DE102012107431A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anordnung von Balisen entlang einer Schienentrasse - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Anordnung von Balisen entlang einer Schienentrasse Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt (101) erfolgt ein Vorgeben eines maximal erlaubten Positionsfehlers Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems. In einem zweiten Schritt (102) erfolgt ein Bereitstellen von Topographiedaten TP zu der Schienentrasse. In einem dritten Schritt (103) erfolgt ein Bereitstellen von Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse. In einem vierten Schritt (104) erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein Ermitteln eines maximal erlaubten Zeitraums: Δtmax = Δtmax(Emax), der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird. In einem fünften Schritt (105) erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells Ermitteln des Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll(Δtmax(Emax), TP, DA).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise, sowie ein Verfahren zum Anordnen von Balisen entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes.
  • Balisen sind bekanntermaßen technische Einrichtungen, die entlang von Schienentrassen eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet werden, bahnbetrieblich relevante Daten speichern und diese an Schienenfahrzeuge übermitteln, die den Ort der jeweiligen Balise passieren. Ein Schienenfahrzeug benötigt zum Empfang der Balisendaten einen geeigneten Balisen-Empfänger. Je nachdem, ob eine Spannungsversorgung (Batterie oder extern) erforderlich ist, werden Balisen als aktiv oder als passiv bezeichnet. Passive Balisen werden vom Balisen-Empfänger eines Schienenfahrzeugs angeregt und können so die in der Balise verfügbaren Balisendaten an den Balisen-Empfänger übermitteln.
  • In Europa gibt es derzeit zirka 20 verschiedene, unabhängige und nicht kooperierende Zugsicherungssysteme. Schienenfahrzeuge sind daher im transeuropäischen Schienenverkehr mit bis zu sieben verschieden Systemen zur Zugsicherung ausgerüstet. Dies ist sehr kostenintensiv und auf Dauer nicht tragbar. Deshalb hat die Europäische Union 2006 das „European Rail Traffic Management System” (ERTMS) ins Leben gerufen. Dessen Ziel ist es eine Vereinheitlichung bzw. Harmonisierung der einzelnen Zugsicherungssysteme zu bewirken um Streckenkapazitäten zu erhöhen und Investitionssowie Instandhaltungskosten zu senken. Im Rahmen des ERTMS soll ein einheitliches Europäisches Zugsicherungssystem „European Train Control System” (ETCS) geschaffen werden, das verschiedene Mechanismen zur diskreten Lokalisierung von Schienenfahrzeugen im Schienenverkehrsnetz umfasst. Zum einen werden Sensoren am/im Gleisbett benutzt, wie bspw. Achsenzähler und Induktionsschleifen, aber auch Sensoren am Schienenfahrzeug selbst, wie bspw. Wegimpulsgeber, Radar- und Balisenempfänger. Bei letzterem werden Balisen in das Gleisbett der Schienentrassen eingebracht. Im Zeitpunkt einer Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs an einer Balise kann die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs entlang der jeweiligen Schienentrasse bestimmt werden. Alle diese Mechanismen bieten jedoch nur eine diskrete exakte Positionsermittlung. Zwischen den einzelnen Abschnitten muss die Position geschätzt werden.
  • Die Balisendaten, d. h. die von einer Balise ausgesandten Daten, werden insbesondere zur Verbesserung der Positionsbestimmung mittels Satellitennavigation genutzt. So kann genauer festgestellt werden, 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 festzustellen, wo sich ein Schienenfahrzeug befindet.
  • Ein solches Verfahren bzw. ein entsprechendes Navigationssystem geht aus der Druckschrift DE 10 2009 042 359 A1 hervor. Hierzu verfügt das Schienenfahrzeug über einen Navigations-Empfänger zum Empfang von Navigationsdaten mehrerer Satelliten eines globalen Navigations-Satellitensystems, 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 Satellitendaten berechnete Position des Schienenfahrzeugs korrigiert wird.
  • Das in der DE 10 2009 042 359 A1 offenbarte Verfahren macht sich zunutze, dass zwei Verfahren zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs miteinander kombiniert werden, wobei mit der Positionsbestimmung aus den Satellitendaten allein eine Positionsgenauigkeit bis in den Bereich weniger Meter, beispielsweise 3–10 Meter erzielt werden kann. Zusätzlich ist vorgesehen, an denjenigen Stellen, bei welchen das Schienenfahrzeug eine Balise passiert, auf dessen exakte Position 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 Satellitendaten, die Position des Schienenfahrzeugs zu bestimmen und im Augenblick des Überfahrens einer Balise mit der zu diesem Zeitpunkt exakten Position der Balise zu vergleichen und hieraus einen Positions-Fehlerwert zu generieren, der die Abweichung zwischen der übermittelten bekannten und 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.
  • In einer Ausführungsvariante erfolgt die Korrektur der aus den Satellitendaten ermittelten Positionen derart, dass aus den Satellitendaten 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 Satellitendaten empfangen wurden. Dieses 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 de Atmosphäre, beispielsweise die Ionosphäre gestört ist.
  • 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.
  • Weiterhin bekannt ist, das 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 zur Navigation verwendeten Satelliten 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.
  • Diese Korrekturen der Satellitendaten werden so lange benutzt bis eine neue Balise passiert wird. So kann die Genauigkeit einer rein Satelliten-basierten Positionsermittlung (bspw. mittels GPS) drastisch erhöht werden. Allerdings sind die Korrekturen nur exakt am Ort und zum Zeitpunkt der Balisenüberfahrt. Mit wachsendem zeitlichem und/oder räumlichem Abstand zur Balise werden diese ungenau und verursachen Positionsfehler.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Genauigkeit der Positionsbestimmung für ein Schienenfahrzeug mit einem Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystem weiter zu verbessern.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Positionierung der Balisen entlang der Schienentrasse eine bedeutende Rolle für die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit einem Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystem spielt.
  • Momentan wird kein einheitliches Prinzip bzw. Modell für die Positionierung von Balisen entlang von Schienentrassen verwendet. Abhängig von der Topographie der Strecke und dem jeweiligen Land werden Balisen entlang einer Schienentrasse im Abstand von 50 m bis 10 km verbaut. Gerade bei Kreuzungsstellen wie Weichen und Abzweigstellen ist die Balisendichte sehr hoch. Dies wiederum bedeutet hohe Investigations- und Instandhaltungskosten. Dabei beruht die Abstandswahl nicht auf einer technischen Optimierung sondern auf rein intuitiven, für sicherheitskritische Anwendungen meist überdimensionierten Annahmen.
  • Legt man nun das aus der DE 10 2009 042 359 A1 bekannte Satelliten- und Balisengestützte Navigationssystem zu Grunde, kann ein Soll-Abstand Dsoll zwischen Balisen bestimmt werden, der eine Überschreitung eines maximalen Positionsfehlers bei der Bestimmung der aktuellen Position eines Schienenfahrzeugs verhindert. Dieser Soll-Abstand Dsoll hängt nicht nur von der Topographie sondern auch von der zugelassen Höchstgeschwindigkeit auf dem jeweiligen Trassenabschnitt ab.
  • Aus Untersuchungen der Erfinder wird sogar deutlich, dass mit dem Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystem aus der DE 10 2009 042 359 A1 ab einer gewissen Balisendichte kaum noch ein Positionsgenauigkeitsgewinn erreicht werden kann. Um eine unnütze Überdimensionierung des Systems zu vermeiden und damit Kosten zu reduzieren, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein optimaler Balisenabstand unter Berücksichtigung eines maximal erlaubten Positionsfehlers Emax bestimmt.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Die Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte.
  • In einem ersten Schritt erfolgt ein Vorgeben eines maximal erlaubten Positionsfehlers Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems. Dieser Positionsfehler liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 50 cm. Das Navigationssystem ist dazu auf dem Schienenfahrzeug angeordnet, weist eine GNSS-Einheit (engt. für „Global Navigation Satellite System”) zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten, einen Balisen-Empfänger, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert auf, und bestimmt bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten: P0(t) = P0(P1(t), BD) (1).
  • Des Navigationssystem entspricht somit einem Navigationssystem wie es aus der DE 10 2009 042 359 A1 bekannt ist.
  • In einem zweiten Schritt erfolgt ein Bereitstellen von Topographiedaten TP zu der Schienentrasse. Unter Topographiedaten werden vorliegend insbesondere ein oder mehrere der folgenden Daten/Informationen verstanden: geographischer Richtungsverlauf der Schienentrasse, Steigung der Schienentrasse, Kurvenradius der Schienentrasse, Abstand zu einer oder mehreren vorhandenen parallelen Schienentrasse/n, Positionen von Verzweigungen der Schienentrasse und/oder Weichen, Höhenverlauf der Schienentrasse, und/oder Orographie der Umgebung der Schienentrasse.
  • In einem dritten Schritt erfolgt ein Bereitstellen von Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse. Das Geschwindigkeitsprofil V(x) gibt bevorzugt die für des Schienenfahrzeug erlaubte Maximalgeschwindigkeit oder die tatsächlich vom Schienenfahrzeug entlang der Schienentrasse gefahrene Geschwindigkeit an. Bevorzugt umfassen die Daten DA des Bewegungsmodells ein tageszeitabhängiges Geschwindigkeitsprofil V(x, t), d. h. die Information zu welcher Tageszeit und welcher Geschwindigkeit V(x) das zumindest eine Schienenfahrzeug die Schienentrasse am Ort x befährt.
  • Wird die Schienentrasse von mehreren unterschiedlichen Schienenfahrzeugen befahren, so umfassen die Daten DA des Bewegungsmodells bevorzugt ein diese Nutzung repräsentierendes Geschwindigkeitsprofil. Dieses kann bspw. durch eine Mittelung der den einzelnen Schienenfahrzeugen zugeordneten Geschwindigkeitsprofite ermittelt werden.
  • In einem vierten Schritt erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein Ermitteln eines maximal erlaubten Zeitraums: Δtmax = Δtmax(Emax) (2), der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten (der ersten Balise) zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird. Dieser Zeitraum Δtmax repräsentiert somit das maximale erlaubte Alter der auf eine Vorbeifahrt an der ersten Balise zurückgehenden Korrekturen der Satellitendaten.
  • Bevorzugt wird der maximal erlaubte Zeitraum Δtmax(Emax) gleich oder kleiner einer Zeitdifferenz zwischen einer Zeitpunkt t1, der die Vorbeifahrt an der ersten Balise oder den Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten angibt, und einem nachfolgenden Zeitpunkt t2 gewählt, tmax(Emax) ≤ t2 – t1 (4) wobei t2 dadurch definiert ist, dass zur Zeit t2 ein geschätzter erster Positionsfehler E1(t) der aktuellen Position P0(t) gleich einem geschätzten zweiten Positionsfehler E2(t) der aktuellen ersten Position P1(t) ist: E1(t) = E2(t) (5).
  • Die aktuelle Position P0(t) ist wie vorstehend erläutert die durch die Balsiendaten korrigierte aktuelle erste Position P1(t).
  • In einem fünften Schritt erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten DA des Bewegungsmodells ein Ermitteln des Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll(Δtmax(Emax), TP, DA) (3).
  • Der ermittelte Soll-Abstand Dsoll wird bevorzugt an einem Ausgabemittel ausgegeben.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass in einem dem fünften Schritt nachfolgenden Schritt auf Basis des ermittelten Soll-Abstandes Dsoll ein zweiter Ort O2 der zweiten Balise entlang der Schienentrasse ermittelt wird. Dabei wird unter Begriff „Ort” bspw. ein Streckenkilometerwert entlang der Schienentrasse oder eine explizite geographische Koordinatenangabe verstanden werden.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren beginnend mit dem ersten oder dem zweiten Schritt erneut durchlaufen wird, wobei der vorgegebene erste Ort O1 gleich dem zuvor ermittelten zweiten Ort O2 ist. Diese Verfahrensvariante ermöglicht ein sukzessives Ermitteln von Sall-Abständen benachbarter Balisen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anordnung von Balisen entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes, bei dem Soll-Abstände zwischen benachbarten Balisen nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben ermittelt werden, und die Balisen entsprechend den Soll-Abständen entlang der Schienentrasse angeordnet werden.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Mittel, mit dem maximal erlaubter Positionsfehler Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems bereitgestellt wird. Das Navigationssystem ist hierzu auf dem Schienenfahrzeug angeordnet, und umfasst eine GNSS-Einheit zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten, und einen Balisen-Empfänger, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert. Das Navigationssystem ist weiterhin dazu eingerichtet bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) des Schienenfahrzeugs durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu bestimmen: P0(t) = P0(P1(t), BD).
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin ein zweites Mittel, mit dem Topographiedaten TP zu der Schienentrasse bereitgestellt werden, ein drittes Mittel, mit dem Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse, ein viertes Mittel, mit dem auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein maximal erlaubter Zeitraum: Δtmax = Δtmax(Emax), ermittelt wird, der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird, und ein fünftes Mittel, mit dem auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells der Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll (Δtmax(Emax), TP, DA) ermittelt wird.
  • Erläuterungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch eine analoge Übertragung der vorstehend in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemachten Ausführungen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 2 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Bekanntermaßen bilden in der Satellitennavigation Pseudorange-Messungen (geschätzte Entfernungsmessungen) zu den jeweiligen Satelliten die Grundlage einer aktuellen Positionsbestimmung. Fehler in diesen Entfernungsmessungen wirken sich direkt als Fehler in der Positionsbestimmung aus. Eine genaue Bestimmung dieser Fehler würde zu einer hochgenauen Positionsbestimmung führen. Deshalb werden im Schienenverkehr die schon vorhanden Balisen dazu benutzt, diese Fehlergröße zu bestimmen. Dementsprechend werden Pseudorange-Korrekturen für alle Satelliten bei der Überfahrt über die Balisen berechnet. Diese Korrekturen entsprechen einer Summe von nicht ermittelbaren Fehlerquellen wie Empfänger- und Satellitenuhrenfehler, troposphärische und ionosphärische Fehlern, Empfängerrauschen und Mehrwegeausbreitungseffekte, etc. Die Anwendung dieser Korrekturen führen zu einer sehr genauen Positionslösung zum Zeitpunkt der Überfahrt.
  • Einige der oben genannten Fehlerquellen sind abhängig von der relativen Position des Empfängers im Navigationssystems und den Satelliten, d. h. Elevations- und Azimutwinkel der Satelliten relativ zum Empfänger, sowie der Empfängerumgebung durch den direkten Einfluss auf Mehrwegeausbreitungseffekte. Die relative Position der Satelliten zum Empfänger bleibt schon auf Grund der kontinuierlichen Orbitbewegung der Satelliten nicht konstant. Die Änderung der Empfängerumgebung dagegen unterliegt keinerlei Regeln. Selbst in einem statischen Szenario kann sich die Empfängerumgebung drastisch ändern, wenn sich bspw. ein anderes Schienenfahrzeug auf einem Nachbargleis nähert. Die mittels der Balisendaten berechneten Korrekturen beinhalten nur die Effekte und Fehler zum Zeitpunkt des Passierens der jeweiligen Balise. Nach deren Passieren können sich diese Fehler und Effekte erhöhen oder reduzieren. In beiden Fällen wird die Ermittlung der aktuellen Position unter Verwendung der ”alten” Korrekturen fehlerhaft und dieser Positionsfehler wächst mit der Zeit.
  • Um den Positionsfehler auf Grund von fehlerhaften, d. h. zu „alten”, Balisenkorrekturen zu minimieren bzw. zu begrenzen werden folgende zwei Maßnahmen getroffen. Zum einen wird ein maximales erlaubtes Alter von Balisenkorrekturen, d. h. ein maximal erlaubter Zeitraum Δtmax bestimmt. Die Bestimmung dieses Alters entspricht etwa dem Zeitpunkt, ab wann der geschätzte Fehler der korrigierten Positionslösung P0(t) gleich oder größer dem geschätzten Fehler der nicht korrigierten Positionslösung P1(t) ist. Dieser hängt von der Tageszeit, dem Wetterverhältnissen und der Umgebung der jeweiligen Balisenposition ab und kann für jedes Szenario vorher bestimmt und für jede Balise hinterlegt werden oder unter „worst-case”-Annahmen für alle Balisen einheitlich festgelegt werden.
  • Zum anderen, kann die Positionierung der Balisen unter den Gesichtspunkten der geforderten topographischen Positionsgenauigkeit optimiert werden. Im Schienenverkehr erfolgt die Positionierung innerhalb einer Karte bzw. wird die ermittelte Position meistens auf ein Schienennetz projiziert. Deshalb ist es wichtig, die Positionslösung vor allem an topographisch wichtigen Punkten genau zu kennen, damit eindeutige Zuordnung zu einem Gleis getroffen werden kann. An solchen Streckenabschnitte (z. B.: parallel Gleise) muss die Balisendichte hoch sein, wobei bei anderen (z. B.: lange Abschnitte mit nur einem Gleis) die Balisendichte gering sein kann. Der maximal erlaubte Positionsfehler Emax ergibt sich bspw. aus den vorhanden Gleisabständen zu Parallelgleisen und bestimmt somit die genaue Dichte der Balisen entlang der Schienentrasse.
  • 1 zeigt ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Vorgeben eines maximal erlaubten Positionsfehlers Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems, das: auf dem Schienenfahrzeug angeordnet ist, eine GNSS-Einheit zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten aufweist, einen Balisen-Empfänger aufweist, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert, und bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten bestimmt: P0(t) = P0(P1(t), BD). In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Bereitstellen von Topographiedaten TP zu der Schienentrasse. In einem dritten Schritt 103 erfolgt ein Bereitstellen von Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse. In einem vierten Schritt 104 erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein Ermitteln eines maximal erlaubten Zeitraums: Δtmax = Δtmax(Emax), der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird. In einem fünften Schritt 105 erfolgt auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells Ermitteln des Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll (Δtmax(Emax), TP, DA). In einem sechsten Schritt 106 wird der ermittelte Soll-Abstand Dsoll ausgegeben.
  • 2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise, umfassend: ein erstes Mittel 201, mit dem maximal erlaubter Positionsfehler Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems bereitgestellt wird, das: auf dem Schienenfahrzeug angeordnet ist, eine GNSS-Einheit zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten aufweist, einen Balisen-Empfänger aufweist, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert, und bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten bestimmt: P0(t) = P0(P1(t), BD); ein zweites Mittel 202, mit dem Topographiedaten TP zu der Schienentrasse bereitgestellt werden; ein drittes Mittel 203, mit dem Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse; ein viertes Mittel 204, mit dem auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein maximal erlaubter Zeitraum: Δtmax = Δtmax(Emax) ermittelt wird, der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird; ein fünftes Mittel 205, mit dem auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells der Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll (Δtmax(Emax), TP, DA) ermittelt wird; und ein sechstes Mittel 206 zur Ausgabe des Soll-Abstandes Dsoll.
  • Bezugszeichenliste
    • 101–106
    Verfahrensschritte
    201
    erstes Mittel
    202
    zweites Mittel
    203
    drittes Mittel
    204
    viertes Mittel
    205
    fünftes Mittel
    206
    sechstes Mittel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009042359 A1 [0005, 0006, 0016, 0017, 0021]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise, mit folgenden Schritten: 1.1. Vorgeben eines maximal erlaubten Positionsfehlers Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisen-gestützten Navigationssystems, das: – auf dem Schienenfahrzeug angeordnet ist, – eine GNSS-Einheit zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten aufweist, – einen Balisen-Empfänger aufweist, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert, und – bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten bestimmt: P0(t) = P0(P1(t), BD) (1), 1.2. Bereitstellen von Topographiedaten TP zu der Schienentrasse, 1.3. Bereitstellen von Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse, 1.4. auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax Ermitteln eines maximal erlaubten Zeitraums: Δtmax = Δtmax(Emax) (2), der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird, 1.5. auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells Ermitteln des Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll(Δtmax(Emax), TP, DA) (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Daten DA des Bewegungsmodells zumindest ein tageszeitabhängiges Geschwindigkeitsprofil V(x, t) des Schienenfahrzeugs angeben und der Soll-Abstand Dsoll abhängig von V(x, t) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der maximal erlaubte Zeitraum Δtmax(Emax) in Schritt 1.4. gleich oder kleiner einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt t1, der die Vorbeifahrt an der ersten Balise oder den Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten angibt, und einem nachfolgenden Zeitpunkt t2 gewählt wird, tmax(Emax) ≤ t2 – t3 (4) wobei t2 dadurch definiert ist, dass zur Zeit t2 ein geschätzter erster Positionsfehler E1(t) der aktuellen Position P0(t) gleich einem geschätzten zweiten Positionsfehler E2(t) der aktuellen ersten Position P1(t) ist: E1(t) = E2(t) (5).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Daten DA des Bewegungsmodells zumindest ein tageszeitabhängiges Geschwindigkeitsprofil V(x, t) des Schienenfahrzeugs angeben und der Soll-Abstand Dsoll abhängig von V(x, t) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in einem dem Schritt 1.5. nachfolgende Schritt auf Basis des ermittelten Soll-Abstandes Dsoll ein zweiter Ort O2 der zweiten Balise ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verfahren beginnend mit Schritt 1.1. oder 1.2. erneut durchlaufen wird, wobei der vorgegebene erste Ort O1 gleich dem zuvor ermittelten zweiten Ort O2 ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das maximale Alter tmax(Emax) der Balisendaten für alle Balisen identisch ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Topographiedaten TP einen oder mehrere der folgenden Daten umfassen: – geographischer Richtungsverlauf der Schienentrasse, – Steigung der Schienentrasse, – Kurvenradius der Schienentrasse, – Abstand zu einer oder mehreren vorhandenen parallelen Schienentrasse/n, – Positionen von Verzweigungen der Schienentrasse/Weichen, – Höhenverlauf der Schienentrasse, und/oder – Orographie der Umgebung der Schienentrasse.
  9. Verfahren zum Anordnen von Balisen entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes, bei dem Soll-Abstände zwischen benachbarten Balisen nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 8 ermittelt werden, und die Balisen entsprechend den Soll-Abständen entlang der Schienentrasse angeordnet werden.
  10. Vorrichtung zum Ermitteln eines Soll-Abstandes Dsoll zwischen einer ersten Balise, die an einem vorgegebenen ersten Ort O1 entlang einer Schienentrasse eines Schienenverkehrsnetzes angeordnet ist, und einer entlang der Schienentrasse in dem Soll-Abstand Dsoll von dem ersten Ort O1 anzuordnenden zweiten Balise, umfassend: 10.1. ein erstes Mittel (201), mit dem maximal erlaubter Positionsfehler Emax zur Bestimmung einer aktuellen Position P0(t) eines auf der Schienentrasse fahrenden Schienenfahrzeugs mittels eines GNSS-Satelliten- und Balisengestützten Navigationssystems bereitgestellt wird, das: – auf dem Schienenfahrzeug angeordnet ist, – eine GNSS-Einheit zur Ermittlung einer ersten aktuellen Position P1(t) des Schienenfahrzeugs auf Basis von empfangenen Satellitendaten mehrerer GNSS-Satelliten aufweist, – einen Balisen-Empfänger aufweist, der bei einer Vorbeifahrt an einer Balise der Schienentrasse Balisendaten BD zumindest zur exakten Ort der jeweiligen Balise empfängt und den Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der jeweiligen Balise der Schienentrasse registriert, und – bis zur Vorbeifahrt an der nächsten entlang der Schienentrasse angeordneten Balise die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten bestimmt: P0(t) = P0(P1(t), BD) (1), 10.2. ein zweites Mittel (202), mit dem Topographiedaten TP zu der Schienentrasse bereitgestellt werden, 10.3. ein drittes Mittel (203), mit dem Daten DA eines mathematischen Bewegungsmodells für das auf der Schienentrasse eingesetzte zumindest eine Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, wobei die Daten zumindest ein auf der Schienentrasse zugelassenes Geschwindigkeitsprofil V(x) für das Schienenfahrzeugs angeben, mit x: Längskoordinate entlang der Schienentrasse, 10.4. ein viertes Mittel (204), mit dem auf Basis des maximal erlaubten Positionsfehlers Emax ein maximal erlaubter Zeitraum: Δtmax = Δtmax(Emax) (2), ermittelt wird, der seit der Vorbeifahrt an der ersten Balise oder dem Empfang der von dieser ausgesandten Balisendaten vergehen darf, um die aktuelle Position P0(t) durch eine Korrektur der ersten aktuellen Position P1(t) auf Basis der empfangenen Balisendaten zu korrigieren, ohne dass der Positionsfehler Emax überschritten wird, 10.5. ein fünftes Mittel (205), mit dem auf Basis des maximal erlaubten Zeitraums Δtmax(Emax), der Topographiedaten TP und der Daten des Bewegungsmodells der Soll-Abstandes Dsoll: Dsoll = Dsoll (Δtmax(Emax), TP, DA) (3) ermittelt wird.
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