EP1577679B1 - 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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EP1577679B1
EP1577679B1 EP05005289A EP05005289A EP1577679B1 EP 1577679 B1 EP1577679 B1 EP 1577679B1 EP 05005289 A EP05005289 A EP 05005289A EP 05005289 A EP05005289 A EP 05005289A EP 1577679 B1 EP1577679 B1 EP 1577679B1
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EP
European Patent Office
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transmitter
signals
search
angle
signal
Prior art date
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Active
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EP05005289A
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English (en)
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EP1577679A1 (de
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Gerald Kampel
Ingo Zawallich
Rolf Matzner
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Individual
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Publication date
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Publication of EP1577679A1 publication Critical patent/EP1577679A1/de
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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 victim search device, wherein for searching a search area, the search device is pivoted by a user in an angular range, which covers the search area.
  • Avalanche searchers work with an unmodulated transmit signal at 457 kHz. All skiers in a group switch their equipment to normal operation. If a part of the group is buried in an avalanche, the other people switch their equipment to receive and try to locate the victims on the basis of the emitted signal.
  • the transmission signal is clocked at a frequency of about one hertz.
  • the transmission 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.
  • the antennas influence each other even if they are switched off, so that the receiver sensitivity of the device as a whole suffers.
  • a determination of the direction at long distances over 50 meters is almost impossible, so the direction indicator thus obtained not useful.
  • this technique is very sensitive to disturbances, so that the direction indicator scatters greatly under non-optimal conditions.
  • the DE 299 22 217 U1 are busy with the search of buried. GPS coordinates are compared here. To search for avalanche victims GPS receivers are too inaccurate and prone to failure.
  • An essential idea of the invention is that a search device which achieves the above-mentioned object would ideally work like a radar and would constantly rotate the antenna by an angular range, for example 180 degrees. Because it is known at which angle the antenna is currently standing, a received signal with the respective field strength can be assigned to the instantaneous angle of the antenna at any time. This is of course not feasible in practice. After all, but the rotation is achieved by 180 degrees in that the searching person holds the device while walking in the hand and swings to the left and right, a procedure as it is known in the application of search devices according to the prior art. The problem then is to determine what angle to an external reference coordinate system the device is at a given time.
  • angle signals from the transmitter signals and the sensor signals, which represent a reception field strength as a function of a search angle, solves this problem.
  • the application of signal processing mechanisms to the angle signals according to the invention allows the determination of the transmitter location in a particularly simple and reliable manner.
  • information about the search angle could possibly be obtained from the evaluation of the GPS signal. This is offset by the relatively high cost of a GPS receiver and - for rescue applications - generally insufficient availability of sufficient GPS signals.
  • the magnetic field sensor outputs three sensor signals relating to the earth's magnetic field to the signal processing device.
  • the solid angle of the device can be determined relative to the field lines, in which the field strength components of the geomagnetic field are measured in three mutually perpendicular axes.
  • magnetic field sensors with a precision of 1 degree are cheaper than a GPS receiver, so that the search device according to the invention can be manufactured more cheaply.
  • inclination sensors are provided which output sensor signals to the signal processing device, which represent the position of the search device relative to a horizontal plane. From the sensor signals of the tilt sensors, the sensor signals of the magnetic field sensor can advantageously be corrected so that the relative position of the search device to the earth's magnetic field can be determined very accurately and independently of the horizontal position of the search device.
  • the signal processing device is designed for calculating a transmitter search angle, in which the transmitter is located, on the basis of the angle signals.
  • the locator of the transmitter can be determined by the search device, since the determination of the distance between the transmitter and the search device by conventional methods is easily possible. A provision the station by ear is therefore not required.
  • the station search angle can be determined after one or more panning of the search device according to the invention, even if the device already shows again in a completely different direction.
  • the signal processing device is designed to determine the transmitter search angle from at least two angle signals.
  • a problem with transmitters to find victims is that the transmitter signal of the transmitter is clocked.
  • the sequence of angle signals, d. H. the function of the reception field strength above the search angle therefore, will generally be present only in sections.
  • an algorithm is implemented in the search device to extrapolate from the intermediate values maximum and minimum. In principle, only two arbitrary points of the field strength curve (i.e., two angle signals) are required for this, if the directional characteristic of the search antenna is known.
  • the images obtained (as described above for the search angle and subsequently for the field strength) (time -> search angle) and (time -> field strength) are transformed into an image (search angle -> field strength).
  • the extrapolation or interpolation of the complete course of the image (search angle -> field strength) is carried out by applying the method of least squares. This allows a continuous improvement of the estimated field strength profile over the search angle with further measured values.
  • the output unit is designed for graphic output of result signals which represent the transmitter search angle, and in particular a display field for graphic display of the Sender location in the search area includes.
  • the signal processing device comprises a filter correlation unit which is designed to detect angle signals by correlation of the transmitter signals (received signal or reduced received signal) with predetermined pattern or filter signals.
  • a filter correlation unit which is designed to detect angle signals by correlation of the transmitter signals (received signal or reduced received signal) with predetermined pattern or filter signals. This allows the detection of weak transmitter signals of a transmitter, which is, for example, located at a great distance from the search device. This corresponds to finding a signal of known form in noise.
  • a so-called matched-filter mechanism can be implemented on the filter correlation unit, whereby a cross-correlation is carried out between the searched and the received signal.
  • the filter correlation unit is designed to correlate the angle signals with a sinusoidal and with a cosinusoidal filter signal sequence.
  • a cosinusoidal filter signal i. E. if a cosinusoidal transmitter signal is expected, the computational overhead of a matched-filter method can be significantly reduced if the transmitter signal is decomposed into a sine and a cosine component. In this case, a simple multiplication with the sine and cosine components of the pattern or filter signal with subsequent magnitude formation and moving average filtering is sufficient instead of the cross-correlation.
  • the signal processing device of a search device comprises an autocorrelation unit, which is designed to detect periodic signal components in stored signals by autocorrelation. If the signals of several transmitters are received, the transmitter signals of the transmitters can overlap each other and also cancel each other out. Since two devices always have slightly different repetition rates and / or duty cycles, however, an assignment of the respectively received signal to the one or the other transmitter is possible in principle.
  • the superimposition of signals from several transmitters is the sum of several signals that are periodically switched on and off. Therefore, the autocorrelation function is suitable for the periodic contributions of this sum signal detect. For example, an on / off function can be formed from the measured reception field strengths by thresholding whose autocorrelation function contains spectral lines at the frequencies occurring. Thus, a separation of the signals of multiple transmitters by providing an autocorrelation unit in the search device is possible.
  • the autocorrelation unit is connected downstream of a filter correlation unit.
  • the search antenna of the search device according to the invention comprises a ferrite antenna, preferably with a cosinusoidal directional characteristic.
  • Ferrite antennas are particularly suitable for transmitter location because of their pronounced directional characteristic.
  • a cosinusoidal directional characteristic makes it possible, for example, to form the filter correlation unit as stated above, wherein the angle signals are correlated with a sinusoidal and with a cosinusoidal filter signal sequence.
  • the search device comprises a transmitter for transmitting transmitter signals, wherein the transmitter signals are preferably individualized by a transmitter identifier.
  • the transmitter signals are preferably individualized by a transmitter identifier.
  • the signal processing device is designed to generate processing signals which associate a transmitter identifier with a transmitter identifier, a transmitter being designed such that transmitter signals of this transmitter can be individualized with respect to transmitter signals of further transmitters.
  • such a method is developed further in such a way that sensor signals which relate to the earth's magnetic field are displayed to the users as a processing signal by result signals, and a fixed search angle relative to the earth's magnetic field is assigned to each search direction.
  • the geomagnetic field is used as a fixed reference coordinate system, and it is possible at any time the assignment of the measured transmitter signal of a transmitter to a fixed search angle.
  • field strength components of the geomagnetic field are measured in three mutually perpendicular directions for the assignment of search direction and angle.
  • the solid angle of the device can be determined relative to the field lines.
  • the inclinations of the search device are measured against the horizontal plane and the sensor signals are corrected accordingly.
  • the direction can be determined exactly.
  • angle signals which in each case indicate a reception field strength at a search angle are generated from the transmitter signals and the assignments of search direction and search angle.
  • To Generation of the angle signals is advantageous the application of signal processing mechanisms to these signals possible, which allows the determination of the transmitter location in a particularly simple and reliable manner.
  • a transmitter search angle in which the transmitter is located is calculated on the basis of the angle signals and a result signal is output which represents the transmitter search angle.
  • the location of the transmitter can be determined, since the determination of the distance between the transmitter and the search device by conventional methods is easily possible. A determination of the transmitter location by ear is therefore not required.
  • the station search angle can be determined after one or more panning of the search device according to the invention, even if the device already shows again in a completely different direction.
  • the transmitter search angle is determined from at least two, in particular at least three, angle signals.
  • the sequence of angle signals, d. H. the function of the reception field strength above the search angle therefore, will generally be present only in sections.
  • the inventive method is designed to extrapolate from the intermediate values maximum and minimum. For this purpose, in principle any two points of the field strength profile (i.e., two angle signals) are sufficient if the directional characteristic of the search antenna is known. For a robust approximation, the use of at least three angle signals is advantageous.
  • an estimated angle signal sequence is calculated from the angle signals according to the method of least squares and the transmitter search angle is determined from the maximum of the estimated angle signal sequence. From the present sections of the angle signals, the least squares method can be used to estimate the determining parameters of the entire curve. From this, the estimation angle signal sequence can be calculated in a simple manner, as has already been explained above.
  • angle signals are weighted differently in the calculation of the estimated angle signal sequence, in particular in accordance with the time that has elapsed since receipt of the transmitter signals underlying the angle signals.
  • the estimate can be continuously improved by using new measurements. This results in a relatively accurate location estimate even at a great distance from the buried and correspondingly weak transmitter signal.
  • jumping or excessive instability of the calculated transmitter search angle can be reliably suppressed by a corresponding weighting of older persons in relation to the current measured values or the angle signals determined therefrom.
  • estimated transmitter signals are determined by correlation of transmitter signals with predetermined filter signals and angle signals are determined from the estimated transmitter signals. If a cross-correlation between the filter signals and the transmitter signals is performed, the detection of weak transmitter signals of a transmitter is, for example, located at a great distance from the searcher, which corresponds to finding a signal of known form in the noise.
  • a sine and a cosine signal sequence is determined for determining the transmitter signal from noise interference by correlation of received transmitter signals with a sinusoidal and with a cosinusoidal filter signal sequence.
  • the above-mentioned cross-correlation can be performed by means of a matched-filter mechanism.
  • the disadvantage of the matched filter is a high computational effort. This is due to the fact that the pattern function represented by the filter signals must be compared in all possible phase positions with the sequence of received transmitter signals. This computational effort can be significantly reduced if the sequence of transmitter signals is decomposed into a sine and a cosine component.
  • reception field strengths of the signals of the estimated transmitter signal sequence are calculated from the summation of the products of the received signal sequence (possibly previously mixed down) with a sine and a cosine signal sequence determined.
  • the argument (angle) of the complex number formed by the above-mentioned sine and cosine component describes the phase position of the received signal in relation to the cosine pattern function, while the amount of the complex number is a measure of the reception field strength.
  • a periodic signal component of stored transmitter signals or processing signals, in particular estimated transmitter signals is determined by autocorrelation for the detection of a plurality of transmitters. If the signals of several buried victims received, the transmitter signals of the transmitter can overlap each other and also mutually cancel. However, since two transmitters always have slightly different repetition rates and / or duty cycles from each other, it is possible in principle to assign the respectively received signal to the one or the other transmitter. The superimposition of signals from several transmitters is the sum of several signals that are periodically switched on and off. Therefore, the autocorrelation function is useful to detect the periodic components of this sum signal.
  • an on / off function can be formed from the measured reception field strengths by thresholding whose autocorrelation function contains spectral lines at the frequencies occurring.
  • thresholding whose autocorrelation function contains spectral lines at the frequencies occurring.
  • a determined periodic signal component which can be assigned to a transmitter, is masked out of transmitter signals or processing signals in order to determine further periodic signal components. Due to noise and inaccuracies, the periodic components of weaker received signals are often obscured. In order to be able to detect these components, it is advantageous if signal components which can be assigned to a dominant received signal are masked out (set to zero).
  • the transmitter signals of a transmitter are compared with transmitter signals of further transmitters by a transmitter identifier individualized and processing signals are generated, which assign a sender search angle this sender identification.
  • group functions can be realized in which at least one of a plurality of transmitters is optionally identifiable by its individualized identifier, for example the group leader of a group of skiers.
  • a search device 1 designed according to the invention for use as an avalanche victim search device (avalanche transceiver). Communication with the user is via an illuminated display 10 and two control buttons 12, 13.
  • the display 10 allows the graphic display of the position of one or more spillers relative to their own location.
  • the device 1 additionally has a loudspeaker 14 for outputting a synthetically generated sound to the user as acoustic feedback and an LED 15, as is known for conventional devices.
  • the loudspeaker 14 and the red LED 15 enable a conventional search even without using the graphic display via the display 10.
  • the display of the display 10 is divided into a coordinate field 16 for true to scale representation of the location of the geordeten transmitter Spilled, a status line 18 with the respective most important information and labeling fields 20 for the two control buttons 12th
  • the device 1 is designed as a combined search and transmit device.
  • the housing has the form of a folding mobile phone.
  • the hinge is indicated in Fig. 1 by a dashed line 21. If the device 1 is in search mode, closing the device automatically switches back to the transmission mode. As a result, an emergency downshift is realized in an advantageous manner, as it is, for example, in the case of a later avalanche, required in the standards.
  • the device 1 is equipped with an outwardly invisible antenna for transmitting and searching at a search frequency of 457 kHz.
  • the specified frequency is standardized for avalanche transceivers (EN 282).
  • EN 282 avalanche transceivers
  • An automatic location of the buried is done from the natural pivoting movement of the seeker or user. According to the invention, however, no manual bearing is required as in conventional devices.
  • the illustrated device 1 has a bearing mode for concentrating on a selected victim.
  • a search process is carried out in such a way that the searcher turns the device 1 back and forth several times after switching from transmit to search mode by about 180 degrees.
  • the achievable DF or search accuracy is initially ⁇ 10 degrees.
  • all transmitter or transmitter signals of transmitters are detected by those who are in range.
  • the range of the device is about 80 m.
  • the transmitters may be conventional avalanche transceivers, or devices identical to the device 1.
  • a manual bearing, i. holding the device 1 in the direction of the strongest signal is not required.
  • the detected transmitters 22 are displayed in direction and distance on the display 10, with the scale representation of the distance of the transmitter 22 from the searcher (in the center of the coordinate field 16, i.e. the crosshair 23) being specified by distance indications 24 in meters.
  • the seeker can now find himself by requesting the victim, the first and press the button 12 "PEILEN" focus on this and hide the other transmitter 22.
  • distance information 24 and position information 22 are 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 may be activated in the display 10 (not shown).
  • a circle is displayed on the display 10, which is concentric with the resting point 22 and concentrically shrinks on further approach.
  • the circle is fade in from a distance of three meters, but the fade-in can also take place at greater or smaller distances.
  • a square or similar symbol could also be used.
  • the exact burial depth can be determined in a simple manner.
  • the seeker brings the detected transmitter 22 (the suspected resting point of the victim) with the center of the crosshairs 23 (the position of the seeker) in cover, so that the seeker is vertically above the victim.
  • the distance indication 24 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 devotes himself to the next victim.
  • the search device 1 is equipped with a motion sensor (not shown). This detects whether the device 1 is moved. If the device is in any mode that is not the send mode and the device is not moved for 90 seconds, it automatically switches to the send mode. As a result, the above-mentioned emergency downshift is triggered safely even if the seeker due to a post avalanche or the like surprising event has no opportunity to close the search device.
  • the search device 1 has in the embodiment described here in addition to the search function on other functions that can be selected via the main menu to be reached with the key 13.
  • a warning is issued regardless of the operating mode.
  • the standard does not allow any additional functions (compass, temperature display, inclination measurement).
  • the search device according to the invention requires the inclination sensors for its functionality. Then only care must be taken that the display of the additional data obtained does not increase the power consumption in such a way that the safety of the mission is no longer guaranteed. Therefore, a safety circuit is provided in the search device 1 (not shown) which turns off the display of the additional functions when the battery capacity falls below 50% of the maximum value.
  • the device 1 can determine at any time, in which direction the seeker keeps it straight.
  • the location of the located transmitters of the victims can be displayed correctly at any time relative to their own point of view.
  • the technical realization in the search device 1 takes place in principle such that the received 457 kHz signals are digitized and processed with a powerful microprocessor. Digital signal processing algorithms enable search sounds, i. Filter signals even out of the noise even if they are already below the perceptibility of human hearing. This allows a range comparable to conventional, analogue devices.
  • the positions of the victims are calculated.
  • the algorithms used are robust against individual faults or measurement errors. As the positions are constantly being recalculated throughout the search phase, the accuracy of the estimated positions for the victims will improve rapidly over time.
  • Fig. 3 the functional structure of the device 1 of Fig. 1 is shown schematically.
  • a geomagnetic field sensor 30 which outputs a sensor signal for each rotational degree of freedom (X, Y, vertical) and tilt sensors 32 for the two tilt axes.
  • a further sensor 34 for one of the above-mentioned additional functions of the device, the temperature measurement, located.
  • the microprocessor-controlled sample manager 36 supplies the current sample to the correct destination and selects the channel for the next sample.
  • the timing is designed so that the maximum possible sample clock essentially for the Sampling of the reception or transmitter signals is available.
  • the received signal is faded out approximately every 32nd time slot and instead one of the sensor channels for temperature, magnetic field and inclination is read.
  • the spatial position relative to the earth's magnetic field is determined exactly from the sampled values of the magnetic sensor 30 and the inclination sensors 32. Such methods are known per se to those skilled in the art and are therefore not described further.
  • each direction in which the search device 1 is held is assigned a fixed search angle ⁇ with respect to the measured magnetic field vector ⁇ .
  • the sin / cos correlator 40 is provided for the detection of transmitter signals at the sensitivity limit. Basically, the task consists in one
  • the matched filter has as impulse response exactly the function mirrored along the time axis.
  • the gain of the matched filter is due to the fact that useful signal components are added constructively by the impulse response, while noise components add up in terms of performance.
  • the disadvantage of the matched filter is the very high computational effort. This is due to the fact that the pattern function must be compared in all possible phase positions with the sequence of the reception or transmitter signals.
  • the transmitter signal sequence is known that it is a cosinusoidal signal sequence with a constant frequency. Any scaled and phase-shifted sine wave can be divided into a cosine and a sine wave.
  • the performance of searched signal is the sum of the power of sine and cosine. Therefore, it is sufficient to multiply the transmitter signal sequence with a cosine and a sinusoidal filter signal sequence, ie to break the sequence of transmitter signals into a sine and a cosine component.
  • the argument (angle) of the complex number formed by sine and cosine components describes the phase position of the receiver 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 buried people is particularly difficult if at the same time the signals of several victims are received.
  • the transmitter signals of the transmitters can overlap each other and also mutually cancel out. Since two devices always have slightly different repetition rates and / or duty cycles, however, an assignment of the respectively received signal to the one or the other transmitter is possible in principle.
  • the superimposition of signals from several transmitters is the sum of several signals that are periodically switched on and off.
  • an autocorrelation function is suitable in order to detect the periodic components of this summation signal.
  • an on / off function whose autocorrelation function should contain spectral lines at the frequencies occurring, is formed from the measured field strength values by thresholding.
  • the disadvantage of this method is that just at low field strengths or imperfect orientation of the receiving antenna to the transmitter, the on / off times can be determined only insufficiently accurate. These inaccuracies smear the spectral lines of the autocorrelation function, i. out of focus, and quickly unusable.
  • the information about the periodicity is of course also present in the analog field strength function. This is calculated as the magnitude of the output of the sin / cos correlator 40, i. H. won as the output of the RSS module 42.
  • the assignment of individual signal sections to different transmitters is performed by the heuristic segmentation in the segmentation module 46.
  • those signal elements which contribute to the maximum of the ACF are essentially determined by threshold value decision.
  • the signal elements determined in this way are separated again by analysis of jumps in the correlation values and assigned to different transmitters.
  • a signal element may be subdivided into two individual regions at the edges, starting from the left and right boundaries, and a central overlay region, which can not be used for the location estimation.
  • jumps and discontinuities in the sin and cos correlation values can be used.
  • the location of the at least one received transmitter is determined.
  • the distance of the transmitter can be reliably determined in a conventional manner by applying a power law to the measured or determined field strength.
  • the assignment of the search angle ⁇ obtained according to the invention from the sensor data to the processing signals ⁇ resulting from the currently measured transmitter signals, which indicate the instantaneous reception field strength of a transmitter, takes place.
  • 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 angle signals ⁇ ( ⁇ ) which in each case indicate a reception field strength at a search angle
  • the least squares method can be used to estimate the determining parameters of the entire curve. From this it is easy to calculate the angle and distance of the transmitter.
  • the entire field strength profile as a result of estimated angle signals could be calculated from the field strength profile of the received transmitter signal sequence.
  • two arbitrary points of the transmitter signal sequence were sufficient. In practice, however, the received signal is more or less noisy. The two points used for the approximation can then be randomly strongly corrupted by noise samples, so that the parameters of the actual angular signal sequence are very erroneous to be appreciated.
  • all available points of the received field strength curve or transmitter signal sequence should be included and the searched parameters optimized so that the total deviation of the calculated course of the estimated angular signal sequence from the portion of the sequence of angular signals determined from the transmitter signals and search angles is minimal becomes.
  • the estimate can be continuously improved by using new measurements.
  • this results in a relatively accurate location estimate even at a great distance from the victim and correspondingly weak search or reception signal.
  • jumping or excessive instability of the determined transmitter search angle can be reliably suppressed by a corresponding weighting of older persons in relation to the current values of the measured search or determined angle signals.
  • the object of the location estimation is also the solution of the problem of resolving the 180 degree ambiguity of the angle estimate from the field strength differences of two or more successive recording intervals and assigning the transmitter to the front (in the direction of movement) or rear (opposite to the direction of movement) half-plane.
  • the position of a victim, in particular the transmitter search angle even then fully and reliably calculated if his transmitter at the time when the device 1 of the seeker points in his direction, is currently in the transmission break.
  • This is achieved with an inventively designed search device which has only a single search antenna and therefore be correspondingly lighter and less expensive can (of course, the use of multiple antennas in a search device according to the invention also possible).
  • the determined location of a transmitter is then displayed on the display 10, as described above with reference to FIGS. 1, 2a and 2b.
  • modules which are shown in FIG. 3 as separate units. 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 fully-equipped search device such as that illustrated by the figures, a processor with 30 MIPS computing power and 8 KB of working memory would be suitable.
  • an inventive device without AKF module or module for separating the signal components of multiple transmitters may be formed.
  • Such a device can be used in situations where only one transmitter is to be located.
  • An example of this is a group of skiers on a secured track, in which the finding of the group leader is made possible by the search devices of the group members, whereby only the transmitter of the conductor is in the transmission mode.
  • a search device can be designed without a module for carrying out the cross-correlation of a filter signal with weak search or reception signals. 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 memory, processor processing capacity
  • the AKF module may be configured to separate a larger number of transmitters from each other.
  • a lower-powered device may have an extended operating time for the same battery capacity, such as when a smaller processor is used.
  • a search device with a GPS system.
  • the GPS system provides a true-to-nature representation of the terrain.
  • the viewpoint of the searcher and the sender location detected by the searcher, i. the suspected lying points of the victims are superimposed on the representation of the GPS system.
  • Such a system allows the seeker to intuitively, i.e., intuitively determine, the position of the reclining point from any prominent terrain points present. quickly detect, so that he can visit the resting point with the least possible delay.
  • the search device can be combined with a voice control, as is known for example in GPS systems for motor vehicles.
  • the searcher receives acoustic instructions, for example in the form of a voice generated by the search device. 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.
  • the terrain view recorded by the camera is advantageously reproduced on the display of the search device.
  • the detected transmitter locations are superimposed on the terrain view.
  • the view on the display is broadly consistent with the view the seeker has of his environment. Thus, the orientation of the seeker is facilitated, especially in contour-rich terrain.
  • a combination of a search device according to the invention with a GPS system and camera is also possible. In doing so, the GPS system and camera would work together to achieve a detailed and contour rich representation of the terrain.
  • a search device designed according to the invention can also be advantageously used for further applications.
  • a group of skiers are called, which are based on their group leader, for example. In poor visibility or otherwise confusing conditions. All participants have transceivers.
  • the device of the conductor has a transmitter whose transmitter signal is provided with an individual transmitter identification.
  • the search devices of the group participants are designed to evaluate the received sender identification, so that the located transmitter of the conductor is identifiable among the plurality of located transmitters.
  • the display of the search devices of the participants identifies the location of the group leader by specifying the identifier.
  • all transmitters of a group can be individualized by transmitter identifications.
  • a second transmitter may be provided which emits the signals with transmitter identifiers.

Landscapes

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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 (vgl. hierzu AT 006 120 U2; DE 101 09 284 A1).
  • 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. Ein entsprechendes Vorgehen wird in der EP 0 733 916 A2 beschrieben, wobei eine bessere Ortung dadurch erzielt wird, dass der Sender mit drei orthogonal zueinander stehenden Antennen sendet. Nach dem Bestimmen der Suchrichtung kann dieser Richtung mittels eines elektronischen Kompasses gefolgt werden.
  • Auch die DE 299 22 217 U1 beschäftigt sind mit der Suche von Verschütteten. Hier werden GPS-Koordinaten verglichen. Zur Suche von Lawinenverschütteten sind GPS-Empfänger zu ungenau und störanfällig.
  • Ausgehend von der EP 0 733 916 A2 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, 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 16 gelöst.
  • 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.
  • Die Idee, aus den Sendersignalen und den Sensorsignalen Winkelsignale zu erzeugen, die eine Empfangsfeldstärke in Abhängigkeit von einem Suchwinkel repräsentieren, löst dieses Problem. Die Anwendung signalverarbeitender Mechanismen auf die erfindungsgemäßen Winkelsignale ermöglicht in besonders einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung des Senderortes.
  • 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 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 abschnitts weise 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 Senderkennung individualisiert und es werden Verarbeitungssignale erzeugt, die einem Sendersuchwinkel diese Senderkennung zuordnen. Hierdurch können Gruppenfunktionen 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 (28)

  1. Suchgerät zur Ortung eines Senders, insbesondere Lawinen-Verschütteten-Suchgerät (1), das zum Absuchen eines Suchgebietes in einem Winkelbereich von Suchwinkeln schwenkbar ist, der das Suchgebiet überdeckt,
    mit
    - einer Suchantenne (28) zum Empfang von Sendersignalen eines Senders aus einer momentanen Suchrichtung,
    - einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Verarbeitungssignalen aus den Sendersignalen,
    - einer Ausgabeeinheit (14, 15), der die Verarbeitungssignale zugeführt werden, zur Ausgabe von Ergebnissignalen, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, an den Benutzer und
    - einem Magnetfeldsensor (30), der das Erdmagnetfeld betreffende Sensorsignale an die Signalverarbeitungseinrichtung (36 - 48) ausgibt, die als Verarbeitungssignal der Ausgabeeinheit (10) zugeführt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedem empfangenen Sendersignal ein fester Suchwinkel (ϕ) relativ zum Erdmagnetfeld (µ) zugeordnet wird,
    wobei 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.
  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) zur Berechnung eines Sendersuchwinkels, in dem sich der Sender befindet, anhand der Winkelsignale ausgebildet ist.
  5. Suchgerät nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Signalverarbeitungseinrichtung (48) ausgebildet ist, um aus mindestens zwei Winkelsignalen den Sendersuchwinkel zu bestimmen.
  6. Suchgerät nach Anspruch 4 oder 5,
    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.
  7. 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.
  8. Suchgerät nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Filterkorrelationseinheit (40) ausgebildet ist, um die Sendersignale mit einer sinusförmigen- und mit einer kosinusförmigen Filtersignalfolge zu korrelieren.
  9. 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.
  10. Suchgerät nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Autokorrelationseinheit (44) einer Filterkorrelationseinheit (40) nachgeschaltet ist.
  11. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Suchantenne (28) eine Ferrit-Antenne, vorzugsweise mit kosinusförmiger Richtcharakteristik, umfasst.
  12. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    einen Sender zum Senden von Sendersignalen, wobei die Sendersignale vorzugsweise durch eine Senderkennung individualisiert sind.
  13. Suchgerät nach Anspruch 12,
    gekennzeichnet 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.
  14. Suchgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13,
    gekennzeichnet durch
    ein GPS-System und/oder eine Kamera zur Darstellung der Umgebung auf dem Anzeigefeld (10).
  15. 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.
  16. 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
    - Ergebnissignale, welche die Verarbeitungssignale repräsentieren, an den Benutzer ausgegeben werden, und
    - Sensorsignale, die das Erdmagnetfeld betreffen, als Verarbeitungssignal durch Ergebnissignale den Benutzern angezeigt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedem empfangenen Sendesignal ein fester Suchwinkel (ϕ) relativ zum Erdmagnetfeld (µ), zugeordnet wird,
    wobei Winkelsignale, die jeweils eine Empfangsfeldstärke (σ) bei einem Suchwinkel (ϕ) angeben, aus den Sendersignalen (r) und den Zuordnungen von Suchrichtung und - winkel erzeugt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16,
    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).
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Neigungen des Suchgerätes gegen die Horizontalebene gemessen (32) und die Sensorsignale entsprechend korrigiert werden (38).
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
    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).
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Sendersuchwinkel aus mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Winkelsignalen bestimmt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20,
    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.
  22. Verfahren nach Anspruch 21,
    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.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22,
    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.
  24. Verfahren nach Anspruch 23,
    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.
  25. Verfahren nach Anspruch 24,
    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.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zur Detektion von mehreren Sendern ein periodischer Signalanteil von gespeicherten Sendersignalen oder Verarbeitungssignalen, insbesondere Schätz-Sendersignalen, durch Autokorrelation ermittelt wird (44).
  27. Verfahren nach Anspruch 26,
    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.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27,
    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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