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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs innerhalb eines Schienennetzes.
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Für die mehr und mehr automatisierte Schienenfahrzeugsteuerung und zur Vermeidung von Kollisionen in Schienennetzen ist es von großem Vorteil, Züge innerhalb eines Streckennetzes gleisselektiv lokalisieren zu können. Dabei bedeutet Gleisselektivität die korrekte Bestimmung des befahrenen Gleises bei mehreren parallel zueinander verlaufenden Gleisen, beispielsweise nach einer Weichenüberfahrt.
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Es ist bekannt, die Lokalisierung von Schienenfahrzeugen über sogenannte Balisen, d. h. infrastrukturerfordernde bzw. -abhängige Markierungen, oder über GPS zu realisieren. Die Installation von Balisen ist mit relativ hohen Kosten verbunden. Die Dichte bereits existierender Balisen in Schienennetzen ist darüber hinaus viel zu gering, als dass sich Züge gleisselektiv lokalisieren lassen könnten. Ferner sind nicht alle Schienenfahrzeuge mit einem Balisen-Lesegerät ausgestattet. GPS-Ortung ist grundsätzlich als Alternative in Betracht zu ziehen; teilweise ist die GPS-Verfügbarkeit aber nur mangelhaft, wie beispielsweise in Tunneln, Wäldern oder in anderen durch Abschattungen beeinträchtigten Bereichen. Außerdem ist die GPS-Ortungsgenauigkeit nicht ausreichend für eine gleisselektive Lokalisierung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur insbesondere gleisselektiven Lokalisierung von Schienenfahrzeugen in einem Schienennetz anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs innerhalb eines Schienennetzes, das durch mindestens einen sich ortsabhängig verändernden physikalischen Parameter charakterisiert ist, dem ein Schienenfahrzeug während einer Referenzbefahrung des Schienennetzes ausgesetzt und der als Referenzsignal gespeichert ist vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- – ein zu lokalisierendes Schienenfahrzeug eine Strecke des Schienennetzes befährt,
- – mindestens ein auf das Schienenfahrzeug während der Befahrung der Strecke wirkender, sich ortsabhängig verändernder physikalischer Parameter ermittelt wird,
- – ein Zeitabschnitt des aktuell ermittelten Ist-Signals des mindestens einen physikalischen Parameters ausgewählt wird und mit bezüglich der Größe (wie z. B. ein- oder mehrdimensionale Beschleunigungen, insbesondere Beschleunigungen in Z-, d. h. Vertikalrichtung, in Form von Vibrationen; Schall- bzw. Druckwellen-; Drehraten- (d. h. Gier- bzw. Seitenneigungsraten-); Magnetfeld; Umgebungsbildinformationen; Luftdruck (Tunneleinfahrten, Höhenprofile); Impedanzveränderungen einer Spule im Wechselfeld (Wirbelstromsensor)) dieses Zeitabschnitts im Wesentlichen gleichen Zeitabschnitten des das Schienennetz charakterisierenden Referenzsignals verglichen wird und
- – derjenige Streckenabschnitt des Schienennetzes, dessen zugehöriger Zeitabschnitt des Referenzsignals im größten Ausmaß mit dem ausgewählten Zeitabschnitt des Ist-Signals übereinstimmt, als Streckenabschnitt angenommen wird, dem der ausgewählte Zeitabschnitt des Ist-Signals zugeordnet ist.
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Der erfindungsgemäße Gedanke basiert darauf, den aktuell gemessenen, eine physikalische Größe repräsentierenden Parameter, der durch das zu lokalisierende Schienenfahrzeug bzw. durch den zu lokalisierenden Zug aufgezeichnet werden, mit früheren (gespeicherten), aufgezeichneten Parametersignalen bzw. die bei einer Referenzbefahrung des Schienennetzes ermittelt wurden, korreliert werden. Die Erfindung macht sich also die Erkenntnis zunutze, dass jede Strecke eines Schienennetzes einen individuellen ”Fingerabdruck” besitzt (z. B. drei Schläge kurz vor einer Tunneleinfahrt oder Brückenüberfahrt). Dazu wird mindestens ein Signal mittels mindestens eines für die jeweils interessierende physikalische Größe geeigneten Sensors aufgezeichnet, der/die sich am/im Schienenfahrzeug befindet/befinden. Dieses Signal wird mit gespeicherten Signalen, die aus der Referenzbefahrung stammen, korreliert. Dort, wo das Signal, das von dem zu lokalisierenden Schienenfahrzeug aktuell gemessen worden ist, am besten ”passt”, befindet sich der Zug bzw. das Schienenfahrzeug.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Beispiels der Beschleunigung als die physikalische Größe repräsentierender Parameter beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass die Beschleunigung ein- oder mehrdimensional als Gierratenoder Linearbeschleunigung betrachtet wird. Vorzugsweise wird eine eindimen- sionale Vertikalbeschleunigung, also auf das Schienenfahrzeug bzw. das Referenzfahrzeug wirkende Vibrationen betrachtet.
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Im Regelfall handelt es sich bei dem Abschnitt des aktuell gemessenen Ist-Beschleunigungssignals, das mit dem Referenz-Beschleunigungssignal korreliert bzw. verglichen wird, um das zuletzt gemessene Beschleunigungssignal. Der betreffende Abschnitt, der untersucht wird, umfasst eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten (samples), und zwar beispielsweise Abtastwerte, die eine Schienenstrecke von einigen Metern bis einigen km (z. B. 1 km bis 10 km) repräsentieren. Damit handelt es sich bei dem Abschnitt des Beschleunigungssignals um einen Messvektor mit einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten, d. h. einer bestimmten Länge im Ortsbereich.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Korrelation bzw. dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vergleich eines Abschnitts des Ist-Beschleunigungssignals mit entsprechenden, gleich langen Abschnitten des Referenz-Beschleunigungssignals ist ferner zu beachten, dass die Geschwindigkeiten, bei denen das aktuelle Beschleunigungssignal und das Referenz-Beschleunigungssignal gemessen werden bzw. wurden, im Wesentlichen gleich sein sollten. Sofern dies nicht der Fall ist, bedarf es einer Transformation des einen Signals bzw. beider Signale, so dass das transformierte Signal und das nicht transformierte andere Beschleunigungssignal für im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit gelten bzw. beide transformierte Signale geschwindigkeitsunabhängig sind.
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Bei dem Fahrzeug, mit dem die Referenzbefahrung erfolgte, muss es sich nicht notwendigerweise um das zu lokalisierende Schienenfahrzeug handeln. Für die Vergleichbarkeit des aktuell gemessenen Beschleunigungssignals mit dem Referenz-Beschleunigungssignal ist allerdings eine Identität der Schienenfahrzeuge oder der gleiche Typ von Schienenfahrzeugen von Vorteil. Es ist aber auch möglich, dass die Referenzbefahrung mit einem Schienenfahrzeug erfolgte, das baugleich mit dem zu lokalisierenden Schienenfahrzeug oder vom gleichen Typ wie das zu lokalisierende Schienenfahrzeug ist. So könnte man beispielsweise Schienenfahrzeuge ein und derselben Baureihe dadurch lokalisieren, dass man ihre aufgezeichneten Beschleunigungssignale mit einem Referenz-Beschleunigungssignal vergleicht, das von einem Schienenfahrzeug dieser Baureihe aufgenommen und aufgezeichnet wurde.
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Aber auch die Verwendung unterschiedlicher Fahrzeuge für die Referenzbefahrung und die spätere Lokalisierung ist möglich. Wichtig dabei ist, dass die Übertragungsfunktionen (zwischen dem Kontakt des Schienenfahrzeugs mit der Schiene und dem Beschleunigungssensor) für beide Fahrzeuge bekannt sind. Mit anderen Worten müssten also die Sprungantworten beider Schienenfahrzeuge bekannt sein. Dann kann durch eine Transformation der Übertragungsfunktionen wiederum ein Vergleich des gemessenen Beschleunigungssignals mit dem Referenz-Beschleunigungssignal erfolgen, um den zu lokalisierenden Zug orten zu können.
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Ausgangspunkt für die erfindungsgemäßen Betrachtungen ist die Befahrung einer Schienenstrecke mithilfe eines Schienenfahrzeugs, das eine IMU zur Ermittlung insbesondere von Vibrationen bzw. Beschleunigungen in Z-Richtung mitführt. Diese Befahrung erfolgt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Messwerte bzw. allgemein die Messung wird einer Spektralanalyse der Z-Beschleunigung als Funktion der Geschwindigkeit unterzogen. Hierzu unterteilt man die Messfahrt bzw. die Messung in einzelne Abschnitte einer bestimmten Länge (bei einer vorgegebenen Aufzeichnungsrate) und führt anschließend mit diesen Daten eine Leistungsdichteschätzung durch, womit man die sogenannte PSD (Power Spectral Density) erhält. Sortiert man die so erzeugten PSDs nach der in dem jeweils betrachteten Abschnitt herrschenden Geschwindigkeit v und mittelt dann die PSDs eines Geschwindigkeitsbereichs zu einem mittleren PSD (v), so ergibt sich die Situation gemäß Diagramm der Zeichnung. Dort sind mit 10 geschwindigkeitsunabhängige Spektrallinien und mit 20, 22, 24 bzw. 26 geschwindigkeitsabhängige Spektrallinien zu sehen. Die Spektrallinien bei 12 sind auf die Geometrie des Schienenfahrzeugs (beispielsweise wegen dessen Radabstands) zurückzuführende Spektrallinien bezeichnet. Auf sehr langsame Bewegungen des Schienenfahrzeugs (z. B. in Folge von Kurvenüberhöhungen (Rollen), Berg- und Talfahrtübergängen (Nicken) und Veränderungen der Erdbeschleunigung) zurückzuführende Spektrallinien sind bei 14 eingezeichnet.
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In dem Diagramm erkennt man, dass die Spektrallinien geschwindigkeitsabhängig und geschwindigkeitsunabhängig sein können.
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Geschwindigkeitsunabhängige Effekte
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Man erkennt bei 10 mehrere Spektrallinien (in diesem Beispiel etwa bei 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz und 44 Hz), die nicht von der Geschwindigkeit abhängen; sie verlaufen nämlich senkrecht. Diese Spektrallinien sind auf die Motordrehzahl sowie Vielfache der Motordrehzahl zurückzuführen. Diese Spektrallinien und die sie charakterisierenden Frequenzen müssen herausgefiltert werden.
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Geschwindigkeitsabhängige Effekte
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Ferner erkennt man bei 12 Spektrallinien, die durch den Ursprung verlaufen. Diese Spektrallinien 12 sind offensichtlich von der Geschwindigkeit abhängig. Es sei näherungsweise davon ausgegangen, dass es keinen Offset zum Ursprung gibt. Die niedrigste, geschwindigkeitsabhängige Spektrallinie 12 verläuft durch den Ursprung und durch den Punkt (in diesem Ausführungsbeispiel) von 3,6 Hz, 140 km/h. Dieses lässt auf einen geometrischen Abstand der mechanischen Gegebenheiten von etwa 4,6 m schließen. Die Testfahrten, die dem grob in der Zeichnung angegebenen Spektralanalysediagramm zugrunde liegen, wurden mit einem Schienenfahrzeug durchgeführt, dessen Triebkopf ein Paar Radachsen mit einem Achsabstand von D = 4,7 m aufwies. Somit werden also Unebenheiten auf der Schiene in diesem Abstand periodisch in die gemessenen Vibrationen eingespeist. Derartige auf die geometrische Beschaffenheit der Schnittstelle zwischen den Laufrädern und der Schienen zurückzuführende Effekte müssen ebenfalls herausgefiltert werden.
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Die Spektrallinien 12 bilden den für die vorliegende Erfindung interessanten Bereich der Spektralanalyse gemäß 1 zur Lokalisierung des Schienenfahrzeugs, und zwar wegen der Abhängigkeit der ortsbasierten Merkmale des Schienennetzes von den Achsen, dem Radabstand und/oder der Geschwindigkeit.
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Als Folge weiterer geschwindigkeitsabhängiger Effekte sind die Spektrallinien 14 erkennbar. Diese Linien entsprechen Signalanteilen in den Vibrationen, die auf sehr kleine Frequenzen zurückzuführen sind, also sehr langsame Bewegungen des Zuges repräsentieren. Derartige sehr langsame Bewegungen (sogenannte DC-nahe Effekte) entstehen in Folge von Kurvenüberhöhungen und Neigungen des Zuges bei sich verändernden Anstiegen bzw. Abfällen der Schiene, wie es beispielsweise zu Beginn einer Berg- oder Talfahrt anzutreffen ist. Die Spektrallinien 14 liegen somit dicht an der Y-Achse des Koordinatenkreuzes gemäß 1.
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Die Spektrallinien 20, 22, 24 und 26 des Diagramms der Zeichnung sind abhängig von der Geschwindigkeit und dem Radumfang. Der Zusammenhang ist gegeben durch v = 3,6·d·Pi·fn/n, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h ist, d der Raddurchmesser ist, Pi die Kreiskonstante ist, fn die Frequenz der n-ten Spektrallinie ist (f1 für Spektrallinie 20, f2 für Spektrallinie 22, f3 für Spektrallinie 24 und f4 für Spektrallinie 26) und n das Vielfache der Grundschwingung (Oberwelle Nummer n – 1) ist.
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Die für die Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte lassen sich also wie folgt zusammenfassen:
- 1. Es erfolgt eine Referenzbefahrung, bei der ein Beschleunigungssignal gespeichert wird. Die Referenzsignalaufzeichnung beschreibt damit die bekannten Gleise und Streckenpositionen.
- 2. Es kann eine optionale Signalvorverarbeitung erfolgen.
- 3. In einer weiteren Überfahrt, nämlich mit dem zu lokalisierenden Schienenfahrzeug, wird vorzugsweise dann mittels Korrelationsverfahren zwischen dem aufgezeichneten und aktuellen Signal ein Maximum gesucht.
- 4. Auch hier kann eine optionale Signalbearbeitung, nämlich eine Signalnachbearbeitung, erfolgen.
- 5. Das ”örtliche”, d. h. das einen Ort identifizierende Maximum der oben erwähnten Ereignisfunktion bezeichnet den wahrscheinlichsten Aufenthaltsort (Gleis und Streckenposition) des zu lokalisierenden Schienenfahrzeugs.
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Allgemein sei zur Erfindung noch anzumerken, dass es für die Lokalisierung eines Fahrzeugs von Vorteil ist, wenn die Position des Fahrzeugs in gewissen Grenzen bekannt ist. Man kann dann ein lokales Maximum ”tracken” (tracking modus), d. h. man kann das jeweils größte Ausmaß an Übereinstimmung nachverfolgen, wodurch ein reduzierter Prozessierungsaufwand entsteht, wobei allerdings die Sprungantworten des zu lokalisierenden Fahrzeugs und des Referenzfahrzeugs bekannt und insoweit vergleichbar bzw. gleich sein sollten.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Vergleich des ausgewählten Abschnitts des Ist-Beschleunigungssignals mit den Abschnitten des Referenz-Beschleunigungssignals durch Anwendung einer Korrelationsfunktion erfolgt, deren Ergebnis auf ein (lokales) Maximum untersucht wird, wobei derjenige Abschnitt des Referenz-Beschleunigungssignals, bei dem die Korrelationsfunktion ihr Maximum aufweist, demjenigen Streckenabschnitt zugeordnet ist, der wiederum dem ausgewählten Abschnitt des Ist-Beschleunigungssignals zugeordnet ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Referenz-Beschleunigungssignal und das Ist-Beschleunigungssignal zur Ausblendung von auf Vibrationen von Antriebseinheiten des für die Referenzbefahrung verwendeten und/oder des aktuell zu lokalisierenden Schienenfahrzeugs zurückzuführenden Störungen jeweils gefiltert werden, und zwar z. B. mittels eines Hochpass- oder eines Bandpassfilter (Bandsperren). Diese insbesondere im Zeitbereich erfolgende Vorfilterung von DC-Anteilen und Motor-Vibrationen durch geeignete Filter (z. B. Bandpassfilter von z. B. 3,2 Hz bis 30 Hz) oder durch andere geeignete Filter können Hochpassfilter oder Bandsperren auf die Motorfrequenz darstellen.
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Ferner ist es zweckmäßig dass das Referenz-Beschleunigungssignal und das Ist-Beschleunigungssignal vom Zeitbereich in den Ortsbereich transformiert wird, z. B. durch eine Fourier- oder Laplace-Transformation oder durch eine nichtlineare Interpolationsfunktion, wobei mögliche Quellen Wegvektor, GPS, Doppler, Geschwindigkeit, Odometer oder Accelerometer sein können. Hier eignet sich also eine Ortsabtastung. Da nämlich die Signaturen ortsbasiert sind und somit bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschiedene Zeitsignale generieren, ist es vorteilhaft, eine Transformation von der Zeit in den Ortsbereich vorzunehmen. Hier ist insbesondere die Interpolation zu nennen, wie nachfolgend angegeben: A(s) = interp1(t, A(t), s(t))
- A(s)
- ist das ortsabgetastete Signal
- t
- ist der Zeitvektor
- A(t)
- ist das Zeitsignal
- s(t)
- ist der Wegvektor abhängig von der Zeit
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Mögliche Quellen für den Wegvektor sind GPS, Odometer bzw. Accelerometer. Durch die Transformation vom Zeit- in den Ortsbereich wird die Geschwindigkeitsabhängigkeit, d. h. geschwindigkeitsunabhängige Störeffekte, größtenteils eliminiert. Andere Störeffekte werden zuvor herausgefiltert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Referenz-Beschleunigungssignal und/oder das Ist-Beschleunigungssignal durch Extraktion der die Beschleunigungsinformation tragenden Frequenz gefiltert wird. Diese Nachfilterung mit einem Filter, wie z. B. Bandpassfilter, Kammsperrfilter oder Tiefpassfilter werden zur Extraktion der die wesentlichen Informationen tragenden Frequenzen aus dem Beschleunigungssignal Störungen herausgefiltert.
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Schließlich ist es auch möglich, dass das Referenz-Beschleunigungssignal und das Ist-Beschleunigungssignal einer Filterung durch ein den Abstand der Radachsen des jeweiligen Schienenfahrzeugs repräsentierendes Optimalfilter (Matched Filter) unterzogen wird, und zwar insbesondere durch ein Doppel-Delta-Impuls-Filter oder ein die Zeitinverse der Impulsantwort des jeweiligen Schienenfahrzeugs repräsentierendes Optimalfilter (Matched Filter). Betrachtet man das Systemmodell, in dem ein Zug über eine Strecke angelenkt wird, kann ein Matched Filter verwendet werden, um die durch den Zug verteilte Signalenergie aufzukonzentrieren. Ein einfaches Matched Filter kann ein Doppel-Delta-Impuls-Filter sein, das den Abstand der Radachsen des Drehgestells, an dem der Beschleunigungssensor angebracht ist, repräsentiert. Ein ideales Matched Filter wäre die Zeitinverse der Impulsantwort des Schienenfahrzeuges.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung des Referenz-Beschleunigungssignals und/oder des Ist-Beschleunigungssignals von einer Ortsaufzeichnung durch GPS und/oder einer Zeitserie einer Beschleunigung z. B. in X-, Y- und/oder Z-Richtung oder einer Kombination davon begleitet wird. Hier wird vorgeschlagen, die Signalaufzeichnung durch die GPS-Position und eine Zeitserie einer Beschleunigung z. B. in Richtung X, Y, Z oder einer Kombination davon zu begleiten.
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Ferner ist es bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass bei Anwendung einer Korrelation ein einem Abschnitt aus der Vergangenheit entsprechender Beschleunigungsvektor mit gespeicherten Hypothesen über den dem Abschnitt potentiell entsprechenden Streckenabschnitt korreliert wird, wobei ein großer Korrelationswert eine gute Übereinstimmung der zugehörigen Hypothese mit dem betrachteten Abschnitt anzeigt. Hierzu wird beispielsweise ein Vektor bestimmter Länge (z. B. einige Meter bis einige Kilometer) vorzugsweise jüngster Vergangenheit mit gespeicherten Hypothesen korreliert. Ein hoher Korrelationswert zeigt an, dass eine gute Übereinstimmung existiert, womit die Lage des Vektors innerhalb des Referenz-Beschleunigungssignals den wahrscheinlichen Aufenthaltsort des Schienenfahrzeuges im Schienennetz angibt.
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Eine weitere optionale Nachverarbeitung des Messsignals (und auch des Referenzsignals) kann dadurch gegeben sein, dass von dem Referenz-Beschleunigungssignal und dem Ist-Beschleunigungssignal jeweils die Einhüllende ermittelt wird, und zwar z. B. durch eine Hilberttransformation, und dass der Vergleich und, sofern vorgesehen, die Korrelation anhand der Hüllkurven erfolgt/erfolgen. Diese Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Bildung der Einhüllenden des betreffenden Signals. Da das Beschleunigungssignal durchaus Phaseninformationen enthält, empfiehlt sich die Bestimmung der Hüllkurve bzw. Einhüllenden, durch z. B. eine Hilberttransformation. Diese Phaseninformation ist bei der Korrelation nachteilig und wird durch die Betragsbildung entfernt. Damit ist das Signal frei von Phaseninformationen, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren praktikabler und robuster wird.
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Eine weitere optionale Nachverarbeitung kann dadurch gegeben sein, dass das Ist-Beschleunigungssignal differenziert wird oder dass das jeweils gefilterte Beschleunigungssignal das Ist-Beschleunigungssignal wiederum einer Tiefpassfilterung unterzogen und das so gefilterte Signal vom jeweiligen Ist-Beschleunigungssignal abgezogen wird. Das gemessen Beschleunigungssignal weist einen gewissen Trend auf, der die Auswertung (korrekte Bestimmung des Korrelationsmaximums) behindert. Dieser Trend kann entfernt werden, indem das Signal differenziert wird. Dieser Trend kann ferner dadurch entfernt werden, indem man durch ein Tiefpassfilter ein Signal bestimmt und dieses Signal wiederum vom Ursprungssignal abgezogen wird.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Detektion (Ermittlung) der des Gleises sowie der Streckenposition des zu lokalisierenden Schienenfahrzeuges bzw. Zuges kann beispielsweise auf eine der drei nachfolgend aufgeführten Arten und Weisen erfolgen:
- a) direkte Bestimmung der Position, in dem das Maximum der Ergebnisposition bestimmt und damit an der Stelle, wo sich das Maximum befindet, die Position abgelesen werden kann;
- b) aus der Ergebnisfunktion kann eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion abgeleitet bzw. erzeugt werden, die in einem Lokalisierungsfilter (z. B. Partikel Filter zur Positionsbestimmung) zur Lokalisierung verwendet werden kann (Likelihoodfunktion);
- c) durch eine ”Space Locked Loop”-Signalvorbereitung, wobei mit ”Space Locked Loop (SLL)” eine Bezeichnung in Anlehnung an die Funktionsweise einer DLL (Delay Locked Loop) bei Satellitennavigationsempfängern gewählt ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene SLL arbeitet im Ortsbereich (Space). Ein Signalreplikat wird jeweils künstlich erzeugt und ist ein zu erwartendes Signal an einer bestimmten Position. Ein Generator erzeugt zwei Signalreplikate, nämlich ein frühes, etwas voreilendes (early) Signalreplikat, und ein spätes, etwas nacheilendes (late) Signalreplikat. Die aus der Ergebnisfunktion abgeleitete aktuelle Position des Zuges bzw. Schienenfahrzeuges befindet sich dabei in der Mitte der beiden Positionen für die Signalreplikate. Beide generierten Signale (oder Funktionen) werden nun über jeweils einen Korrelator mit der Ergebnisfunktion korreliert und anschließend wird die Differenz der Ergebnisse gebildet. Dieses Ergebnis wird gefiltert und ein nachgeschalteter digitaler Regler versucht, dieses Ergebnis zu null zu regeln, indem die Positionen der vor- und nacheilenden Signalreplikate verschoben werden. Mit diesem Verfahren kann die gesuchte Position (zwischen vor- und nacheilender Position) gefunden und über die Zeit verfolgt werden. Bei der SLL wird also an einer durch Korrelation ermittelten hypothetischen Position ein vor- und ein nacheilendes Signal erzeugt und jeweils multipliziert sowie integriert. Anschließend wird die Differenz gebildet und geeignet gefiltert. Damit lässt sich die aktuelle (hypothetische) Position des Zuges bzw. Schienenfahrzeuges nachverfolgen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Unabhängigkeit von anderen Messungen.
- 2. Sofern das Schienenfahrzeug bereits über eine sogenannte Inertial Measurement Unit (IMU), also über eine Inertial-Beschleunigungssensorik verfügt, ist das erfindungsgemäße Verfahren sozusagen ohne zusätzliche Hardware-Kosten implementierbar.
- 3. Robuste Messungen: das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch in Tunnels, ohne Funk und abhängig von äußeren Witterungseinflüssen.
- 4. Das Verfahren ist mit geringem Aufbau implementierbar (beispielsweise kann das Messgerät mit einem Kabelbinder an der Lok montiert werden, wie es z. B. bei Testfahrten erfolgte).
- 5. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weitestgehend unabhängig von dem Montageort der Sensorik am Schienenfahrzeug.
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Eine mögliche Ausführung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann lediglich ein Smartphone erforderlich machen, das z. B. mit einem Saugnapf oder Ähnlichem an der Scheibe eines Zuges bzw. Schienenfahrzeuges befestigt wird.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielsweise als Stand-Alone Lokalisierungssystem für Züge denkbar. Eine Ergänzung zu bordautonomen Lokalisierungssystemen für Schienenfahrzeuge ist ebenfalls eine mögliche Realisierung und Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für autonom fahrende Züge, ferngesteuerte Züge und/oder Antikollisionssysteme für Züge.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lokalisierung von Zügen bzw. Schienenfahrzeugen wurde vorstehend in seiner Applikation durch Nutzung von Erkenntnissen und Charakteristika eines Schienennetzes als Folge von Beschleunigungsmessungen beschrieben. Es ist aber ebenfalls denkbar (und wird insoweit von der Erfindung ebenfalls umfasst), dass andere Messungen dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde gelegt werden. Als Beispiele seien hier genannt:
- – Aufzeichnung von Schallwellen (Schallwellenmessungen) z. B. mittels Mikrofon,
- – Drehratenmessungen,
- – Magnetfeldmessungen,
- – Bildinformationsauswertungen,
- – Luftdruckmessungen (Tunneleinfahrten, Höhenprofilen), und
- – Impedanzveränderungen einer Spule mit Wechselfeld (Wirbelstromsensor).
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Als Verallgemeinerung der Erfindung sei daher hiermit darauf hingewiesen, dass anstelle von auf ein Schienenfahrzeug bei Befahrung eines Schienennetzes wirkenden Beschleunigungen ein oder mehrere andere Parameter gewählt werden können, der/die für einen Ort des Schienennetzes, an dem sich das Schienenfahrzeug gerade befindet, charakteristisch ist bzw. sind und der/die insbesondere messtechnisch erfasst und für spätere Lokalisierungen von Schienenfahrzeugen abgelegt wird/werden.
