Einleitung

Die Wichtigkeit einer umgehenden Verbindung zu einem Opfer in einem frühen Stadium einer Rettung wurde schon lange durch die französischen Rettungsteams erkannt, insbesondere im Departement Isére, wo die Rückkehr aus tieferen Höhlensystemen an die Oberfläche bis 10 Stunden dauern kann. Den sehr fruchtbaren Hinweisen und Ideen von anderen auf dem gleichen Gebiet tätigen Leuten aus der Schweiz, Grossbrittanien, den USA und Kanada, produzierten wir vier Höhlenfunkgeräte auf der Basis der John Hey SSB LF Tranceiver Boards (Hey, 1995). Die ersten beiden waren Prototypen, an welchen wir das Funktionsprinzip demonstrierten. Weitere zwei wurden nach den weit höheren Standards von F6EGY produziert und sind momentan im Besitz des Hauptquartiers der CRS Alpes für den Einsatz in Notfallsituationen (siehe Bild der älteren Geräte). Ein einfacher Verstärker mit zwei TDA2006 treibt einen Transformer ähnlich demjenigen, den Rob Gill kürzlich beschrieben hat (Gill, 1998). Die Effizienz der Erdstrom-Methode wurde demonstriert bei 87kHz vertikal durch über 500m Fels in der Gouffre Berger und horizontal durch über 900m Fels in der Dent de Crolles. Jean-Jacques Fauchez beschrieb dies in einer früheren Ausgange des CREG Journals (Fauchez, 1998a). Die Anforderungen an das System Nicola durch die SSSI auf 500m Fels definiert. Kürzlich wurde nun eine neue Generation Funkgeräte entwickelt, das System  Nicola MK II.
 

Techniken

Erzielen von guten Erdverbindungen

Leistungsübertragung und Funktion der Sendeendstufe

Natur des Gesteins und der Schichten zwischen Sende- und Empfangsstation

Hintergrundrauschen

Tests in der Gouffre Berger

Betriebliche Angelegenheiten

Zukünftige Entwicklungen

Referenzen

Kenntnisse über dieser Elemente sind notwendig um eine zuverlässige Verbindung zustande zu bringen und waren Gegenstand der Entwicklung des Systems Nicola. Ich möchte einige Techniken beschreiben, welche wir verwenden.
 
 

Erd- und Elektrodenkontaktierung

Die Forderung nach guten Kontaktierungen auch in trockenen Passagen führt zu grundlegenden Betrachtungen, wie man eine optimale Kontaktierung realisieren könnte. Durch kapazitive Kopplung zwischen den Antennendrähten und der Erde anstelle der punktuellen Verbindungen der Elektroden (die Verdichtung der Strömungslinien in der Umgebung der Elektrode führt zu einer drastischen Erhöhung des Übergangswiderstandes) können wir sehr niedrige resistive Impedanzen erreichen. Die reaktive Komponente kann bei der Sendefrequenz durch eine Serieinduktivität kompensiert werden.

Diese Technik führte zu einer besseren und klareren Kommunikation durch 500m Gestein mit kapazitiven Kontakt auf trockenen Fels. Erreicht wurde dies  durch Verwendung einer abgleichbaren Spule in der Hälfte eines Antennendrahts, wobei eine Induktivität in beiden Antennendrähten grundsätzlich bessere Resultate ergeben sollte. Die Spule sollte sehr sorgfältig aufgebaut sein, da doch ein  hoher Induktivitätswert erforderlich ist (einige mH) und gleichzeitig eine niedrige parasitäre Parallelkapazität aufweisen sollte, um beide en eingesetzten Frequenzen noch induktiv zu sein (hohe Eigenresonanz).
Wir konstruierten eine solche Spule durch Schalten einer Reihe von Hochfrequenz-Induktivitäten. Diese Technik wurde jedoch weiterverwendet, da die vom Gerät abgesetzte Spule und deren Abgleich ein mühsamer und inakzeptabler Zustand bedeutet. Überdies treten bei Resonanz, besonders wenn wir versuchen die Ausgangsleistung weiter zu erhöhen, sehr hohe Spannungen auf (in der Gegend von 10kV!), was potentiell tödlich ist. Bedenkt man weiter, wie in einem Brief in einem kürzlich erschienenen Artikel über Sicherheitsangelegenheiten im CREG Journal erwähnt, dass die höchste sichere einer durch ein elektrisches Haushaltsgerät erzeugten Spannung in einer feuchten Umgebung wie einem Badezimmer oder einer Flusshöhle gerade mal 12V beträgt. Davon ausgehend, dass mehrere hundert Volt an unsren Antennendrähten anliegen, wir nasse Hände haben (vorallem in der Höhle) und wir bis zu unseren Knien im Wasser stehen (grosse Wahrscheinlichkeit in einer Höhle) haben wir ein gutes Rezept beieinander, um mehr als 25mA durch unseren Körper fliessen zu lassen (und grosse Chance zu sterben). Wenn wir trockene Handschuhe tragen, mir einem zerrissenen Combinaison auf dem Boden knien (und dies glücklicherweise auf trockenem Boden), werden wir wahrscheinlich nicht viel spüren. Unsere Kommunikationsausrüstung muss auf jeden Fall sicher sein und entwickelt um Leben zu retten und nicht um Leute umzubringen.Deshalb können wir keine Hochspannung akzeptieren.

Die Alternative sind niedrige Spannungen und den direkten Kontaktierungswiderstand möglichst tief zu bringen. Dies kann dadurch erreicht werden, indem man etwa 10-20m Drahtgeflecht eines elektrischen Weidezauns an die Enden der Antennendrähte anbringt. Dies ergibt eine besser verteilte Kontaktfläche und hilft den Flaschenhals der Strömungslinien zu überwinden (dies entspricht der Anordnung mit vielen kleinen Elektroden anstelle einer einzigen grossen). Es ist wichtig, das flache Geflecht zu verwenden, da dieses besser als das Schnur-ähnliche auf dem Boden aufliegt. Der Kontakt kann verbessert werden, wenn man einige Steine verteilt auf das Geflecht legt oder , falls vorhanden, das ganze in feuchten Lehm oder Erde tritt. Selbstverständlichkeit ist die hervorragendste Lösung immer noch, wenn man das Band oder Geflecht in seiner vollen Länge in einen wasserkefüllten Kolk oder mehrere Wassertümpel versenken kann.
 

Leistungsübertragung

Wir haben nur eine limitierte Leistung von unseren portablen Batterien zur Verfügung und wir möchten eine bestmögliche Effizienz des Leistungsverstärkers erhalten (zum Glück verfügen wir noch über zusätzliche 13Ah Lithium Zellen, welche eine verbesserte Autonomie ermöglichen). Verstärker der Klasse A erzeugen wenig Verzerrung sind jedoch sehr durstig, wenn es um Strom geht. Die TDA Verstärkertypen sind Klasse AB, praktisch in der Verwendung aber deren Verlustleistung ist ebenfalls etwas hoch, da diese nicht den vollen Aussteuerungsbereich der Speisespannung ermöglichen.

Wir haben mit Switch Mode Verstärkern (getaktete Verstärker) experimentiert und konnten zeigen, dass es möglich ist ein SSB Signal mit PWM (Pulswidth /Pulsbreitenmodulation) zu erzeugen. Der Start eines Pulses codiert die Phase während die Pulsdauer der Amplitude entspricht. Das PWM Signal wird von MOSFET Schaltern in Brückenanordnung erzeugt, über ein Serie LC Filter geführt und so noch vor dem Ausgangstransformator in ein SSB Signal konvertiert. Leider war die von mir gebaute Schaltung nicht sehr linear bezüglich Amplitude und Pulsbreite (ich verwendete den SGS Chip 3525) was zu einer beeinträchtigten Modulation führte. Ebenfalls sollten bei hohen Ausgangspegeln die Induktivitäten im Filter so ausgelegt werden, dass nicht durch Sättigungseffekte weitere Verzerrungen entstehen. Die Lehre aus diesem Experiment war, dass wir 3dB gewinnen  und 10dB mehr Leistung erzeugen könnten, aber bei ungenügender Vorsicht verliert man problemlos 10dB in der Verständlichkeit und benötigt bis zu 7dB (Faktor 5) mehr Sendeleistung ohne einen Gewinn zu erhalten. Das zeigt, dass wir noch weitere Arbeit vor uns haben!

Weiter bekamen wir Probleme mit Rückkopplung im Sender, als wir die Ausgangsleitung erhöhten. Basierend auf unserer Erfahrung kann ich folgende Hinweise betreffend Rückkopplungsquellen  geben. Mit grossen Antennen kann das hohe Sendesignal wieder vom Mikrophon aufgenommen werden und durch den NF-Verstärker rückgekoppelt werden (Erinnerung: Die Sendefrequenz ist nicht viel höher als der Audiobereich!). Weiter kann die Belastung der Endstufenspeisung, welche ebenfalls niederfrequent ist, zu niederfrequenter Amplitudenmodulation auf den Speisungsleitungen führen, welche dann wiederum über die Mikrophonschaltung in die erste Mischstufe gelangt (folglich ist eine gute Filterung zwischen NF-Stufen wie auch HF("Hochfrequenz")-Stufen notwendig. Die Verwendung von separaten Spannungsreglern für die Mikrophonschaltung und die Mischstufe ist empfehlenswert. Die Verwendung der beim John Hey Design eingesetzten Referenzspannung auf halber Speisespannung, erzeugt durch einen Spannungsteiler und nachgeschaltetem Spannungsfolger, ermöglicht ein sehr Effiziente Rückkopplung zur Mikrophonschaltung. Dies falls der Spannungsteiler nicht mit einen Kondensator als Abblockung versehen ist. Obwohl im Design dieser im Schema vorhanden ist, auf der Platine ist er dies nicht..! Kurzgefasst, verwende solide Analogtechnik-Praktiken und sehe Dich um nach Kopplungsmöglichkeiten. Achte auf eine saubere Verdrahtung, wobei ich zugeben muss, dass meine Verdrahtungen oft auch ein schlimmes Durcheinander sind!
 
 

Natur des Untergrunds und des Gesteins

Kontakt konnte zudem von einer anderen unterirdischen Station zu der "Halle der Dreizehn" (mit dem System Nicola) hergestellt werden, allerdings nicht von der Höhle an die Oberfläche. Grund war die Distanz von rund 1kM und entfernte Stürme störten den Empfang auf der Oberfläche.
Die Schlussfolgerung daraus ist, dass eine direkte vertikale Anordnung oder die kürzeste Distanz zwischen zwei Stationen nicht immer die beste Verbindung ergibt. Für den Betrieb verwenden wir Empfänger mit Loopantennen (z.B. Lowe Empfänger mit Loop oder ein Molefone System), um die Stelle an der Oberfläche mit dem besten Empfang zu suchen. Die beste Position kann mit dem Wissen über das geologische Relief erwartet werden, wobei eine Abweichung aufgrund der lokalen Bedingungen immer möglich ist (Felsspalten, Bach, Mulde etc.).
 

Hintergrundrauschen

Die Frage nach der Modulationsfrequenz ist eine wichtige Angelegenheit. Obwohl 137kHz ein wenig ruhiger in Bezug auf die atmosphärischen Störungen ist, gibt 87kHz bessere Verbindungen durch stark absorbierendes Gestein. Das Rauschproblem betrifft in erster Linie die Station an der Oberfläche und ist unterirdisch bereits sehr deutlich durch die Felsdämpfung abgeschwächt. Dies führt dann zu der häufigen Situation, dass das unterirdische Team die Oberfläche gut verstehen kann, aber die Oberflächenstation die unterirdische Mannschaft nicht hören kann.

Um dies zu überwinden, beabsichtigen wir ein digitales System zu entwickeln (BPSK senden, ausnützen der Eigenschaften eines Empfängers mit komplexer Demodulation um die Phase zu detektieren. Dies sollte die Kommunikation rückwärts auch in Situationen ermöglichen, wo die Oberfläche durch nahende Gewitter gestört wird, obwohl dann in extremen Situationen die Oberflächenstation die Antenne abhängen und Schutz suchen sollte.

Tests in der Gouffre Berger

Eine bemerkenswert klare (in beiden Richtungen) Sprachverbindung wurde vom "Grand Canyon" zu einem Weg oberhalb des Dorfes Fournel hergestellt. Die Aufregung war sehr gross, das erste mal konnte eine Verbindung hergestellt werden, und dies erst noch in Telefonqualität. Die verschiedenen gelungenen Verbindungen sind in den Diagrammen aufgezeigt. Während dem Aufbau der ersten Verbindung zum "Grand Canyon" wurde zuerst eine Zweiwegverbindung mit einem Molefone erstellt. Mit beinahe 500m ist dies vielleicht sogar ein Rekord für ein Molefone! Das Molefone an der Oberfläche empfing ein klares starkes Signal vom Erdstromsystem Nicola im "Grand Canyon" aufgrund seines effizienten Leistungsübertragungs-Mechanismus. Der unterirdische Erdstrom-Empfänger konnte knapp das Molefone Signal detektieren, dies aufgrund der relativ rauscharmen Umgebung unterirdisch und der Effizienz der Signalaufnahme mit der Erdkontaktierung (siehe  berger1.gif )

Als das Molefone durch das System Nicola ausgetauscht wurde, hüpfte der Lautsprecher beinahe aus der Gerät in der Höhle, so stark war das Signal. Der Erfolg dieser Verbindung muss grösstenteils auf den niederohmigen Kontakt zwischen den Erdelektoden zurückzuführen sein, welcher durch den Einsatz von Elektozaungeflecht in der Höhle erreicht wurde. Die Plazierung dieser Elektroden, obwohl eigentlich einfach, ist dennoch kritisch und benötigt etwas Übung um Widerstände zwischen den Anschlüssen von weniger als 300Ohm zu erreichen. Bei diesen Werten des Erdwiderstandes kann die kapazitive Komponente vernachlässigt werden. Leider war es nicht möglich, am Tag der Tests bis zuunterst in die Höhle zu gelangen, aber aufgrund der Tatsache, dass die Überdeckung im unteren Teil der Höhle nicht viel mehr als in der vertikalen Sektion beträgt, sind wir ziemlich sicher, dass das System bis -1000m funktionieren wird.

Das System wurde in der Form eines Prototypengeräts) installiert in der Höhle belassen (welches zwar etwas schlechtere, aber ausreichende Eigenschaften aufweist, siehe berger4.gif. ) Die DSS war in der Lage das System während der Dauer der Erforschung der Höhle zu verwenden. Ein Mitglied konnte sogar, Dank eines Mobiltelefons an der Oberfläche, mit seiner Frau in UK sprechen. Diese Kommunikationsverbindung vom unteren Teil der Gouffre Berger nach Grossbritannien war sicherlich eine Premiere! Obwohl wir momentan nicht genügend funktionstüchtige Geräte des Typs Nicola besitzen um solche Möglichkeiten generell bereitzustellen, ist  zu hoffen, dass mit der Produktion der nächsten Generation dies in der nahen Zukunft ermöglicht werden könnte.

Betriebliche Angelegenheiten

Tranceiver auf der Basis von Loopantennen sind ebenfalls im Einsatz, um einen mobilen Kontaktpunkt zu erhalten, welcher der Bahre oder einer Suchmannschaft folgen kann. Die Verbindung wird in diesem Fall zu einer unterirdischen Basistation erstellt, welche bis etwa 200m direkter Felsdistanz entfernt sein kann. Die unterirdische Basisstation muss ein   Erdstrom-System sein, welches eine Weitdistanzkommunikation ermöglicht und ein starkes Signal an die Oberflächenstation sendet, welche ja mit dem starken Rauschen an der Oberfläche zu kämpfen hat.

Ein Beacon mit drei Stellungen wurde produziert, welcher in den Mikrophonsockel passt (die Versorgung mit einigen Microampere erfolgt über den PTT Pull-Up Widerstand) und einen Tongenerator Chip UM3561 verwendet.Drei klar zu unterscheidende Töne können erzeugt werden, welche mit vorgängig abgemachten Mitteilungen korrespondieren können: z.B. "alles in Ordnung", "Gruppe gefunden, Rettung vorbei", "Hochwasseralarm, Schutz suchen". Diese Art kann eingesetzt werden, wenn der Empfang sehr schlecht ist oder die Sprache nicht richtig verstanden werden kann. Die Schaltung verwendet weiter einen 7555, welcher automatische alle 5 Sekunden zwischen Empfang und Senden umschaltet. Dies wird verwendet während einer Ausrichtung in der Höhle etc. oder es ermöglicht, dass eine andere Gruppe ebenfalls eine Funkspruch abfangen kann. Ein portablerer und für die Höhle geeigneter Loop, welcher auch während der Fortbewegung verwendet werden kann, wurde aus flexiblem Hausinstallationskabel hergestellt. Das Kabel wird verdrillt als doppelter Loop verwendet, welcher über die Schulter getragen werden kann. Wird er wieder auseinandergelegt, kann er als einfacher Loop für Sendezwecke verwendet werden.

Zukünftige Entwicklungen

Wir hoffen den gesamten Tranceiver komplett neu zu layouten, auf einem einzigen Board mit Endstufe und Transformer mit eingeschlossen. Das Board sollte es ebenfalls ermöglichen, den Träger alleine auszusenden und so eine Art Ruf erzeugen, welcher dann einen Piepser im Empfänger aktivieren kann und die Mannschaft am anderen Ende aufzuwecken. Zu diesem Zeitpunkt scheinen folgende Bauteile sehr interessant: AD607, TDA7396 und der  Newport transformer 1015. Das Board sollte einen I/Q Ausgang besitzen, um BPSK mit einem Microcontroller Chip inklusive Verbindung zu einem weiteren Gerät wie VHF, Mobilfunk, Telefon) zu ermöglichen.
Es existieren viele Ideen und die meisten wurden lange in den CREG Journalen diskutiert. Leider hat der Tag nicht genügend Stunden. Was klar ist, es besteht ein sehr hoher Bedarf an guten Kommunikation Systemen für den unterirdischen Einsatz hier in Frankreich (und auch anderweitig, Übersetzer).
 

Referenzen