转载:泰国洞穴救援中使用的长波电台

洞穴通信一直是难题。在煤矿等矿井中,地下洞穴通信通常采用有线方式解决,也偶尔利用无线方式,但这些方式都需要较为复杂的基础设施。在没有基础的野洞进行应急通信,通常的方式无法采用,就需要一些奇技淫巧。泰国洞穴救援中,最初的通信依靠科技爱好者的长波地下电台来实现。但是长波电台这个东西要插天线,操作也比较复杂,对于初期的长距离、分散性的搜索任务而言比较适合。确定被救者位置后,救援人员一旦人数众多且集中在一条路线上,显然就没有对讲机方便,甚至根本不能满足需求了。后来用到了一家以色列公司的自组网的数字中继设备,通过十多台中继,使用2.45GHz左右的频段,解决了单条隧道的全线通信问题。

在2018科创年会上,我们重现了长波地下通信的场景,验证了设备的可行性。在洞穴内也采用UHF电台通信(本次430MHz,业余电台首选1.2GHz。关于隧道通信的频率选择,历史上研究得很透彻),但只要隧道出现大转弯或者高低迂回(总之就是3D的转弯),信号就会迅速衰减。因此,如果采用UHF通信,每处大转弯都需要设置中继设备,年会探索的700米山洞,至少需要中继3次。

本帖主要介绍地下长波通信的技术渊源。

下文转自Hellocq.net社区,原发布者BG5TOX,略有改动。

据相关报导,最先发现失踪人员的英国资深洞穴潜水员John Volanthen和Rob Harper装备了一种叫HeyPhone的长波电台用于洞穴通讯。
HeyPhone是由英国无线电爱好者G3TDZ John Hey在2001年开发的DIY套件 ,距今已有17年历史,很可能在英国洞穴潜水圈中早已流行甚至标配这种设备。可惜发明者G3TDZ已经去世了。


德比郡洞穴救援组织为泰国救援队提供了四个Heyphones--一个专业的洞穴无线电系统 | 图片来源:Pete Dell



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以下为HeyPhone的一些基础信息
工作频率:87kHz(单信道)
工作模式:半双工
调制模式:USB(上边带)
电源:12V外置铅酸蓄电池
天线:环形天线(loop antenna) / 地电流天线(earth antenna)
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背景理论(翻译自HeyPhone技术手册)

       许多人想知道如何通过岩石进行通讯,因为大多数经验和传统逻辑里岩石会阻挡无线电信号,就像岩石会阻挡光线那样。想一想无线电信号撞击地面,然而:它不是立即停止,而是在穿透岩石时快速地衰弱。它只能穿透一个波长左右的距离,但如果波长足够长,那么这将是一个有用的距离。       HeyPhone的频率为87 kHz,也就是说在空气中的波长约为3.5公里。电波在岩石中的传播速度更慢,所以其在地下的波长大约为100米。
嗯,之前提到了“一个波长左右”——因此我们能够实现几百米的穿透距离。       HeyPhone使用SSB调制。 SSB的一个重要特性是仅仅发射有用的调制信息,不发射载波。只有当有人在对着麦克风说话时才有能量被发射出去;在说话的空隙,即使按住PTT,也不发射能量。这一点这是CRO在地面上使用的山地救援无线电中使用的与调频模式(FM)不同。对于FM,只要你按住PTT,总有能量一直在被发射出去。
       SSB的优点是它提高了效率,使有限的电池电量可以用得更久;而缺点是接收端难以判断发送端当前有没有在发射信号。这有两个与CRO相关的影响:一个是现在的HeyPhones无法提供静噪(也称为静音)控制,在没有信号时也会发出恼人的嘶嘶声;另一个是它会增加设计难度。未来也可以加入亚音频来解决这个问题。       一旦语音信号被调制,它就不再仅仅占用单一频点,而是在频段上占据一定的宽度,这称为带宽。SSB的带宽取决于你发出的声音中最高的音调(频率)。HeyPhone带宽大约为2.6 kHz。该设备使用上边带,这意味着带宽从标称频点向上扩展,因此HeyPhone实际使用87 kHz至89.6 kHz的这段带宽

天线(节选翻译自HeyPhone技术手册)

3天线
       大多数情况下,该收发器主要与地电流天线(Earth Antenna)配套使用,其结构细节如下。然而,3.1.4背景
这是为那些可能想要理解为什么给出上述建议的人提供的。 来自收发器的天线电流沿着一根导线流出,在其外端流入地面,通过地线返回到另一根导线的外端,并沿着导线返回到收发器。 可以预期地球中的电流将采用两个地球连接之间的最短路径。 事实上,它
展开并在两个接地之间采用各种弯曲路径; 见下图。环形天线还是有用的:它们在较浅的洞穴中足够用并且架设得更快。这些描述对于那些可能想要建造它们的人来说是有帮助的。
3.1地电流天线(Earth Antenna)
       这些天线可能会经常损坏和丢失,并且经常需要维修或更换。而幸运的是,它们非常容易制作。这里有几种实用的制作方法,并且这些方法具有操作意义:否则影响易用性、天线有可能落在设备后头。因此,所选择的设计应该是每个CRO的政策问题。本节介绍(1)
建议的设计,(2)影响选择的考虑因素,(3)提示和纠结点(4)背景信息以告知如何选择。
3.1.1设计
       虽然有一些细节需要注意,但还是很简单。所需要的只是从收发器向相反的方向拉出两根导线,并将导线的远端连接到地面。有两种方便的接地方法:在洞穴外的地面上,将金属地锚钉入土壤;地下洞穴中,将两米长的铜网编织带丢到溪流中或踩到泥浆里。在实践中,已经发现每个收发器最容易具有两个电线和分开的接地套件以连接到每个端部。用于缠绕电线的木制线拐是很有用的。
       电线——每个电台都需要2根相同长度的电线作为天线。建议长度为每根10米,使用10股或更多股的绞合线,额定电流约为3至5安培。它应该有塑料绝缘皮(请参阅以下有关颜色的建议)。一端需要配备4m​​m香蕉插头以连接收发器,另一端可以是另一个4mm香蕉插头或一个鳄鱼夹、地锚。地锚不能用金属拷串棒、普通的细短帐篷钉,这会造成连接不良(见下面的背景知识)。长约15厘米的Bulldog型的帐篷钉比较合适,如下图所示。每个接地点至少用6根地锚接地,这些地锚用大约0.5米长的电线连接在一起。蜘蛛网型的接地点连接方式优于菊花链型(见下图)。因为一旦某一点意外损坏短线,只会少一个地锚连接,而菊花链型则可能使后续所有的地锚都不起作用。
【译注,这里描述的只是其中一个接地点,一个地电流天线的两端各有一个接地点;图中并不是整个天线的全貌。】


3.1.4 背景知识
       这是为那些可能想要理解为什么给出上述建议的人提供的。 来自收发器的天线电流沿着一根导线流出,在其外端接地点流入地面,通过另一端的接地点返回到另一根导线,并沿着导线返回到收发器。 可以想象地底下电流会流过两个接地点连接之间的最短路径。 而事实上,地电流会展开并在两个接地之间经过各种弯曲路径,见下图。


       地电流天线可以看做是非常大面积的单匝线圈。 单匝线圈围起来的有效区域不容易计算,因为不同架设条件、地质条件下,地电流会走不同的路径,如上所述。 两个接地点拉得越远,则有效面积越大。 当做地电流天线的两根电线越长信号越好,但这可能也会有限制。具体还不太清楚,目前认为每根电线长约10米是个合理的数字。
       接地点需要注意:在洞穴外的地面上,这些接地点是插到土壤中的地锚(通常是帐篷钉), 通过大地的所有电流都会汇聚在这些接地点上。这可能也会导致问题:这两点可能成为限制电流和通信范围的瓶颈。【译注:即这些接地点下方会存在通讯盲区】
       重点是地锚与土壤的接触面积:越大越好。基于这一点,诸如烤串金属棒等小直径的地钉效果很差:它们的表面积与(例如)铜水管的表面积相比太小了。大多数帐篷钉都像烤串棒而且很差。这就是推荐使用Bulldog型地锚的原因:它们具有较大的接触面积,与地面但横截面小,使他们容易插入土壤。
       土壤中的电阻远远大于金属中的电阻,因此即使铜地锚比钢地锚导电性更好,但并没有多大好处。每端只插一个地锚也可以方便地进行通信,但不适用于硬地面。增加接地点的接触面积有两种方法:用较长的地锚或几个较短的地锚。长地锚通常没用,因为土壤往往很浅。用导线将6个地锚连在一起作为一个接地点会比较合理。有个重点是地锚的间距要比地锚的长度长一点,否则们的电流会相互干扰。这说明地锚阵之间0.5米的连线是合理的,允许有一定的操作空间以避开碰到石头和坚硬的地面。

【这里略去关于环形天线的相关章节,基本上与大家所熟知的小环天线类似,只是更多匝数的线圈,更大的调谐电容,使其谐振在87kHz长波波段。】
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HeyPhone前面板外观


HeyPhone整体架构

HeyPhone的SSB调制器


HeyPhone的接收机架构

HeyPhone的SSB解调器

技术手册:

heyphone-techmanual.pdf226k28次下载

用户手册:

[修改于 1 年前 - 2018-08-12 03:38:35]

来自 通信工程无线电

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