-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs, bei welchem entlang einer Schienentrasse zueinander beabstandete Balisen vorgesehen sind, die vom Schienenfahrzeug überfahren werden, wobei ein Balisen-Empfänger in/an dem Schienenfahrzeug von einer überfahrenden Balise ein Datentelegramm empfängt und aus oder in Abhängigkeit von den Daten im Datentelegramm die exakte Position der Balise z. B. in Geokoordinaten ermittelt wird.
-
Ein solches Verfahren ist im Stand der Technik bekannt und wird eingesetzt, um festzustellen, wo auf einer Schienentrasse sich ein Schienenfahrzeug befindet. Solche Informationen sind bei der Verkehrsführung von Schienenfahrzeugen wichtig, da beispielsweise bestimmte Mindestabstände zwischen Schienenfahrzeugen einzuhalten sind und Schienenstrecken erst dann zum Passieren eines Schienenfahrzeugs freigegeben werden dürfen, wenn vorausfahrende Schienenfahrzeuge die Schienenstrecke geräumt haben. Dabei ist es besonders im Bereich von parallel zueinander verlaufenden Schienentrassen sowie auch nach Weichen notwendig, mit sehr hoher Genauigkeit feststellen zu können, wo sich ein Schienenfahrzeug befindet.
-
Im Rahmen des sogenannten ETCS (European Train Control System) ist es dafür vorgesehen, entlang einer Schienentrasse, insbesondere mittig zwischen den beiden Schienenprofilen, sogenannte Balisen, auch Eurobalisen genannt, einzusetzen, mit denen Daten mittels eines Datentelegramms in ein Schienenfahrzeug übermittelt werden können, welches auf der Schienentrasse über eine solche Balise hinwegfährt. Um einen Empfang des Datentelegramms zu ermöglichen, weist demnach ein Schienenfahrzeug einen entsprechenden Balisen-Empfänger auf, so dass die übertragenen Daten dem Schienenfahrzeug zu einer Auswertung zur Verfügung stehen können. Die Balise selbst weist einen Sender auf, um das Datentelegramm versenden zu können. Dabei kann eine Balise auch mit einer Leitstelle und/oder einem Signalgeber in Verbindung stehen, um Daten von dieser zu empfangen und an ein Schienenfahrzeug weiterzusenden. Eine Balise kann als Transponder ausgebildet sein und seine Betriebsenergie aus dem elektromagnetischen Feld erhalten, das ein Schienenfahrzeug bei der Überfahrt erzeugt.
-
Es ist dabei im Stand der Technik vorgesehen, dass beispielsweise solche Daten übertragen werden, aus denen im Balisen-Empfänger oder einer nachfolgenden Datenverarbeitung innerhalb des Schienenfahrzeugs eine Information gewonnen werden kann über die exakte Position des Schienenfahrzeugs, die zum Zeitpunkt des Überfahrens der Balise genau der Position der Balise entspricht. So kann es demnach beispielsweise vorgesehen sein, dass in den Daten des Datentelegramms die Balise die eigene exakte Position übermittelt. Alternativ kann es ebenso vorgesehen sein, dass die Balise eine Identifikationsinformation übermittelt und so die Möglichkeit gegeben ist, aus der Identifikationsinformation auf die Positionsdaten zu schließen, beispielsweise mittels einer Zuordnungstabelle, die im Schienenfahrzeug vorliegen kann.
-
An demjenigen Ort, an welchem ein Schienenfahrzeug demnach eine Balise überfährt und die entsprechenden Daten von der Balise übermittelt bekommt, liegt dem Schienenfahrzeug eine exakte Information über die Position vor.
-
Es ist dabei weiterhin im Stand der Technik vorgesehen, dass durch odometrische Verfahren und/oder Sensoren von dieser Position ausgehend die Position des Schienenfahrzeugs laufend fortgeschrieben wird. Hierfür können beispielsweise Radsensoren eingesetzt werden, ebenso wie Geschwindigkeitssensoren, die z. B. auf der Radartechnik beruhen oder auch andere im Stand der Technik bekannte Sensoren und Verfahren.
-
Die auf dem Prinzip der Odometrie beruhenden Verfahren zur Fortschreibung der Position des Schienenfahrzeugs ausgehend von der exakten Position zum Zeitpunkt des Überfahrens einer Balise haben dabei allesamt den Nachteil, dass Fehler auftreten, insbesondere sich mit fortschreitender Entfernung zur Balise aufsummieren, bis dass das Schienenfahrzeug eine nächste Balise überfährt und erneut eine Information über die exakte derzeitige Position erhält.
-
Fehler, die durch die odometrische Fortschreibung der Position des Schienenfahrzeugs entstehen, können dabei eine unakzeptable Größenordnung erreichen, so dass faktisch nicht exakt bekannt ist, wo sich das Schienenfahrzeug zu jedem Zeitpunkt seiner Fahrt befindet.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Positionsbestimmung der eingangs genannten Art für Schienenfahrzeuge bereitzustellen, mit welchem eine Positionsbestimmung mit höherer Verlässlichkeit und/oder höherer Verfügbarkeit bei Schienenfahrzeugen erzielt werden kann. Neben der reinen Positionsbestimmung ist es weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Integrität der zur Positionsbestimmung herangezogenen Daten auf einfache Art und Weise überprüft werden kann, insbesondere um Manipulationen ausschließen zu können.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass vom Schienenfahrzeug ein Navigations-Empfänger zum Empfang von Navigationsdaten mehrerer Satellit eneines globalen Navigations-Satellitensystems mitgeführt wird, wobei mit der exakten Position der überfahrenen Balise – insbesondere in Abhängigkeit von dieser – im Bereich der Schienentrasse von der überfahrenen Balise bis zu einer nachfolgenden Balise die aus den empfangenen Navigationsdaten berechneten Positionen des Schienenfahrzeugs korrigiert werden. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass die genannte nachfolgende Balise die unmittelbar nächste Balise ist, obwohl dies bevorzugt ist.
-
Die Erfindung macht sich hier demnach zunutze, dass zwei Verfahren zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs miteinander kombiniert werden, wobei mit der Positionsbestimmung aus den Navigationsdaten eines satellitengestützten Navigationssystems Genauigkeiten bis in den Bereich weniger Meter, beispielsweise 3–10 Meter erzielt werden und es vorgesehen ist, an denjenigen Stellen, bei welchen ein Schienenfahrzeug eine Balise überquert, auf diese exakten Positionen zurückzugreifen, insbesondere nicht nur für die darauf folgende Korrektur, sondern auch als jeweils neue Ausgangsposition, nach welcher die Positionsbestimmung fortgesetzt wird.
-
In einem einfachen Ansatz besteht so beispielsweise die Möglichkeit, durch Empfang der Navigationsdaten mehrerer Satelliten, insbesondere von wenigstens vier Satelliten, die Position des Schienenfahrzeugs zu bestimmen und im Augenblick des Überfahrens einer Balise mit der zu diesem Zeitpunkt exakten Position der Balise bzw. demnach auch gleichzeitig des Schienenfahrzeugs zu vergleichen und hieraus einen Positions-Fehlerwert zu generieren, der die Abweichung zwischen der exakten Balisenposition und der satellitengestützt berechneten Position berücksichtigt, so dass in einem folgenden Schienentrassenbereich bis zur nächsten Balise dieser ermittelte Fehler zur Korrektur berücksichtigt werden kann, z. B. kontinuierlich aufaddiert wird. Die Bestimmung der satellitengestützt ermittelten Position kann hierbei gemäß den Standard-Verfahren erfolgen, wie Sie für das GPS oder das Galileo-System bekannt sind.
-
Das vorbeschriebene Verfahren, ebenso wie auch die nachfolgend weiterhin beschriebenen Ausführungsformen, können dabei auch kombiniert werden mit den odometrischen Korrekturverfahren, wie sie im Stand der Technik bei Schienenfahrzeugen bereits bekannt sind. Es können demnach die Daten des bekannten odometrischen Korrekturverfahrens mit dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren zusammengeführt werden, um so Positionsdaten einer höheren Genauigkeit zwischen den jeweiligen Balisen zu erzielen.
-
Die Korrektur der Positionen, die aus den empfangenen Navigationsdaten gewonnen werden, kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante nicht lediglich anhand einer Differenz zwischen den Ortskoordinaten der Balise beim Überqueren bzw. der zu diesem Zeitpunkt aus den Navigationsdaten berechneten Koordinaten erfolgen, sondern in einer bevorzugten Weiterbildung derart, dass aus den Navigationsdaten die Pseudo-Entfernungen und aus der exakten Position der Balise die exakten Entfernungen des Schienenfahrzeugs bzw. der Balise zu wenigstens einem Teil von denjenigen Satelliten bestimmt werden, von denen Navigationsdaten empfangen wurden.
-
Dieses vorteilhafte Verfahren macht sich zunutze, dass durch die Bestimmung sowohl der Pseudoentfernungen als auch der exakten Entfernung der Balise zu einem jeweiligen der ausgewählten Satelliten eine Information darüber bereitgestellt werden kann, inwieweit die Ausbreitung des von den Satelliten ausgesandten Signals mit den Navigationsdaten durch die Atmosphäre, beispielsweise die Ionosphäre gestört ist. So bildet gerade die Ionosphäre aufgrund ihrer Ladungsträger einen signifikanten Störfaktor bei der Ausbreitung der elektromagnetisch versendeten Signale im Ausbreitungsweg zwischen Satellit und Empfänger, hier also dem Schienenfahrzeug. Je nach Beschaffenheit der Ionosphäre, die sich auch mit der Tageszeit ändern kann, werden demnach allein durch die Ausbreitung der die Navigationsdaten umfassenden Signale zwischen Satellit und Empfänger verschieden starke Störungen hervorgerufen, die mittels einer Berechnung der Pseudoentfernungen, also derjenigen zwischen Empfänger in dem Schienenfahrzeug und Satellit, die aufgrund der Navigationsdaten ermittelt werden und der tatsächlichen Entfernung zwischen Balise und Satellit bestimmt werden können. Es besteht demnach die Möglichkeit, aufgrund festgestellter Abweichungen bei den ermittelten Entfernungen ein Korrekturmodell zu entwerfen, mit dem atmosphärische Störungen berücksichtigt werden, insbesondere in einem Schienentrassenabschnitt zwischen zwei Balisen. Es können sodann anhand dieses Korrekturmodells die aus den empfangenen Navigationsdaten berechneten Positionen eines Schienenfahrzeugs korrigiert werden, beispielsweise dadurch, dass die im Rahmen der Berechnung der Position ermittelten Pseudoentfernungen eine entsprechende Korrektur erfahren.
-
Dabei kann es vorgesehen sein, dass Korrekturmodell ortsabhängig zu ändern, indem hochgerechnet wird, wie sich die festgestellten Abweichungen zwischen den Pseudo- und exakten Entfernungen mit fortschreitender Fahrt des Schienenfahrzeuges und Entfernung von der Balise ändern wird.
-
Die Verwendung von Abweichungen zwischen den Pseudo- und exakten Entfernungen bei einem jeweiligen der zur Navigation verwendeten Satellit hat gegenüber der einfachen Verwendung einer Abweichung bei den festgestellten Positionen den Vorteil, dass die festgestellten Entfernungs-Abweichungen satellitenabhängig sind und damit eine Richtungsabhängigkeit dieser Abweichungen besteht, da jeder der verwendeten Satelliten eine andere bekannte Position in Orbit hat. Gerade hierdurch besteht die Möglichkeit eine vorausschauende Berechnung, insbesondere ortabhängige Änderung des Korrekturmodells vorzunehmen, insbesondere da sich mit fortschreitender Bewegung eines Schienenfahrzeuges die jeweiligen Beiträge der einzelnen Satelliten zum Fehler in der Navigation ändern und so individuell berücksichtigt werden können. Wegen der bekannten Bewegungsrichtung eines Schienenfahrzeuges und den bekannten Satellitenpositionen können somit die zukünftigen Abweichungen bei der Navigation vorausberechnet werden.
-
In einer Ausführungsvariante kann es dabei vorgesehen sein, dass das Korrekturmodell im Schienenfahrzeug selbst gebildet wird aufgrund der Daten, die im Schienenfahrzeug sowohl durch den Balisen-Empfänger als auch den Navigations-Empfänger empfangen werden. Die Auswertungen bzw. Berechnungen sämtlicher Art auf der Grundlage dieser Daten kann dabei in jedem der genannten Empfänger oder in einer separaten Einheit zur Berechnung und gegebenenfalls zur Korrektur vorgenommen werden. Eine solche Einheit bzw. auch die Empfänger können in einer innerhalb des Schienenfahrzeugs vorgesehenen Datenverarbeitungsanlage realisiert sein.
-
Hierbei besteht auch die Möglichkeit, dass das Korrekturmodell weitere Daten berücksichtigt, insbesondere Atmosphärendaten, die von einer Zentrale an das Schienenfahrzeug kommuniziert werden. So kann ein Schienenfahrzeug demnach nicht nur auf selbst erhobene Daten zurückgreifen, sondern auch auf von außen zugetragene Daten, so dass innerhalb des Korrekturmodells eine noch höhere Genauigkeit erzielt werden kann.
-
In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass das Korrekturmodell in einer Zentrale gebildet und an das Schienenfahrzeug kommuniziert wird. Beispielsweise kann es dafür vorgesehen sein, dass hierfür die Daten zur Bildung eines Korrekturmodells von einem Schienenfahrzeug, welches einen entsprechenden Sender aufweist, an eine Zentrale übermittelt werden, dort in der Zentrale das Korrekturmodell gebildet und an das Schienenfahrzeug zurückkommuniziert wird.
-
Eine solche erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei insoweit weitergebildet werden, dass zur Bildung eines Korrekturmodells nicht nur die erhobenen Daten aus einem Schienenfahrzeug, also insbesondere nicht nur die Pseudoentfernungen und exakten Entfernungen oder daraus gebildete Daten eines einzigen Schienenfahrzeugs, sondern von mehreren, insbesondere wenigstens zwei Schienenfahrzeugen berücksichtigt werden. Es besteht so die Möglichkeit, die artgleichen Daten mehrerer Schienenfahrzeuge gemeinsam miteinander zu verknüpfen, um so Daten zu bilden, die an ein Schienenfahrzeug bzw. an jedes der beteiligten Schienenfahrzeuge zurückkommuniziert werden, um innerhalb des Schienenfahrzeugs ein Korrekturmodell zu bilden. Alternativ wird direkt das jeweilige Korrekturmodell für ein Schienenfahrzeug an dieses von der Zentrale übermittelt.
-
Unabhängig davon, ob das Korrekturmodell innerhalb eines Schienenfahrzeugs oder einer Zentrale gebildet wird, kann es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass immer dann, wenn ein Korrekturmodell durch ein Schienenfahrzeug oder eine Zentrale neu berechnet bzw. bestimmt wurde, insbesondere also immer dann, wenn ein Schienenfahrzeug, beispielsweise aus einer Gruppe von mehreren Schienenfahrzeugen, eine Balise überfahren hat, das dann gebildete bzw. gerechnete Korrekturmodell an andere Schienenfahrzeuge, insbesondere die übrigen Schienenfahrzeuge der vorgenannten Gruppe zur Korrektur von deren Navigationsdaten übermittelt wird.
-
Dies bedeutet, dass in einer Verfahrensausgestaltung, bei der mehrere Schienenfahrzeuge an dem Verfahren teilnehmen, ein jedes Schienenfahrzeug nicht nur dann ein erneutes neu berechnetes Korrekturmodell erhält, wenn es selbst über eine Balise fährt, sondern auch dann, wenn andere Schienenfahrzeuge der betrachteten Gruppe jeweils über eine Balise herüberfahren. Dabei kann es vorgesehen sein, dass ein Korrekturmodell oder Daten für ein Korrekturmodell auch an Schienenfahrzeuge übermittelt wird, die nicht am selbst zur verfahrengemäßen Positionspräzisierung aktiv beitragen, z. B. da sie keinen Balisen-Empfänger aufweisen, jedoch von den Daten oder Korrekturmodellen anderer Schienenfahrzeugen profitieren.
-
Es wird so eine deutlich höhere Genauigkeit bei der Berechnung der Positionsdaten innerhalb der Schienenfahrzeuge erzielt als es möglich wäre, wenn ein jeweiliges Schienenfahrzeug lediglich alleine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren seine Positionskorrektur bestimmt. Bis zum Empfang eines neuen Korrekturmodells kann es in jedem Schienenfahrzeug vorgesehen sein, dieses ortsabhängig zu ändern, wie zuvor beschrieben wurde,
Neben der Korrektur der Positionsdaten besteht weiterhin die Möglichkeit, in einer Weiterbildung des Verfahrens aus den Navigationsdaten die Pseudoentfernungen und aus der exakten Position der Balise die exakten Entfernungen des Schienenfahrzeugs bzw. der Balise zu wenigstens einem Teil von denjenigen Satelliten zu bestimmen, von denen Navigationsdaten empfangen wurden, wobei es sodann vorgesehen sein kann, aus den exakten Entfernungen und den Pseudoentfernungen, insbesondere auch unter gegebenenfalls vorgesehener Berücksichtigung weiterer Daten, die Integrität der Navigationsdaten zu prüfen. Das in der Navigationsterminologie bezeichnete „Jamming” bzw. auch „Spoofing” kann somit wirkungsvoll unterdrückt bzw. festgestellt werden.
-
Eine einfache Art und Weise der Feststellung kann z. B. dadurch bestehen, dass eine Bewertung vorgenommen wird einer festgestellten Abweichung zwischen den exakten und den Pseudoentfernungen. Stimmen diese exakten und Pseudoentfernungen beispielsweise nicht innerhalb einer Fehlertoleranz überein, so kann hieraus der Schluss gezogen werden, dass es sich bei den empfangenen Navigationsdaten nicht um die tatsächlichen, von einem Satelliten ausgesandten Daten handelt, sondern um die von einem Störsender ausgesandten Daten, mit denen eine negative Beeinflussung von Navigationsdaten vorgenommen werden soll. Derartige Navigationsdaten, zu denen eine solche Abweichung festgestellt wird, können demnach bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur der Positionsbestimmung verworfen werden.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
-
1 eine schematische Übersicht eines fahrenden Schienenfahrzeugs unter Berücksichtigung der für das Verfahren benötigten Komponenten
-
2 ein mögliches Verfahrensschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
-
Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Die 1 zeigt in übersichtlicher Darstellung ein Schienenfahrzeug 1, beispielsweise einen Zug, eine S-Bahn oder ähnliches, welches sich auf einer Schienentrasse 2 bewegt. Um die genaue Position des Schienenfahrzeugs 1 festzustellen, ist es hier vorgesehen, dass bei einem Überfahren einer Balise 3, die sich zwischen den Schienenprofilen der Schienentrasse 2 befindet, die von der Balise ausgesandten Daten von dem Balisen-Empfänger 4 am Schienenfahrzeug empfangen werden.
-
Hierfür kann es vorgesehen sein, dass eine Balise 3 von dem Schienenfahrzeug selbst mit der benötigten Energie versorgt wird, beispielsweise durch elektromagnetische Einstrahlung, so dass das Aussenden eines Datentelegramms mit den verfahrensgemäß benötigten Daten erzeugt wird.
-
Beispielsweise können die Daten eine Identifizierungsnummer der Balise 3 umfassen, um so durch eine im Zug mitgeführte Information, beispielsweise anhand einer Tabelle, feststellen zu können, welche exakte Position der Balise 3 mit der festgestellten Identifikationsnummer zugeordnet ist. Alternativ besteht ebenso die Möglichkeit, dass die Balise 3 in den Daten unmittelbar die Position übermittelt.
-
Weiterhin ist es hier vorgesehen, insbesondere im Wesentlichen zeitgleich, die Position des Zugs anhand von satellitengestützten Navigationsdaten zu erfassen. Hierfür umfasst ein Schienenfahrzeug 1 einen Navigationsempfänger 5, um Navigationsdaten von Satelliten 6 zu empfangen, die in ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS) eingebunden sind. Beispielsweise kann hier das sogenannte GPS-System verwendet werden, ebenso wie das neu zu etablierende Galileosystem.
-
Die 2 zeigt hierbei, dass von dem Navigations-Empfänger 5, ebenso wie von dem Balisenempfänger 4, Daten bereitgestellt werden, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. In einer Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, aufgrund der Laufzeit der empfangenen Navigationssignale zwischen dem Navigationsempfänger 5 und einem Satelliten 6 die sogenannte Pseudoentfernung zwischen diesen beiden zu bestimmen. Dies kann für mehrere der verwendeten Satelliten erfolgen. Gleichzeitig kann aufgrund der exakten Position der Balise 3 die exakte tatsächliche Entfernung zwischen Balise 3 und jedem der verwendeten Satelliten 6 bestimmt werden. Diese Möglichkeit besteht allgemein aufgrund der Tatsache, dass die Satellitenposition bekannt ist.
-
Diese Position kann beispielsweise bekannt sein aus den Navigationsdaten selbst, die vom Satelliten 6 ausgesandt und vom Navigationsempfänger 5 empfangen werden oder aber auch aufgrund von Daten, die ein Schienenfahrzeug aufgrund einer Kommunikation von einer Sendeeinheit, beispielsweise einer Zentrale, erhält.
-
Es stehen demnach neben der Information über die Pseudoentfernung zu dem jeweiligen Satellit 6 auch die exakte Entfernung als Referenz zur Verfügung, so dass aufgrund von Unterschieden zwischen den so ermittelten Entfernungen eine Information darüber gewonnen werden kann, inwieweit die Signalausbreitung zwischen dem jeweils betrachteten Satellit und dem Navigationsempfänger durch atmosphärische Einflüsse gestört ist.
-
Diese so bestimmte atmosphärische Störung bzw. eine die atmosphärische Störung repräsentierende Größe, insbesondere die zu jedem der verwendeten Satelliten ermittelt wird, kann verwendet werden, um ein Atmosphärenmodell zu berechnen bzw. zu bestimmen, welches im Folgenden eingesetzt werden kann, um die Navigationsdaten, die im folgenden Verlauf einer Schienentrasse zwischen zwei Balisen empfangen werden, zu korrigieren.
-
Diese korrigierten Signale bzw. die diese repräsentierenden Daten können mit weiteren Daten, wie sie beispielsweise aus odometrischen Verfahren zur Fortschreibung der Position des Balisen-Empfängers augrund odometrischer Sensorik, wie beispielsweise Rad und Geschwindigkeitssensoren zusammengeführt werden. Mit den kombinierten Daten kann demnach in einer höheren Genauigkeit und vor allen Dingen mit einer hohen Verfügbarkeit die Position eines Schienenfahrzeugs bestimmt werden.
