention is for detection from several transmitters a periodic signal component of stored transmitter signals or processing signals, in particular estimation transmitter signals, by autocorrelation determined. If the signals of several victims are received, the Transmitter signals of the transmitter superimpose each other and also mutually extinguished. There two stations always slightly different from each other repetition rates and / or duty cycles However, in principle, an assignment of the respective received signal to the one or the other transmitter possible.
  • the autocorrelation function is suitable for the periodic contributions to recognize this sum signal. For example, from the measured reception field strengths Threshold decision an on / off function formed whose autocorrelation function spectral lines at the frequencies occurring contains. Thus, a separation of the signals of several transmitters is possible. By averaging The autocorrelation function over several observation periods can be dominant periodic components relatively independent of the respective orientation of the transmitter be determined to the receiver very reliable.
  • a determined periodic signal component which can be assigned to a transmitter, from transmitter signals or processing signals hidden to determine further periodic signal components.
  • Noise and inaccuracies become the periodic components of weaker received signals often obscured.
  • signal components that can be assigned to a dominant received signal hidden (set to zero).
  • the transmitter signals a transmitter to transmitter signals of other stations by a transmitter identifier individualized and processing signals are generated which correspond to a station search angle assign this sender identification.
  • a transmitter identifier individualized and processing signals are generated which correspond to a station search angle assign this sender identification.
  • a search device 1 designed according to the invention for use as an avalanche victim search device (avalanche transceiver).
  • the communication with the user via a backlit display 10 and two control buttons 12, 13th The display 10 allows the graphic display of the position of one or more buried relative to your own location.
  • the device 1 also has a loudspeaker 14 for outputting a synthetically generated search sound to the user as Acoustic feedback and an LED 15, as is known for conventional devices.
  • the speaker 14 and the red LED 15 also allow a conventional search without using the graphic display via the display 10.
  • the display of the display 10 is divided into a Coordinate field 16 to the true to scale representation of the location of the located transmitter of Spilled, a status line 18 with the most important information and labeling fields 20 for the two control buttons 12.
  • the device 1 is designed as a combined search and transmit device.
  • the case has the Shape of a folding mobile phone.
  • the hinge is indicated by a dashed line in FIG Line 21 indicated. If the device 1 is in search mode, it is closed by closing the Device automatically returns to the transmission mode. This will open Advantageously, an emergency downshift realized as they, for example. In the case of After avalanche, in the standards is required.
  • the device 1 is equipped with an antenna not visible to the outside for sending and searching equipped on a search frequency of 457 kHz.
  • the specified frequency is for Avalanche victim search devices standardized (EN 282).
  • An automatic location of the Burial takes place from the natural pivoting movement of the seeker or User. According to the invention, however, no manual bearing as in conventional Devices required.
  • the illustrated device 1 has a DF mode to focus on a selected victim.
  • a search process is carried out so that the searcher the device 1 after switching from transmit to seek mode, swings back and forth by about 180 degrees several times.
  • the achievable DF or search accuracy is initially ⁇ 10 degrees.
  • All transmitter or transmitter signals of transmitters are detected by buried persons who are in Range are located.
  • the range of the device is about 80 m.
  • At the stations can they are conventional avalanche transceivers or identical to device 1 Equipment.
  • a manual bearing, i. holding the device 1 in the direction of the strongest Signal is not required.
  • the detected transmitters 22 become on the direction and distance on the display 10th displayed, wherein the scale representation of the distance of the transmitter 22 from Searcher (in the center of the coordinate field 16, i.e. the crosshairs 23) Distances 24 in meters is specified.
  • the seeker can now find himself by requesting the victim, the first and press the button 12 "PEILEN" focus on this and the hide further transmitter 22.
  • distance information is displayed 24 and position information 22 constantly adapted to the current position of the searcher.
  • Target search in the near range can be supported by the red LED 15.
  • a zoom function in the display 10 be activated (not shown).
  • the seeker approaches a transmitter location 22 i.e. the suspected resting place of a buried person, becomes a circle on the display 10 superimposed, which is concentric to the base 22 and on closer approach concentrically reduced.
  • an insertion of the circle is from a Distance of three meters advantageous, but the overlay can be synonymous with larger or only at smaller distances.
  • a circle could also be a square or the like symbol.
  • the search device By means of the search device according to the invention can easily the exact Spill depth can be determined.
  • the searcher brings the detected transmitter 22 (the presumed resting place of the victim) with the center of the crosshairs 23 (the position of the seeker) to cover, so that the searcher vertically above the Spilled is located.
  • the distance indication 24 then indicates the burial depth.
  • the determination of the burial depth is only indirect and results in greater burial depth unreliable values, since the display at greater depth often remains the same over a diameter of up to several meters and over the depth no more accurate information is possible.
  • the seeker picks up the bearing and dedicates it to the next victim.
  • the search device 1 is equipped with a motion sensor (not shown). This detects whether the device 1 is being moved. If the device is in any mode, which is not the transmit mode, and will power the device for 90 seconds not moved, it automatically switches to the transmission mode. This will be the above-mentioned emergency downshift also safely triggered when the seeker due to a post-avalanche or the like surprising event no opportunity has more to close the search device.
  • the search device 1 has in the embodiment described here in addition to the Search function via further functions, which can be reached via the key 13 Main menu are selectable. This includes an electronic compass, a temperature gauge and inclination measurement to assess the avalanche danger, a display of the Battery status and a remaining time display for transmit and search mode. At low Battery level is a warning regardless of the operating mode.
  • the standard does not allow any additional functions (Compass, temperature display, inclination measurement).
  • the inclination sensors according to the invention for its functionality. Then only care must be taken that the display of the additional Data obtained does not increase the power consumption so much that the safety of the Use is no longer guaranteed. Therefore, a security circuit in the search device 1 provided (not shown), which turns off the display of the additional functions when the Battery capacity drops below 50% of the maximum value.
  • the requirements of Standard complies with the operational safety of the device.
  • the integrated sensors which are described in more detail below, can do this Device 1 at any time determine in which direction the seeker is currently holding it. So that can the location of the located transmitter of the buried at any time correct relative to own point of view.
  • search device 1 takes place in principle such that the received 457 kHz signals digitized and processed with a powerful microprocessor become.
  • Digital signal processing algorithms enable search sounds, i. Sender signals even then filter out of the noise, if they are already below the perceptibility limit of human hearing. This allows a The range comparable to conventional, analogue devices.
  • the positions of the victims are calculated.
  • the algorithms used are robust against individual faults or measurement errors. There over the whole search phase the positions are constantly being recalculated, which improves the Accuracy of estimated positions for the buried quickly over time.
  • Fig. 3 the functional structure of the device 1 of Fig. 1 is shown schematically.
  • a Earth magnetic field sensor 30 which provides a sensor signal for each rotational degree of freedom (X, Y, vertical) outputs, and tilt sensors 32 for the two tilt axes available.
  • another sensor 34 for one of the above-mentioned additional functions of Device, the temperature measurement, drawn.
  • the microprocessor-controlled sample manager 36 carries the current sample to the correct destination and selects the channel for the next sample.
  • the time behavior is designed so that the maximum possible sample clock essentially for the Sampling of the reception or transmitter signals is available.
  • the receive signal is faded out about every 32nd time slot and held whose one of the sensor channels for temperature, magnetic field and inclination read.
  • the angle estimation module 38 from the samples of the magnetic sensor 30 and the Tilt sensors 32 determines the spatial position to the Earth's magnetic field exactly. Such Methods are known per se to those skilled in the art and therefore will not be further described.
  • the sin / cos correlator 40 is for the detection of transmitter signals at the sensitivity limit intended. Basically, the task consists in one
  • Finding such a search sound in the noise is - in the sense of a hypothesis test - Optimal with a "matched filter” possible, where basically a cross-correlation between the searched and the received signal is performed.
  • the matched filter has as impulse response exactly the mirrored along the time axis searched function.
  • the gain of the matched filter is due to the fact that Nutzsignalanmaschine be added constructively by the impulse response, while noise components add up in performance.
  • the transmitter signal sequence is a cosinusoidal signal sequence with constant frequency. Any scaled and phase-shifted sine wave can be divided into a cosine and a sine component.
  • the performance of searched signal is the sum of the power of sine and cosine. Therefore, it is sufficient, the transmitter signal sequence with a cosine and a sinusoidal Filter sequence to multiply, the sequence of transmitter signals so in a sine and to decompose a cosine component.
  • the argument (angle) of the sine and Cosine component complex number describes the phase angle of the Receive or transmitter signal sequence in relation to the cosine pattern function, while the amount of the complex number is a measure of the reception field strength.
  • the sin / cos correlator 40 operating in this manner effects a demodulation of the search sound into the baseband (multiplication by sin or cos) and subsequent low-pass filtering for suppressing the image frequencies at twice the signal frequency.
  • An essential advantage of the sin / cos correlator 40 is that it can be constructed in a simple and resource-saving manner. Compared to a matched filter, the detection performance is 3 dB worse.
  • the RSS module 42 values are obtained from the output values a (amplitude estimate of the sine component) and b (amplitude estimate of the cosine component) of the correlator 40 by means of square mean RSS ("received signal strength") values.
  • the AKF module 44 then calculates the autocorrelation function (AKF) of the RSS values.
  • the output of the AKF module 44 serves as the basis for the separation of the signal components in the case of several simultaneously active transmitters.
  • the search for the buried is then particularly difficult, if at the same time the signals of several victims are received.
  • the transmitter signals of the transmitter can overlap each other and also mutually cancel out. Because two devices always have slightly different repetition rates and / or duty cycles from each other, However, in principle, an assignment of the respective received signal to the one or the other transmitter possible.
  • the superposition of signals from multiple stations is the sum several periodically on and off signals. Basically, a suitable Autocorrelation function to detect the periodic components of this sum signal.
  • the measured field strength values are determined by thresholding an on / off function is formed, their autocorrelation function Spectral lines should contain at the frequencies occurring.
  • the disadvantage of this Method is that, especially at low field strengths or imperfect Align the receiving antenna with the transmitter's ON / OFF times only can be determined with insufficient accuracy. These inaccuracies are the Spectral lines of the autocorrelation function smeared, i. out of focus, and fast unusable.
  • the periodic components Due to noise and inaccuracies, the periodic components become weaker Receiving signals often obscured. To be able to detect these components, be Signal components that can be assigned to a dominant received signal, hidden (set to zero).
  • the assignment of individual signal sections to different transmitters is determined by the heuristic segmentation in segmentation module 46. This will be in the Essentially by thresholding those signal elements determined that the Maximum of the AKF contribute.
  • the signal elements determined in this way are possibly transmitted Analysis of jumps in the correlation values again separated and different Assigned to senders.
  • a signal element may, for example, starting from the left and right boundary into two separate areas at the edges and one - for the location estimation unusable - overlay area can be divided in the middle. For segmentation can jumps and discontinuities in the sin and cos correlation values be used.
  • the location of the at least one received station is determined determined.
  • the distance of the transmitter can be in a conventional manner on application a power law on the measured or determined field strength reliable be determined.
  • the assignment of the invention obtained from the sensor data search angle ⁇ to those from the currently measured Transmitter signals resulting processing signals ⁇ , the current reception field strength specify a sender.
  • the ferrite receiving antenna used in the receiving unit 28 has a cosine-shaped directivity. With a fixed transmitter, the received field strength thus changes with the cosine of the double search angle. If the device is swiveled back and forth by the searcher during the search, ie if the angle is continuously changed, then the field estimation module 48 can easily form the field strength ⁇ as a function of the search angle ⁇ . For all angle signal elements of a recording interval (from which exactly one AKF was calculated), the searcher angle and thus the location of the transmitter is estimated by linking with the search angles ⁇ . The coordinates obtained from successive recording intervals for the same transmitters can be continuously improved by weighted averaging.
  • the search tone i. the received transmitter signal sequence, the Field strength function, d. H. the sequence of angular signals ⁇ ( ⁇ ), each one receiving field strength specify at a search angle, generally only partially available. However, from the given sections, you can use the least squares method the determining parameters of the entire curve are estimated. From this it is easy to calculate the angle and distance of the transmitter.
  • the total field strength curve is calculated as a sequence of estimated angle signals become.
  • two arbitrary points of the transmitter signal sequence were sufficient. In the Practice is the received signal, however, more or less noisy. The approximation used two points can then be randomly corrupted by noise samples so that the parameters of the actual angular signal sequence are severely flawed to be appreciated.
  • all available Points of the received field strength curve or the transmitter signal sequence included and the searched parameters are optimized so that the total deviation of the calculated course of the estimated angle signal sequence from the portion of the sequence of the Transmitter signals and search angles determined angle signals is minimal.
  • the estimate may be by Use of new readings can be constantly improved. First, it results thereby also at a great distance from the buried and correspondingly weak Search or receive signal quickly a relatively accurate location estimate. On the other leaves by a corresponding weighting of older ones in relation to the current values the measured search or detected angle signals a jumping or excessive Instability of the determined station search angle reliably suppress.
  • Another task of the local estimation is the solution of the problem, from the field strength differences two or more consecutive recording intervals the 180 degree ambiguity of the angle estimate dissolve and the transmitter of the front (in Movement direction) or rear (opposite to the direction of movement) half-plane assign.
  • the determined location of a transmitter is then displayed on the display 10, as described above with reference to FIGS. 1, 2a and 2b.
  • Search device is based on modules that in Fig. 3 as separate units are drawn. These units may be in the search device in the form of software, Firmware and / or hardware. Preferably, the modules are in the form of Software on a microprocessor / DSP. For a full featured searcher like the illustrated by the figures would be a processor with 30 MIPS computing power and 8 KB RAM is suitable.
  • an inventive device without AKF module or module for the separation of Be formed signal components of several transmitters can be used in which only one transmitter is to be located.
  • An example of this is a group of skiers on secured runway, in which the finding of the group leader by the search devices of the group members is made possible, whereby only the transmitter of the conductor is in transmission mode.
  • a search device without a module for the implementation of Cross correlation of a filter signal formed with weak search or received signals be. Then weak signals in the noise are no longer detectable, the Sensitivity of the search device is reduced accordingly.
  • the Resources of the device available space, processor processing capacity
  • the AKF module can be designed to a larger number of transmitters to separate. Also can be a functionally poorer device have the same battery capacity over a prolonged period of use, if about one smaller processor is used.
  • a search device with a GPS system.
  • the GPS system provides a true-to-nature representation of the terrain. Of the Viewpoint of the searcher and the sender location detected by the searcher, i. the Suspected lying points of the buried, will be the representation of the GPS system superimposed.
  • Such a system allows the searcher to know the position of the person videins on the basis of any existing landmark terrain points intuitively, i. to quickly grasp, so that he with the least possible delay the lounger can visit.
  • the search device can be combined with a voice control as is known in car GPS systems. This receives the Searching acoustic instructions, such as in the form of a voice generated by the searcher. This allows the seeker to focus on the terrain.
  • a search device can furthermore be combined with a camera, as is known for mobile phones. This is advantageous from the camera recorded terrain view is displayed on the display of the search device. The detected transmitter locations are superimposed on the terrain view. The view on the display is largely consistent with the view the seeker has of his environment. Thus, the orientation of the searcher is facilitated, especially in contour rich Terrain.
  • a combination of a search device according to the invention with a GPS system and camera is possible. This would be GPS system and camera to achieve a interact in a detailed and contour-rich representation of the site.
  • search device instead of only as an avalanche victim search device can be inventively trained Search device also be used advantageously for other applications.
  • a group of skiers who are guided by their group leader eg. in poor visibility or otherwise confusing conditions. All participants have via transmitting / searching devices.
  • the device of the conductor has a transmitter whose Transmitter signal is provided with an individual station identifier.
  • the search devices of the Group participants are designed to evaluate the received sender identification, such that the located transmitter of the conductor is identifiable among the plurality of located transmitters is.
  • the display of the participants' search devices identifies the location of the group leader by specifying the identifier.
  • all transmitters of a group can be individualized by transmitter identifications.
  • the transmission of transmitter detections on the standard signal at 457 kHz not provided.
  • a second transmitter may be provided, the signals with transmitter identifiers radiates.

Abstract

Suchgerät (1) zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät, wobei zum Absuchen eines Suchgebietes das Suchgerät (1) durch einen Benutzer in einem Winkelbereich von Suchwinkeln geschwenkt wird, der das Suchgebiet überdeckt, welches die Position eines Verschütteten oder mehrerer Verschütteter auf zuverlässige und kostengünstige Weise selbsttätig bestimmt, mit einen Magnetfeldsensor, der das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an eine Signalverarbeitungseinrichtung ausgibt, die als Verarbeitungssignal der Ausgabeeinheit zugeführt werden und jeder Suchrichtung einen festen Suchwinkel, relativ zum Erdmagnetfeld, zuordnen, so dass zu jeder Zeit die Zuordnung des empfangenen Sendersignals eines Senders zu einem festen Suchwinkel möglich ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Suchgerät zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät, wobei zum Absuchen eines Suchgebietes das Suchgerät durch einen Benutzer in einem Winkelbereich geschwenkt wird, der das Suchgebiet überdeckt.
Lawinen-Verschütteten-Suchgeräte arbeiten mit einem unmodulierten Sendesignal bei 457 kHz. Alle Skifahrer in einer Gruppe schalten im Normalbetrieb ihre Geräte auf Sendebetrieb. Wird ein Teil der Gruppe in einer Lawine verschüttet, schalten die anderen Personen ihre Geräte auf Empfang und versuchen, die Verschütteten anhand des ausgesendeten Signals zu lokalisieren.
Das Sendesignal wird mit einer Frequenz von etwa einem Hertz getaktet. Die Sendezeit bei der Frequenz von 457 kHz, der sog. Duty Cycle, liegt bei zehn bis 30 Prozent.
Für die Ortung nach Gehör (bzw. maximaler/minimaler Feldstärke) erzeugen herkömmliche Geräte aus dem Sendesignal bei 457 kHz durch Heruntermischen einen hörbaren Suchton bei einer Frequenz von etwa 2 kHz. Da die eingebaute Antenne eine ausgeprägte Richtcharakteristik besitzt, kann durch Drehen des Empfangsgerätes und Suchen des Lautstärke-Maximums bzw. Minimums die Richtung der maximalen Feldstärke des verschütteten Senders bestimmt werden. Diese Technik erfordert von den Suchenden hohe Konzentration, Übung, und gerade bei größeren Entfernungen geringe Umgebungsgeräusche.
Um den Suchenden auch ohne Übung und in Stresssituationen die Suche zu vereinfachen, wurden Geräte mit mehreren, rechtwinklig zueinander angeordneten Antennen entwickelt. Durch Umschalten zwischen diesen Antennen kann die Empfangsrichtung des Sendesignals bestimmt werden.
Dieses Verfahren hat in der Praxis eine Reihe von Nachteilen. Zum einen beeinflussen sich die Antennen gegenseitig, auch wenn sie abgeschaltet sind, so dass die EmpfängerEmpfindlichkeit des Gerätes insgesamt darunter leidet. Insbesondere ist eine Richtungsbestimmung bei großen Entfernungen über 50 Metern fast nicht möglich, die so gewonnene Richtungsanzeige also nicht brauchbar. Zum anderen ist diese Technik sehr empfindlich gegenüber Störungen, so dass die Richtungsanzeige unter nicht optimalen Bedingungen stark streut.
Eine besondere Herausforderung für den Suchenden liegt vor, wenn er die Signale mehrerer Verschütteter zeitgleich empfängt. Die Ortung rein nach Gehör erfordert hier außerordentlich viel Übung und eine umständliche Suchstrategie.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein gattungsgemäßes Suchgerät anzugeben, welches die Position mindestens eines Verschütteten auf zuverlässige und kostengünstige Weise selbsttätig bestimmt.
Diese Aufgabe wird durch ein Suchgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Ortungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Ein Suchgerät zur Ortung (mindestens) eines Senders, insbesondere ein Lawinen-Verschütteten-Suchgerät, wobei zum Absuchen eines Suchgebietes das Suchgerät durch einen Benutzer in einem Winkelbereich von Suchwinkeln geschwenkt wird, der das Suchgebiet überdeckt, weist herkömmlich Folgendes auf:
  • eine Suchantenne zum Empfang von Sendersignalen, die vom Sender aus momentanen Suchrichtungen ausgestrahlt werden,
  • eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Verarbeitungssignalen aus den Sendersignalen und
  • eine Ausgabeeinheit, der die Verarbeitungssignale zugeführt werden, zur Ausgabe von Ergebnissignalen, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, an den Benutzer.
Gemäß der Erfindung weist ein derartiges Suchgerät weiterhin einen Magnetfeldsensor auf, der das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung ausgibt, die als Verarbeitungssignal der Ausgabeeinheit zugeführt werden und jeder Suchrichtung einen festen Suchwinkel, relativ zum Erdmagnetfeld, zuordnen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Suchgerät, welches die oben genannte Aufgabe löst, im Idealfall wie ein Radar arbeiten und die Antenne ständig um einen Winkelbereich, bspw. 180 Grad, drehen würde. Weil dabei bekannt ist, in welchem Winkel die Antenne gerade steht, kann zu jedem Zeitpunkt ein empfangenes Signal mit der jeweiligen Feldstärke dem momentanen Winkel der Antenne zugeordnet werden. Dies ist so in der Praxis natürlich nicht durchführbar. Immerhin wird aber die Drehung um 180 Grad dadurch erreicht, dass die suchende Person das Gerät beim Gehen in der Hand hält und nach links und rechts schwenkt, ein Vorgehen, wie es bei der Anwendung von Suchgeräten nach dem Stand der Technik bekannt ist. Das Problem besteht dann darin, festzustellen, in welchem Winkel zu einem äußeren Bezugskoordinatensystem sich das Gerät zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet.
Prinzipiell ist es denkbar, Informationen über den momentanen Suchwinkel durch die Auswertung der Signale von Beschleunigungssensoren oder Rotationssensoren zu erhalten. In der Praxis führen Anfangswertprobleme und die konstante Erdbeschleunigung hierbei zu großen Fehlern.
Auch könnten Informationen über den Suchwinkel unter Umständen aus der Auswertung des GPS-Signals gewonnen werden. Dem stehen die relativ hohen Kosten eines GPS Empfängers und die - für Rettungsanwendungen - im Allgemeinen unzureichende Verfügbarkeit ausreichender GPS-Signale entgegen.
Erfindungsgemäß wird das Erdmagnetfeld als derartiges, festes und permanent verfügbares Bezugskoordinatensystem herangezogen. Damit ist zu jeder Zeit die Zuordnung des empfangenen Sendersignals eines Senders zu einem festen Suchwinkel möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Suchgerätes gibt der Magnetfeldsensor drei das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung aus. Damit lässt sich der Raumwinkel des Gerätes relativ zu den Feldlinien ermitteln, in dem die Feldstärkekomponenten des Erdmagnetfeldes in drei senkrecht zueinander stehenden Achsen gemessen werden.
Darüber hinaus sind Magnetfeldsensoren mit einer Genauigkeit von 1 Grad preisgünstiger als ein GPS-Empfänger, so dass das erfindungsgemäße Suchgerät kostengünstiger gefertigt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung sind Neigungssensoren vorgesehen, die Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung ausgeben, welche die Lage des Suchgerätes bezogen auf eine Horizontalebene repräsentieren. Aus den Sensorsignalen der Neigungssensoren lassen sich die Sensorsignale des Magnetfeldsensors vorteilhaft so korrigieren, dass die relative Position des Suchgerätes zum Erdmagnetfeld sehr genau und unabhängig von der horizontalen Lage des Suchgerätes bestimmt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Suchgerätes ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet, um aus den Sendersignalen und den Sensorsignalen Winkelsignale zu erzeugen, die eine Empfangsfeldstärke in Abhängigkeit von einem Suchwinkel repräsentieren. Die Anwendung signalverarbeitender Mechanismen auf die erfindungsgemäßen Winkelsignale ermöglicht in besonders einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung des Senderortes.
In einer weiteren Ausgestaltung insbesondere der vorgenannten Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur Berechnung eines Sendersuchwinkels, in dem sich der Sender befindet, anhand der Winkelsignale ausgebildet. Hierdurch kann durch das Suchgerät der Ort des Senders bestimmt werden, da die Bestimmung des Abstandes zwischen Sender und Suchgerät durch herkömmliche Verfahren einfach möglich ist. Eine Bestimmung des Senderortes nach Gehör ist somit nicht erforderlich. Der Sendersuchwinkel kann nach ein- oder mehrmaligem Schwenken des erfindungsgemäßen Suchgerätes bestimmt werden, auch wenn das Gerät bereits wieder in eine vollkommen andere Richtung zeigt.
In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet, um aus mindestens zwei Winkelsignalen den Sendersuchwinkel zu bestimmen.
Ein Problem bei Sendern zum Auffinden Verschütteter besteht darin, dass das Sendersignal des Senders getaktet ist. Bei einer zufälligen Schwenkbewegung wird es also häufig passieren, dass der Sender gerade in einer Sendepause ist, wenn das Suchgerät in Richtung maximaler oder minimaler Feldstärke (während der Zeitpunkte, zu denen der Sender sendet) gehalten wird. Die Folge der Winkelsignale, d. h. die Funktion der Empfangsfeldstärke über dem Suchwinkel, wird daher im Allgemeinen nur abschnittsweise vorliegen. Vorteilhaft ist daher im Suchgerät ein Algorithmus implementiert, um aus den dazwischenliegenden Werten Maximum und Minimum zu extrapolieren. Im Prinzip sind hierzu nur zwei beliebige Punkte des Feldstärkeverlaufs (d. h. zwei Winkelsignale) erforderlich, wenn die Richtcharakteristik der Suchantenne bekannt ist.
Dazu werden die ― wie zuvor für den Suchwinkel und nachfolgend für die Feldstärke beschrieben - gewonnenen Abbildungen (Zeit -> Suchwinkel) und (Zeit -> Feldstärke) in eine Abbildung (Suchwinkel -> Feldstärke) transformiert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Suchgerätes wird die Extrapolation bzw. Interpolation des vollständigen Verlaufs der Abbildung (Suchwinkel -> Feldstärke) durch Anwendung der Methode des kleinsten Fehlerquadrates durchgeführt. Dies ermöglicht eine ständige Verbesserung des geschätzten Feldstärkeverlaufs über dem Suchwinkel mit weiteren Messwerten.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Suchgerätes ist die Ausgabeeinheit zur graphischen Ausgabe von Ergebnissignalen ausgebildet, die den Sendersuchwinkel repräsentieren, und insbesondere ein Anzeigefeld zur graphischen Anzeige des Senderortes in dem Suchgebiet umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft die schnelle und intuitive Erfassung des Senderortes durch den Benutzer ermöglicht.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Suchgerätes umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung eine Filterkorrelationseinheit, die ausgebildet ist, um Winkelsignale durch Korrelation der Sendersignale (Empfangssignal bzw. herabgemischtes Empfangssignal) mit vorgegebenen Muster- bzw. Filtersignalen zu detektieren. Hierdurch wird die Detektion schwacher Sendersignale eines Senders ermöglicht, der sich bspw. in großer Entfernung vom Suchgerät befindet. Dies entspricht dem Auffinden eines Signals mit bekannter Form im Rauschen. Auf der Filterkorrelationseinheit kann bspw. ein sogenannter Matched-Filter-Mechanismus implementiert sein, wobei eine Kreuzkorrelation zwischen dem gesuchten und dem empfangenen Signal durchgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die Filterkorrelationseinheit ausgebildet, um die Winkelsignale mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge zu korrelieren. Insbesondere bei einem kosinusförmigen Filtersignal, d .h. wenn ein kosinusförmiges Sendersignal erwartet wird, kann der Rechenaufwand gegenüber einem Matched-Filter-Verfahren erheblich reduziert werden, wenn das Sendersignal in eine Sinus- und eine Kosinus-Komponente zerlegt wird. In diesem Fall genügt an Stelle der Kreuzkorrelation eine einfache Multiplikation mit der Sinus- und der Kosinuskomponente des Muster- bzw. Filtersignals mit anschließender Betragsbildung und Moving-Average-Filterung.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Suchgerätes eine Autokorrelationseinheit, die ausgebildet ist, um in gespeicherten Signalen durch Autokorrelation periodische Signalanteile zu detektieren. Werden die Signale mehrerer Sender empfangen, können sich die Sendersignale der Sender gegenseitig überlagern und auch wechselseitig auslöschen. Da zwei Geräte stets leicht voneinander verschiedene Wiederholraten und/oder Tastverhältnisse aufweisen, ist jedoch im Prinzip eine Zuordnung des jeweils empfangenen Signals zu dem einen bzw. anderen Sender möglich. Bei der Überlagerung von Signalen mehrerer Sender handelt es sich um die Summe mehrerer periodisch ein- und ausgeschalteter Signale. Daher eignet sich die Autokorrelationsfunktion, um die periodischen Anteile dieses Summensignals zu erkennen. Beispielsweise kann aus den gemessenen Empfangsfeldstärken durch Schwellwertentscheidung eine Ein-/Ausschalt-Funktion gebildet werden, deren Autokorrelationsfunktion Spektrallinien an den vorkommenden Frequenzen enthält. Somit ist eine Trennung der Signale mehrerer Sender durch Vorsehen einer Autokorrelationseinheit im Suchgerät möglich.
In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Suchgerätes ist die Autokorrelationseinheit einer Filterkorrelationseinheit nachgeschaltet. Hierdurch gestaltet sich der Aufbau des Suchgerätes besonders vorteilhaft, da zunächst alle detektierbaren (möglicherweise schwachen) Sendersignale identifiziert werden und dann auf einfache Weise diese Signale verschiedenen Sendern zugeordnet werden können.
In weiteren Ausgestaltungen umfasst die Suchantenne des erfindungsgemäßen Suchgerätes eine Ferrit-Antenne, vorzugsweise mit kosinusförmiger Richtcharakteristik. Ferrit-Antennen sind wegen ihrer ausgeprägten Richtcharakteristik zur Senderortung besonders geeignet. Eine kosinusförmige Richtcharakteristik ermöglicht beispielsweise eine Ausbildung der Filterkorrelationseinheit wie weiter oben angegeben, wobei die Winkelsignale mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge korreliert werden.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung umfasst das Suchgerät einen Sender zum Senden von Sendersignalen, wobei die Sendersignale vorzugsweise durch eine Senderkennung individualisiert sind. Hierdurch können Gruppenfunktionen verwirklicht werden, bei denen aus einer Mehrzahl von Sendern mindestens einer durch seine individualisierte Kennung identifizierbar ist, beispielsweise der Gruppenleiter einer Gruppe von Skifahrern.
Bei bestimmten weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Verarbeitungssignalen ausgebildet, die einem Sendersuchwinkel eine Senderkennung zuordnen, wobei ein Sender derart ausgebildet ist, dass Sendersignale dieses Senders individualisierbar gegenüber Sendersignalen weiterer Sender sind. Hierdurch kann dem Benutzer des erfindungsgemäßen Suchgerätes in vorteilhaft einfacher Weise die Option zur Verfügung gestellt werden, sich einen aus einer Mehrzahl georteter Sender in hervorgehobener Weise anzeigen zu lassen.
Ein Verfahren zur Ortung eines Senders, insbesondere des Senders eines in einer Lawine Verschütteten, weist herkömmlich die folgenden Schritte auf:
  • zum Absuchen eines Suchgebietes wird ein Suchgerät durch einen Benutzer in einem Winkelbereich von Suchwinkeln geschwenkt, der das Suchgebiet überdeckt,
  • Sendersignale, die vom Sender ausgestrahlt werden, werden aus momentanen Suchrichtungen von einer Suchantenne des Suchgerätes empfangen,
  • Verarbeitungssignale werden aus den Sendersignalen erzeugt und
  • Ergebnissignale, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, werden an den Benutzer ausgegeben.
Erfindungsgemäß wird ein derartiges Verfahren in der Weise weiterentwickelt, dass Sensorsignale, die das Erdmagnetfeld betreffen, als Verarbeitungssignal durch Ergebnissignale den Benutzern angezeigt werden und jeder Suchrichtung ein fester Suchwinkel, relativ zum Erdmagnetfeld, zugeordnet wird. Damit wird das Erdmagnetfeld als festes Bezugskoordinatensystem herangezogen, und es ist zu jeder Zeit die Zuordnung des gemessenen Sendersignals eines Senders zu einem festen Suchwinkel möglich.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Zuordnung von Suchrichtung und -winkel Feldstärkekomponenten des Erdmagnetfeldes in drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen gemessen. Damit kann der Raumwinkel des Gerätes relativ zu den Feldlinien ermittelt werden.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Neigungen des Suchgerätes gegen die Horizontalebene gemessen und die Sensorsignale entsprechend korrigiert. Somit kann vorteilhaft die Himmelsrichtung exakt bestimmt werden.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Winkelsignale, die jeweils eine Empfangsfeldstärke bei einem Suchwinkel angeben, aus den Sendersignalen und den Zuordnungen von Suchrichtung und Suchwinkel erzeugt. Nach Erzeugung der Winkelsignale ist vorteilhaft die Anwendung signalverarbeitender Mechanismen auf diese Signale möglich, was in besonders einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung des Senderortes erlaubt.
In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Sendersuchwinkel, in dem sich der Sender befindet, anhand der Winkelsignale berechnet und ein Ergebnissignal ausgegeben, das den Sendersuchwinkel repräsentiert. Hierdurch kann der Ort des Senders bestimmt werden, da die Bestimmung des Abstandes zwischen Sender und Suchgerät durch herkömmliche Verfahren einfach möglich ist. Eine Bestimmung des Senderortes nach Gehör ist somit nicht erforderlich. Der Sendersuchwinkel kann nach ein- oder mehrmaligem Schwenken des erfindungsgemäßen Suchgerätes bestimmt werden, auch wenn das Gerät bereits wieder in eine vollkommen andere Richtung zeigt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Sendersuchwinkel aus mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Winkelsignalen bestimmt. Bei getakteten Sendersignalen eines Senders ist es bei einer zufälligen Schwenkbewegung häufig der Fall, dass der Sender gerade in einer Sendepause ist, wenn das Suchgerät in Richtung maximaler oder minimaler Feldstärke gehalten wird. Die Folge der Winkelsignale, d. h. die Funktion der Empfangsfeldstärke über dem Suchwinkel, wird daher im Allgemeinen nur abschnittsweise vorliegen. Vorteilhaft ist daher das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet, um aus den dazwischenliegenden Werten Maximum und Minimum zu extrapolieren. Hierzu sind prinzipiell zwei beliebige Punkte des Feldstärkeverlaufs (d. h. zwei Winkelsignale) ausreichend, wenn die Richtcharakteristik der Suchantenne bekannt ist. Für eine robuste Approximation ist die Verwendung mindestens dreier Winkelsignale vorteilhaft.
In weiteren Ausgestaltungen der vorgenannten Ausführungsformen wird eine Schätz-Winkelsignalfolge nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus den Winkelsignalen berechnet und der Sendersuchwinkel aus dem Maximum der Schätz-Winkelsignalfolge bestimmt wird. Aus den vorliegenden, abschnittsweisen Folgen der Winkelsignale können mit der Methode des kleinsten Fehlerquadrats die bestimmenden Parameter des gesamten Kurvenverlaufs geschätzt werden. Daraus kann in einfacher Weise die Schätz-Winkelsignalfolge berechnen werden, wie dies weiter oben bereits ausgeführt wurde.
In weiteren Ausgestaltungen dieser Ausführungsform werden bei der Berechnung der Schätz-Winkelsignalfolge Winkelsignale unterschiedlich gewichtet, insbesondere gemäß der Zeit, die seit einem Empfang der den Winkelsignalen zugrundeliegenden Sendersignale vergangen ist. Bei Anwendung der Methode des kleinsten Fehlerquadrats kann die Schätzung durch Heranziehung neuer Messwerte ständig weiter verbessert werden. Hierdurch ergibt sich auch bei großer Entfernung vom Verschütteten und entsprechend schwachem Sendersignal schnell eine relativ genaue Ortsschätzung. Zum anderen lässt sich durch eine entsprechende Gewichtung älterer im Verhältnis zu den aktuellen Messwerten bzw. den hieraus ermittelten Winkelsignalen ein Springen oder eine übermäßige Instabilität des errechneten Sendersuchwinkels zuverlässig unterdrücken.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schätz-Sendersignale durch Korrelation von Sendersignalen mit vorgegebenen Filtersignalen ermittelt und Winkelsignale aus den Schätz-Sendersignalen ermittelt. Wird eine Kreuzkorrelation zwischen den Filtersignalen und den Sendersignalen durchgeführt, wird die Detektion schwacher Sendersignale eines Senders ermöglicht, der sich bspw. in großer Entfernung vom Suchgerät befindet, wobei dies dem Auffinden eines Signals mit bekannter Form im Rauschen entspricht.
In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform wird zur Ermittlung des Sendersignals aus Rauschstörungen durch Korrelation von empfangenen Sendersignalen mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge jeweils eine Sinus- und eine Kosinussignalfolge ermittelt. Im Prinzip kann die oben erwähnte Kreuzkorrelation mittels eines Matched-Filter-Mechanismus durchgeführt werden. Der Nachteil des Matched Filter besteht jedoch in hohem Rechenaufwand. Dieser rührt daher, dass die durch die Filtersignale repräsentierte Musterfunktion in allen möglichen Phasenlagen mit der Folge empfangener Sendersignale verglichen werden muss. Dieser Rechenaufwand kann erheblich reduziert werden, wenn die Folge der Sendersignale in eine Sinus- und eine Kosinus-Komponente zerlegt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform werden Empfangsfeldstärken der Signale der Schätz-Sendersignalfolge aus der Summation der Produkte der (ggf. zuvor herabgemischten) Empfangssignalfolge mit einer Sinus- und einer Kosinussignalfolge ermittelt. Das Argument (Winkel) der durch obenerwähnten Sinus- und Kosinus-Komponente gebildeten komplexen Zahl beschreibt die Phasenlage des Empfangssignals im Verhältnis zur Kosinus-Musterfunktion, während der Betrag der komplexen Zahl ein Maß für die Empfangsfeldstärke ist.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Detektion von mehreren Sendern ein periodischer Signalanteil von gespeicherten Sendersignalen oder Verarbeitungssignalen, insbesondere Schätz-Sendersignalen, durch Autokorrelation ermittelt. Werden die Signale mehrerer Verschütteter empfangen, können sich die Sendersignale der Sender gegenseitig überlagern und auch wechselseitig auslöschen. Da zwei Sender stets leicht voneinander verschiedene Wiederholraten und/oder Tastverhältnisse aufweisen, ist jedoch im Prinzip eine Zuordnung des jeweils empfangenen Signals zu dem einen bzw. anderen Sender möglich. Bei der Überlagerung von Signalen mehrerer Sender handelt es sich um die Summe mehrerer periodisch ein- und ausgeschalteter Signale. Daher eignet sich die Autokorrelationsfunktion, um die periodischen Anteile dieses Summensignals zu erkennen. Beispielsweise kann aus den gemessenen Empfangsfeldstärken durch Schwellwertentscheidung eine Ein-/Ausschalt-Funktion gebildet werden, deren Autokorrelationsfunktion Spektrallinien an den vorkommenden Frequenzen enthält. Somit ist eine Trennung der Signale mehrerer Sender möglich. Durch Mittelung der Autokorrelationsfunktion über mehrere Beobachtungszeiträume können dominante periodische Anteile relativ unabhängig von der jeweiligen Ausrichtung des Senders zum Empfänger sehr zuverlässig bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform wird ein ermittelter periodischer Signalanteil, der einem Sender zugeordnet werden kann, aus Sendersignalen oder Verarbeitungssignalen ausgeblendet, um weitere periodische Signalanteile zu ermitteln. Durch Rauschen und Ungenauigkeiten werden die periodischen Anteile schwächerer Empfangssignale häufig verdeckt. Um diese Anteile detektieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn Signalanteile, die einem dominanten Empfangssignal zugeordnet werden können, ausgeblendet (zu Null gesetzt) werden.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Sendersignale eines Senders gegenüber Sendersignalen weiterer Sender durch eine Sender-kennung individualisiert und es werden Verarbeitungssignale erzeugt, die einem Sendersuchwinkel diese Senderkennung zuordnen. Hierdurch können Gruppenfunkionen verwirklicht werden, bei denen aus einer Mehrzahl von Sendern mindestens einer optional durch seine individualisierte Kennung identifizierbar ist, beispielsweise der Gruppenleiter einer Gruppe von Skifahrern.
Weitere Aspekte, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Figuren ersichtlich, von denen zeigt:
Fig. 1
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Suchgerätes;
Fig. 2a, 2b
jeweils eine Ansicht der Anzeige des Suchgerätes aus der Fig. 1;
Fig. 3
in schematisierter Form ein funktionales Blockschaltbild des Suchgerätes der Fig. 1.
In den Figuren werden für gleiche und gleich wirkende Elemente gleiche Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Suchgerätes 1 für den Einsatz als Lawinen-Verschütteten-Suchgerät (LVS-Gerät). Die Kommunikation mit dem Benutzer erfolgt über ein beleuchtetes Display 10 und zwei Bedientasten 12, 13. Das Display 10 erlaubt die grafische Anzeige der Position eines oder mehrerer Verschütteter relativ zum eigenen Standort. Das Gerät 1 verfügt zusätzlich über einen Lautsprecher 14 zur Ausgabe eines synthetisch generierten Suchtons an den Benutzer als akustisches Feedback sowie eine LED 15, wie dies für herkömmliche Geräte bekannt ist. Der Lautsprecher 14 und die rote LED 15 ermöglichen eine konventionelle Suche auch ohne Nutzung der grafischen Anzeige über das Display 10.
Wie im Einzelnen in Fig. 2a dargestellt, ist die Anzeige des Displays 10 unterteilt in ein Koordinatenfeld 16 zur maßstabsgetreuen Darstellung der Lage der georteten Sender der Verschütteten, eine Statuszeile 18 mit der jeweils wichtigsten Information und Beschriftungsfelder 20 für die beiden Bedientasten 12.
Das Gerät 1 ist als kombiniertes Such- und Sendegerät ausgeführt. Das Gehäuse hat die Form eines klappbaren Mobiltelefons. Das Scharnier ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 21 angedeutet. Befindet sich das Gerät 1 im Suchmodus, wird durch Zuklappen des Gerätes automatisch in den Sendemodus zurückgeschaltet. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise eine Notrückschaltung verwirklicht, wie sie, bspw. für den Fall einer Nachlawine, in den Normen gefordert ist.
Das Gerät 1 ist mit einer nach außen nicht sichtbaren Antenne zum Senden und Suchen auf einer Suchfrequenz von 457 kHz ausgestattet. Die angegebene Frequenz ist für Lawinen-Verschütteten-Suchgeräte genormt (EN 282). Eine automatische Ortung der Verschütteten erfolgt aus der natürlichen Schwenkbewegung des Suchenden bzw. Benutzers. Erfindungsgemäß ist jedoch keine manuelle Peilung wie bei herkömmlichen Geräten erforderlich. Zusätzlich verfügt das dargestellte Gerät 1 über einen Peilmodus zur Konzentration auf einen ausgewählten Verschütteten.
Ein Suchvorgang läuft dabei so ab, dass der Suchende das Gerät 1 nach dem Umschalten von Sende- auf Suchbetrieb einige Male um ca. 180 Grad hin- und herschwenkt. Die erreichbare Peil- bzw. Suchgenauigkeit liegt anfangs bei ±10 Grad. Beim Schwenken werden alle Sende- bzw. Sendersignale der Sender von Verschütteten erfasst, die sich in Reichweite befinden. Die Reichweite des Gerätes liegt bei ca. 80 m. Bei den Sendern kann es sich um herkömmliche LVS-Geräte handeln, oder um zu dem Gerät 1 baugleiche Geräte. Eine manuelle Peilung, d.h. das Halten des Gerätes 1 in Richtung des stärksten Signals, ist nicht erforderlich.
Die erfassten Sender 22 werden nach Richtung und Entfernung auf dem Display 10 angezeigt, wobei die maßstäbliche Darstellung der Entfernung des Senders 22 vom Suchenden (im Zentrum des Koordinatenfeldes 16, d.h. des Fadenkreuzes 23) durch Entfernungsangaben 24 in Metern präzisiert wird.
Der Suchende kann sich nun durch Ansuchen des Verschütteten, der als erstes aufgefunden werden soll, und Betätigen der Taste 12 "PEILEN" auf diesen fokussieren und die weiteren Sender 22 ausblenden. Während des Suchvorgangs werden Entfernungsangaben 24 und Positionsangaben 22 ständig an die aktuelle Position des Suchenden angepasst.
Die Zielsuche im Nahbereich kann durch die rote LED 15 unterstützt werden. Darüberhinaus kann für eine präzise Punktortung eine Zoomfunktion in der Anzeige 10 aktiviert werden (nicht gezeigt). Bei Annäherung des Suchenden an einen Senderort 22, d.h. den vermuteten Liegepunkt eines Verschütteten, wird ein Kreis auf der Anzeige 10 eingeblendet, der konzentrisch zum Liegepunkt 22 ist und sich bei weiterer Annäherung konzentrisch verkleinert. Erfahrungsgemäß ist eine Einblendung des Kreises ab einem Abstand von drei Metern vorteilhaft, die Einblendung kann aber auch schon bei größeren oder erst bei kleineren Abständen erfolgen. Statt eines Kreises könnte auch ein Quadrat oder dergleichen Symbol verwendet werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Suchgerätes kann auf einfache Weise die genaue Verschüttungstiefe ermittelt werden. Hierzu bringt der Suchende den erfassten Sender 22 (den vermuteten Liegepunkt des Verschütteten) mit dem Zentrum des Fadenkreuzes 23 (die Position des Suchenden) in Deckung, so dass sich der Suchende vertikal über dem Verschütteten befindet. Die Entfernungsangabe 24 gibt dann die Verschüttungstiefe an. Bei bekannten Suchgeräten erfolgt die Bestimmung der Verschüttungstiefe nur indirekt und ergibt bei größerer Verschüttungstiefe unzuverlässige Werte, da die Anzeige bei größerer Tiefe häufig über einen Durchmesser von bis zu mehreren Metern gleich bleibt und über die Tiefe keine genaueren Angaben möglich sind.
Ist ein Verschütteter gefunden und geborgen, hebt der Suchende die Peilung auf und widmet sich dem nächsten Verschütteten.
Das Suchgerät 1 ist mit einem Bewegungssensor ausgestattet (nicht gezeigt). Dieser erfasst, ob das Gerät 1 bewegt wird. Befindet sich das Gerät in einem beliebigen Modus, der nicht der Sendemodus ist, und wird das Gerät über einen Zeitraum von 90 Sekunden nicht bewegt, so wird automatisch in den Sendemodus geschaltet. Hierdurch wird die oben angesprochene Notrückschaltung auch dann sicher ausgelöst, wenn der Suchende aufgrund einer Nachlawine oder dergleichen überraschendem Ereignis keine Gelegenheit mehr zum Zuklappen des Suchgerätes hat.
Das Suchgerät 1 verfügt in dem hier geschilderten Ausführungsbeispiel neben der Suchfunktion über weitere Funktionen, die über das mit der Taste 13 zu erreichende Hauptmenü anwählbar sind. Hierzu gehört ein elektronischer Kompass, eine Temperaturanzeige und Neigungsmessung zur Beurteilung der Lawinengefahr, eine Anzeige des Batteriezustandes und eine Restzeitanzeige für Sende- und Suchbetrieb. Bei niedrigem Batteriestand erfolgt unabhängig von der Betriebsart eine Warnung.
Zwar erlaubt die Norm aus Sicherheitsgründen grundsätzlich keine Zusatzfunktionen (Kompass, Temperaturanzeige, Neigungsmessung). Jedoch benötigt das erfindungsgemäße Suchgerät bspw. die Neigungssensoren zu seiner Funktionsfähigkeit. Dann muss lediglich dafür Sorge getragen werden, dass die Anzeige der zusätzlich gewonnenen Daten nicht den Stromverbrauch derart erhöht, dass die Sicherheit des Einsatzes nicht mehr gewährleistet ist. Daher ist eine Sicherheitsschaltung im Suchgerät 1 vorgesehen (nicht gezeigt), welche die Anzeige der Zusatzfunktionen abschaltet, wenn die Batteriekapazität unter 50 % des Maximalwertes fällt. Somit sind die Anforderungen der Norm an die Betriebssicherheit des Gerätes erfüllt.
Bei anderen erfindungsgemäßen Suchgeräten liegen nur einige oder keine dieser Zusatzfunktionen vor; somit kann auch eine Sicherheitsschaltung der vorstehend beschriebenen Art entfallen.
Weiterhin sind über das Hauptmenü des Suchgerätes 1 eine Kurzanleitung für das Gerät und Konfigurationsanzeigen sowie Konfigurationseinstellmöglichkeiten für Sprache und Display-Beleuchtung erreichbar.
Durch die integrierten Sensoren, die weiter unten genauer beschrieben werden, kann das Gerät 1 jederzeit feststellen, in welche Richtung der Suchende es gerade hält. Damit kann die Lage der georteten Sender der Verschütteten zu jedem Zeitpunkt korrekt relativ zum eigenen Standpunkt dargestellt werden.
Aus der in der Fig. 2a dargestellten Anzeige ist intuitiv klar, dass der im Koordinatenfeld 16 hervorgehoben dargestellte Verschüttete 26 in 30m Entfernung genau in der Richtung liegt, in der das Gerät 1 gerade gehalten wird. Der am nächsten in gerader Richtung liegende - hervorgehoben dargestellte - Verschüttete kann durch Drücken der Taste 12 ("PEILEN") für die weitere Suche ausgewählt werden. Wie in Fig. 2b dargestellt, wird damit die Information im Display 10 auf die Daten des angepeilten Verschütteten 26 reduziert. Der Lautsprecher 14 (vgl. Fig. 1) gibt nur noch in entfernungsabhängiger Weise den Suchton des angepeilten Verschütteten 26 wieder. Die Peilung kann jederzeit durch Betätigen der Taste 13 ("ALLE") aufgehoben werden. Eine Mehrfachsuche ist für bis zu sechs Verschüttete gleichzeitig möglich.
Die technische Realisierung im Suchgerät 1 erfolgt prinzipiell so, dass die empfangenen 457- kHz-Signale digitalisiert und mit einem leistungsfähigen Mikroprozessor verarbeitet werden. Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung ermöglichen es, Suchtöne, d.h. Sendersignale auch dann noch aus dem Rauschen herauszufiltern, wenn sie schon unterhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenze des menschlichen Gehörs liegen. Dies ermöglicht eine den konventionellen, analog arbeitenden Geräten vergleichbare Reichweite.
Aus den empfangenen Signalen werden die Positionen der Verschütteten berechnet. Die eingesetzten Algorithmen sind robust gegen einzelne Störungen oder Messfehler. Da über die gesamte Suchphase die Positionen ständig neu berechnet werden, verbessert sich die Genauigkeit der geschätzten Positionen für die Verschütteten schnell mit der Zeit.
In Fig. 3 ist schematisch der funktionale Aufbau des Gerätes 1 der Fig. 1 dargestellt. Neben dem Empfänger 28 mit Suchantenne und Mischstufe für den Suchton sind ein Sensor 30 für das Erdmagnetfeld, der ein Sensorsignal für jeden Rotationsfreiheitsgrad (X, Y, vertikal) abgibt, sowie Neigungssensoren 32 für die beiden Kippachsen vorhanden. Zusätzlich ist ein weiterer Sensor 34 für eine der oben angegebenen Zusatzfunktionen des Gerätes, die Temperaturmessung, eingezeichnet.
Der mikroprozessorgesteuerte Sample-Manager 36 führt den aktuellen Abtastwert dem richtigen Ziel zu und wählt den Kanal für den nächsten Abtastwert aus. Das Zeitverhalten ist so ausgelegt, dass der maximal mögliche Abtasttakt im Wesentlichen für die Abtastung der Empfangs- bzw. Sendersignale zur Verfügung steht. Für die Abtastung der Sensordaten wird das Empfangssignal etwa jeden 32. Zeitschlitz ausgeblendet und statt dessen einer der Sensorkanäle für Temperatur, Magnetfeld und Neigung eingelesen.
Im Winkelschätzungsmodul 38 wird aus den Abtastwerten des Magnetsensors 30 und der Neigungssensoren 32 die räumliche Position zum Erdmagnetfeld exakt bestimmt. Derartige Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt und werden deshalb nicht weiter beschrieben. Durch die Verwendung dieser Sensoren 30, 32 wird erfindungsgemäß jeder Richtung, in die das Suchgerät 1 gehalten wird, in Bezug auf den gemessenen Magnetfeldvektor µ ein fester Suchwinkel ϕ zugewiesen.
Der Sin/Cos-Korrelator 40 ist für die Detektion von Sendersignalen an der Empfindlichkeitsgrenze vorgesehen. Grundsätzlich besteht die Aufgabenstellung darin, einen
Verschütteten noch in möglichst großer Entfernung orten zu können. Dies entspricht dem Auffinden eines Signals mit bekannter Form im Rauschen.
Das Auffinden eines derartigen Suchtons im Rauschen ist - im Sinne eines Hypothesentests - optimal mit einem "Matched Filter" möglich, wobei im Grunde eine Kreuzkorrelation zwischen dem gesuchten und dem empfangenen Signal durchführt wird.
Das Matched Filter hat als Impulsantwort genau die entlang der Zeitachse gespiegelte gesuchte Funktion. Der Gewinn des Matched Filters ist darauf zurückzuführen, dass Nutzsignalanteile durch die Impulsantwort konstruktiv addiert werden, während Störsignalanteile sich leistungsmäßig addieren.
Der Nachteil des Matched Filter besteht im sehr hohen Rechenaufwand. Dieser rührt daher, dass die Musterfunktion in allen möglichen Phasenlagen mit der Folge der Empfangs- bzw. Sendersignale verglichen werden muss.
Von der Sendersignalfolge ist bekannt, dass es sich um eine kosinusförmige Signalfolge mit konstanter Frequenz handelt. Jede beliebig skalierte und phasenverschobene Sinusschwingung lässt sich in einen Kosinus- und einen Sinusanteil zerlegen. Die Leistung des gesuchten Signals ergibt sich als Summe der Leistungen von Sinus- und Kosinusanteil. Daher genügt es, die Sendersignalfolge mit einer kosinus- und einer sinusförmigen Filtersignalfolge zu multiplizieren, die Folge der Sendersignale also in eine Sinus- und eine Kosinus-Komponente zu zerlegen. Das Argument (Winkel) der durch Sinus- und Kosinus-Komponente gebildeten komplexen Zahl beschreibt die Phasenlage der Empfangs- bzw. Sendersignalfolge im Verhältnis zur Kosinus-Musterfunktion, während der Betrag der komplexen Zahl ein Maß für die Empfangsfeldstärke ist.
Systemtheoretisch bewirkt der auf diese Weise arbeitende Sin/Cos-Korrelator 40 eine Demodulation des Suchtones ins Basisband (Multiplikation mit sin bzw. cos) und anschließende Tiefpassfilterung zur Unterdrückung der Spiegelfrequenzen an der doppelten Signalfrequenz. Ein wesentlicher Vorteil des Sin/Cos-Korrelators 40 liegt damit darin, dass er einfach und ressourcenschonend aufgebaut sein kann. Gegenüber einem Matched Filter ist die Detektionsleistung um 3 dB schlechter.
Im RSS-Modul 42 werden aus den Ausgangswerten a (Amplitudenschätzwert der Sinuskomponente) und b (Amplitudenschätzwert der Kosinuskomponente) des Korrelators 40 durch quadratische Mittelung RSS("Received Signal Strength")-Werte gewonnen. Das AKF-Modul 44 berechnet dann die Autokorrelationsfunktion (AKF) der RSS-Werte. Die Ausgabe des AKF-Moduls 44 dient als Grundlage für die Separation der Signalbestandteile bei mehreren gleichzeitig aktiven Sendern.
Die Suche nach Verschütteten gestaltet sich dann besonderes schwierig, wenn zeitgleich die Signale mehrerer Verschütteter empfangen werden. Die Sendersignale der Sender können sich gegenseitig überlagern und auch wechselseitig auslöschen. Da zwei Geräte stets leicht voneinander verschiedene Wiederholraten und/oder Tastverhältnisse aufweisen, ist jedoch im Prinzip eine Zuordnung des jeweils empfangenen Signals zu dem einen bzw. anderen Sender möglich.
Bei der Überlagerung von Signalen mehrerer Sender handelt es sich um die Summe mehrerer periodisch ein und ausgeschalteter Signale. Grundsätzlich eignet sich somit eine Autokorrelationsfunktion, um die periodischen Anteile dieses Summensignals zu erkennen.
Im einfachsten Fall wird aus dem gemessenen Feldstärkewerten durch Schwellwertentscheidung eine Ein-/Ausschalt-Funktion gebildet, deren Autokorrelationsfunktion Spektrallinien an den vorkommenden Frequenzen enthalten sollte. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass gerade bei niedrigen Feldstärken oder unvollkommener Ausrichtung der Empfangsantenne auf den Sender die Ein-/Ausschalt-Zeitpunkte nur unzureichend genau bestimmt werden können. Durch diese Ungenauigkeiten werden die Spektrallinien der Autokorrelationsfunktion verschmiert, d.h. unscharf, und schnell unbrauchbar.
Ebenso wie in der idealen Ein-Ausschalt-Funktion sind die Informationen über die Periodizität natürlich auch in der analogen Feldstärkefunktion vorhanden. Diese wird als Betrag des Ausgangs des Sin/Cos-Korrelators 40, d. h. als Ausgang des RSS-Moduls 42 gewonnen. Durch Mittelung der Autokorrelationsfunktion über mehrere Beobachtungszeiträume können dominante periodische Anteile relativ unabhängig von der jeweiligen Ausrichtung des Senders zum Empfänger sehr zuverlässig bestimmt werden.
Durch Rauschen und Ungenauigkeiten werden die periodischen Anteile schwächerer Empfangssignale häufig verdeckt. Um diese Anteile detektieren zu können, werden Signalanteile, die einem dominanten Empfangssignal zugeordnet werden können, ausgeblendet (zu Null gesetzt).
Die Zuordnung einzelner Signalabschnitte zu verschiedenen Sendern wird durch die heuristische Segmentierung im Segmentierungsmodul 46 vorgenommen. Dazu werden im Wesentlichen durch Schwellwertentscheidung jene Signalelemente ermittelt, die zum Maximum der AKF beitragen. Die so ermittelten Signalelemente werden ggf. durch Analyse von Sprüngen in den Korrelationswerten nochmals getrennt und verschiedenen Sendern zugeordnet. Ein Signalelement kann zum Beispiel ausgehend von der linken und rechten Grenze in zwei einzelne Bereiche an den Rändern und einen - für die Ortsschätzung nicht nutzbaren - Überlagerungsbereich in der Mitte unterteilt werden. Zur Segmentierung können Sprünge und Unstetigkeiten in den sin- und cos-Korrelationswerten herangezogen werden.
Im Ortsschätzungsmodul 48 wird der Ort des mindestens einen empfangenen Senders ermittelt. Die Entfernung des Senders kann dabei auf herkömmliche Weise über Anwendung eines Potenzgesetzes auf die gemessene oder ermittelte Feldstärke zuverlässig bestimmt werden. Gleichzeitig erfolgt im Modul 48 die Zuordnung der erfindungsgemäß aus den Sensordaten gewonnenen Suchwinkel ϕ zu den aus den gerade gemessenen Sendersignalen hervorgehenden Verarbeitungssignalen σ, die die momentane Empfangsfeldstärke eines Senders angeben.
Die in der Empfangseinheit 28 verwendete Ferrit-Empfangsantenne hat eine kosinusförmige Richtcharakteristik. Bei einem feststehenden Sender verändert sich die empfangene Feldstärke folglich mit dem Kosinus des doppelten Suchwinkels. Wird das Gerät vom Suchenden während der Suche hin und her geschwenkt, also der Winkel kontinuierlich verändert, kann im Ortsschätzungsmodul 48 folglich in einfacher Weise die Feldstärke σ als Funktion des Suchwinkels ϕ gebildet werden.
Für alle Winkelsignalelemente eines Aufzeichnungsintervalls (aus denen genau eine AKF berechnet wurde), wird durch Verknüpfung mit den Suchwinkeln ϕ der Sendersuchwinkel und damit der Ort des Senders geschätzt. Die Koordinaten, die aus aufeinanderfolgenden Aufzeichnungsintervallen für dieselben Sender ermittelt werden, können durch eine gewichtete Mittelung fortlaufend verbessert werden.
Aufgrund der Taktung des Suchtons, d.h. der empfangenen Sendersignalfolge, wird die Feldstärkefunktion, d. h. die Folge von Winkelsignalen σ (ϕ), die jeweils eine Empfangsfeldstärke bei einem Suchwinkel angeben, im Allgemeinen nur abschnittsweise vorliegen. Aus den vorliegenden Abschnitten können jedoch mit der Methode des kleinsten Fehlerquadrats die bestimmenden Parameter des gesamten Kurvenverlaufs geschätzt werden. Daraus lassen sich in einfacher Weise Winkel und Entfernung des Senders berechnen.
Im störungsfreien Fall könnte aus dem Feldstärkeverlauf der empfangenen Sendersignalfolge der gesamte Feldstärkeverlauf als Folge von Schätz-Winkelsignalen berechnet werden. Zur Berechnung genügten zwei beliebige Punkte der Sendersignalfolge. In der Praxis ist das Empfangssignal allerdings mehr oder weniger verrauscht. Die zur Approximation genutzten beiden Punkte können dann zufällig durch Rausch-Samples stark verfälscht sein, so dass die Parameter der tatsächlichen Winkelsignalfolge stark fehlerhaft geschätzt werden. Um eine störungsrobuste Schätzung zu erreichen, sollten alle verfügbaren Punkte des empfangenen Feldstärkeverlaufs bzw. der Sendersignalfolge einbezogen und die gesuchten Parameter so optimiert werden, dass die Gesamtabweichung des errechneten Verlaufs der Schätz-Winkelsignalfolge vom Teilstück der Folge der aus den Sendersignalen und Suchwinkeln ermittelten Winkelsignale minimal wird.
Bei Anwendung der Methode des kleinsten Fehlerquadrats kann die Schätzung durch Heranziehung neuer Messwerte ständig weiter verbessert werden. Zum einen ergibt sich dadurch auch bei großer Entfernung vom Verschütteten und entsprechend schwachem Such- bzw. Empfangssignal schnell eine relativ genaue Ortsschätzung. Zum anderen lässt sich durch eine entsprechende Gewichtung älterer im Verhältnis zu den aktuellen Werten der gemessenen Such- bzw. ermittelten Winkelsignale ein Springen oder eine übermäßige Instabilität des ermittelten Sendersuchwinkels zuverlässig unterdrücken.
Damit ist bei genügender Zahl von Messwerten eine zuverlässige Bestimmung der Position des Senders möglich. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn das Maximum selbst nicht detektiert werden kann, da just zu den Zeitpunkten, zu denen das suchende Gerät in Richtung des Senders zeigt, sich dieser in den Tastpausen befindet. Die Daten des realen Empfangssignals geben Anhaltspunkte für die notwendige Anzahl an Samples für eine ausreichend genaue Bestimmung.
Ebenfalls Aufgabe der Ortsschätzung ist die Lösung des Problems, aus den Feldstärkeunterschieden zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender Aufzeichnungsintervalle die 180 Grad-Ambiguität der Winkelschätzung aufzulösen und den Sender der vorderen (in Bewegungsrichtung) oder hinteren (entgegen der Bewegungsrichtung) Halbebene zuzuordnen.
Damit ist die Lage eines Verschütteten, insbesondere der Sendersuchwinkel, auch dann vollständig und zuverlässig berechenbar, wenn sein Sender zu jenem Zeitpunkt, zu dem das Gerät 1 des Suchenden in seine Richtung zeigt, gerade in der Sendepause ist. Dies wird mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Suchgerät erreicht, welches nur eine einzige Suchantenne aufweist und daher entsprechend leichter und preisgünstiger sein kann (natürlich ist die Verwendung mehrerer Antennen in einem erfindungsgemäßen Suchgerät ebenso möglich).
Der ermittelte Ort eines Senders wird sodann auf dem Display 10 zur Anzeige gebracht, wie oben anhand der Fig. 1, 2a und 2b beschrieben.
Die Darstellung der Funktionen des hier beispielhaft beschriebenen erfindungsgemäßen Suchgerätes erfolgt anhand von Modulen, die in der Fig. 3 als getrennte Einheiten gezeichnet sind. Diese Einheiten können in dem Suchgerät in Form von Software, Firmware und/oder Hardware vorliegen. Bevorzugt liegen die Module in Form von Software auf einem Mikroprozessor/DSP vor. Für ein voll ausgestattetes Suchgerät wie das anhand der Figuren dargestellte wäre ein Prozessor mit 30 MIPS Rechenleistung und 8 KB Arbeitsspeicher geeignet.
Zahlreiche Abwandlungen des hier beispielhaft beschriebenen Suchgerätes sind denkbar. So kann ein erfindungsgemäßes Gerät ohne AKF-Modul bzw. Modul zur Separierung der Signalanteile mehrerer Sender ausgebildet sein. Ein solches Gerät ist in Situationen einsetzbar, bei denen nur ein Sender zu orten ist. Ein Beispiel hierfür stellt eine Skifahrergruppe auf gesicherter Piste dar, bei der das Auffinden des Gruppenleiters durch die Suchgeräte der Gruppenmitglieder ermöglicht wird, wobei nur der Sender des Leiters im Sendebetrieb ist.
Ebenso kann ein erfindungsgemäßes Suchgerät ohne Modul für die Durchführung der Kreuzkorrelation eines Filtersignals mit schwachen Such- bzw. Empfangssignalen ausgebildet sein. Dann sind schwache Signale im Rauschen nicht mehr detektierbar, die Empfindlichkeit des Suchgerätes ist entsprechend verringert. Jedoch sind dann die Ressourcen des Gerätes (verfügbarer Speicherplatz, Prozessorbearbeitungskapazität) für andere Funktionen verfügbar, bspw. kann das AKF-Modul ausgebildet sein, um eine größere Anzahl Sender voneinander zu trennen. Auch kann ein funktionsärmeres Gerät bei gleicher Batteriekapazität über eine verlängerte Betriebsdauer verfügen, wenn etwa ein kleinerer Prozessor verwendet wird.
Es ist denkbar, ein erfindungsgemäßes Suchgerät mit einem GPS-System zu kombinieren. Das GPS-System stellt eine naturgetreue Darstellung des Geländes bereit. Der Standpunkt des Suchenden und die von dem Suchgerät erfassten Senderorte, d.h. die vermuteten Liegepunkte der Verschütteten, werden der Darstellung des GPS-Systems überlagert. Ein derartiges System ermöglicht es dem Suchenden, die Position des Liegepunktes anhand von eventuell vorhandenen markanten Geländepunkten intuitiv,d.h. rasch zu erfassen, so dass er mit geringstmöglicher Verzögerung den Liegepunkt aufsuchen kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Suchgerät mit einer Sprachsteuerung kombiniert werden, wie dies etwa bei GPS-Systemen für KFZ bekannt ist. Hierbei erhält der Suchende akustische Anweisungen, etwa in Form einer vom Suchgerät erzeugten Stimme. Dies ermöglicht dem Suchenden, sich auf das Gelände zu konzentrieren.
Ein erfindungsgemäßes Suchgerät kann weiterhin mit einer Kamera kombiniert werden, wie dies für Mobiltelefone bekannt ist. Hierbei wird vorteilhaft die von der Kamera aufgenommene Geländeansicht auf dem Display des Suchgerätes wiedergegeben. Die erfassten Senderorte werden der Geländeansicht überlagert. Die Ansicht auf dem Display stimmt weitgehend mit der Ansicht überein, die der Suchende von seiner Umgebung hat. Somit wird die Orientierung des Suchenden erleichtert, insbesondere in konturreichem Gelände.
Auch eine Kombination eines erfindungsgemäßen Suchgerätes mit einem GPS-System und Kamera ist möglich. Hierbei würden GPS-System und Kamera zur Erzielung einer detaillierten und konturreichen Repräsentation des Geländes zusammenwirken.
Statt nur als Lawinen-Verschütteten-Suchgerät kann ein erfindungsgemäß ausgebildetes Suchgerät auch vorteilhaft für weitere Anwendungen eingesetzt werden. Als Beispiel sei eine Gruppe von Skifahrern genannt, die sich an ihrem Gruppenleiter orientieren, bspw. bei schlechter Sicht oder sonst unübersichtlichen Verhältnissen. Alle Teilnehmer verfügen über Sende-/Suchgeräte. Das Gerät des Leiters verfügt über einen Sender, dessen Sendersignal mit einer individuellen Senderkennung versehen ist. Die Suchgeräte der Gruppenteilnehmer sind zur Auswertung der empfangenen Senderkennung ausgebildet, so dass der geortete Sender des Leiters unter der Mehrzahl der georteten Sender identifizierbar ist. Die Anzeige der Suchgeräte der Teilnehmer identifiziert den Ort des Gruppenleiters durch Angabe der Kennung. Bei einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens sind alle Sender einer Gruppe durch Senderkennungen individualisierbar.
Zwar ist die Übertragung von Senderkennungen über das genormte Signal bei 457 kHz nicht vorgesehen. Jedoch könnte neben dem ansonsten standardkonformen Sender in einem Sendegerät ein zweiter Sender vorgesehen sein, der die Signale mit Senderkennungen ausstrahlt.
Darüber hinaus sind im Geltungsbereich der Erfindung, der ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben wird, durch fachmännisches Handeln noch viele weitere Ausführungsformen denkbar.
Bezugszeichenliste
1
Suchgerät
10
Display
12, 13
Bedientasten
14
Lautsprecher
15
LED
16
Koordinatenfeld
18
Statuszeile
20
Beschriftungsfeld für Bedientasten
21
Klappscharnier
22
Symbol erfasster Sender im Koordinatenfeld 16
23
Fadenkreuz
24
Entfernungsangaben im Koordinatenfeld 16
26
hervorgehoben dargestellter georteter Sender
28
Empfänger mit Suchantenne
30
Sensor für das Erdmagnetfeld
32
Neigungssensoren
34
Temperatursensor
36
Sample-Manager
38
Winkelschätzungsmodul
40
Sin/Cos-Korrelator
42
RSS-Modul
44
AKF-Modul
46
Segmentierungsmodul für die heuristische Segmentierung
48
Ortsschätzungsmodul
a
Amplitudenschätzwert der Kosinuskomponente
b
Amplitudenschätzwert der Sinuskomponente
r
Empfangs- bzw. Sendersignal
R
Ausgangssignal des RSS-Moduls
µ
Magnetfeldvektor
ϕ
Suchwinkel
σ
ermittelte Empfangsfeldstärke eines Senders

Claims (30)

  1. Suchgerät zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät (1),
    wobei zum Absuchen eines Suchgebietes das Suchgerät (1) durch einen Benutzer in einem Winkelbereich von Suchwinkeln geschwenkt wird, der das Suchgebiet überdeckt,
    mit
    einer Suchantenne (28) zum Empfang von Sendersignalen, die vom Sender aus momentanen Suchrichtungen ausgestrahlt werden,
    einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Verarbeitungssignalen aus den Sendersignalen und
    einer Ausgabeeinheit (14, 15), der die Verarbeitungssignale zugeführt werden, zur Ausgabe von Ergebnissignalen, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, an den Benutzer,
    gekennzeichnet durch
    einen Magnetfeldsensor (30), der das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung (36 - 48) ausgibt, die als Verarbeitungssignal der Ausgabeeinheit (10) zugeführt werden und jeder Suchrichtung einen festen Suchwinkel (ϕ), relativ zum Erdmagnetfeld (µ), zuordnen.
  2. Suchgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    der Magnetfeldsensor (30) drei das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung (36 - 40) ausgibt.
  3. Suchgerät nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    Neigungssensoren (32) vorgesehen sind, die Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung (36 - 40) ausgeben, welche die Lage des Suchgerätes (1) bezogen auf eine Horizontalebene repräsentieren.
  4. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung (48) ausgebildet ist, um aus den Sendersignalen und den Sensorsignalen Winkelsignale zu erzeugen, die eine Empfangsfeldstärke in Abhängigkeit von einem Suchwinkel (ϕ) repräsentieren.
  5. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung (48) zur Berechnung eines Sendersuchwinkels, in dem sich der Sender befindet, anhand der Winkelsignale ausgebildet ist.
  6. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung (48) ausgebildet ist, um aus mindestens zwei Winkelsignalen den Sendersuchwinkel zu bestimmen.
  7. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Ausgabeeinheit (10) zur graphischen Ausgabe von Ergebnissignalen ausgebildet ist, die den Sendersuchwinkel repräsentieren, und insbesondere ein Anzeigefeld (10) zur graphischen Anzeige (16) des Senderortes (22) in dem Suchgebiet umfasst.
  8. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung eine Filterkorrelationseinheit (40) umfasst, die ausgebildet ist, um Winkelsignale durch Korrelation der Sendersignale mit vorgegebenen Filtersignalen zu detektieren.
  9. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Filterkorrelationseinheit (40) ausgebildet ist, um die Sendersignale mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge zu korrelieren.
  10. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung eine Autokorrelationseinheit (44) umfasst, die ausgebildet ist, um in gespeicherten Signalen durch Autokorrelation periodische Signalanteile zu detektieren.
  11. Suchgerät nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Autokorrelationseinheit (44) einer Filterkorrelationseinheit (40) nachgeschaltet ist.
  12. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Suchantenne (28) eine Ferrit-Antenne, vorzugsweise mit kosinusförmiger Richtcharakteristik, umfasst.
  13. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet t durch
    einen Sender zum Senden von Sendersignalen, wobei die Sendersignale vorzugsweise durch eine Senderkennung individualisiert sind.
  14. Suchgerät nach Anspruch 13,
    gekennzeichnet t durch
    einen Bewegungssensor, der Bewegungen des Suchgerätes (1) erfasst, und
    eine mit dem Bewegungssensor verbundene Notrückschaltung, die das Suchgerät (1) in einen Sendemodus schaltet, bei dem der Sender Sendersignale sendet, wenn der Bewegungssensor in einem vorgegebenem Zeitraum, beispielsweise 90 Sekunden, keine Bewegung des Suchgerätes (1) erfasst.
  15. Suchgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
    gekennzeichnet t durch
    ein GPS-System und/oder eine Kamera zur Darstellung der Umgebung auf dem Anzeigefeld (10).
  16. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Verarbeitungssignalen ausgebildet ist, die einem Sendersuchwinkel eine Senderkennung zuordnen, wobei ein Sender derart ausgebildet ist, dass Sendersignale dieses Senders individualisierbar gegenüber Sendersignalen weiterer Sender sind.
  17. Verfahren zur Ortung eines Senders, insbesondere des Senders eines in einer Lawine Verschütteten,
    bei dem zum Absuchen eines Suchgebietes ein Suchgerät (1) durch einen Benutzer in einem Winkelbereich von Suchwinkeln geschwenkt wird, der das Suchgebiet überdeckt,
    Sendersignale, die vom Sender ausgestrahlt werden, aus momentanen Suchrichtungen von einer Suchantenne (28) des Suchgerätes (1) empfangen werden,
    Verarbeitungssignale aus den Sendersignalen erzeugt werden und
    Ergebnissignale, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, an den Benutzer ausgegeben werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Sensorsignale, die das Erdmagnetfeld betreffen, als Verarbeitungssignal durch Ergebnissignale den Benutzern angezeigt werden und jeder Suchrichtung ein fester Suchwinkel (ϕ), relativ zum Erdmagnetfeld (µ), zugeordnet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    für die Zuordnung von Suchrichtung und -winkel Feldstärkekomponenten (µ) des Erdmagnetfeldes in drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen gemessen werden (X, Y, vertikal).
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Neigungen des Suchgerätes gegen die Horizontalebene gemessen (32) und die Sensorsignale entsprechend korrigiert werden (38).
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    Winkelsignale, die jeweils eine Empfangsfeldstärke (σ) bei einem Suchwinkel (ϕ) angeben, aus den Sendersignalen (r) und den Zuordnungen von Suchrichtung und - winkel erzeugt werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, insbesondere nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    ein Sendersuchwinkel, in dem sich der Sender befindet, anhand der Winkelsignale berechnet und ein Ergebnissignal ausgegeben wird (10, 16), das den Sendersuchwinkel repräsentiert (22).
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, insbesondere nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    der Sendersuchwinkel aus mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Winkelsignalen bestimmt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, insbesondere nach einem der Ansprüche 219 oder 22,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    eine Schätz-Winkelsignalfolge nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus den Winkelsignalen berechnet und der Sendersuchwinkel aus dem Maximum der Schätz-Winkelsignalfolge bestimmt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    bei der Berechnung der Schätz-Winkelsignalfolge Winkelsignale unterschiedlich gewichtet werden, insbesondere gemäß der Zeit, die seit einem Empfang der den Winkelsignalen zugrundeliegenden Sendersignale vergangenen ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    Schätz-Sendersignale (40: a, b) durch Korrelation von Sendersignalen (r) mit vorgegebenen Filtersignalen ermittelt werden und Winkelsignale aus den Schätz-Sendersignalen ermittelt werden.
  26. Verfahren nach Anspruch 25,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zur Ermittlung des Sendersignals aus Rauschstörungen durch Korrelation von empfangenen Sendersignalen (r) mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge jeweils eine Sinus- und eine Kosinussignalfolge (a, b) ermittelt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 26,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    Empfangsfeldstärken der Signale der Schätz-Sendersignalfolge aus der Summation der Produkte der empfangenen Sendersignalfolge mit einer Sinus- und einer Kosinussignalfolge (a und b) ermittelt werden.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zur Detektion von mehreren Sendern ein periodischer Signalanteil von gespeicherten Sendersignalen oder Verarbeitungssignalen, insbesondere Schätz-Sendersignalen, durch Autokorrelation ermittelt wird (44).
  29. Verfahren nach Anspruch 28,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    ein ermittelter periodischer Signalanteil (σ), der einem Sender zugeordnet werden kann, aus Sendersignalen oder Verarbeitungssignalen ausgeblendet wird, um weitere periodische Signalanteile zu ermitteln.
  30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Sendersignale eines Senders gegenüber Sendersignalen weiterer Sender durch eine Senderkennung individualisiert werden und
    Verarbeitungssignale erzeugt werden, die einem Sendersuchwinkel diese Senderkennung zuordnen.
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