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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung bei einem mittels streckenseitiger Access Points funkzugbeeinflussten Schienenfahrzeug sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
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Moderne Zugbeeinflussungssysteme für Light Rail Trains und Metros basieren auf einem CBTC – Communication Based Train Control – System, bei dem für die Datenkommunikation ein funkbasiertes Übertragungssystem, typischerweise WLAN nach IEEE 802.11, verwendet wird. Dabei sind streckenseitig stationäre Sende- und Empfangseinrichtungen, die als Access Points bezeichnet werden, und fahrzeugseitige Sende/Empfangseinrichtungen vorgesehen.
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Um den Abstand zwischen zwei Zügen auf ein sicheres Minimum zu regulieren, werden in kurzen Zeitabständen Daten zur aktuellen Position, Geschwindigkeit sowie andere Daten von dem Schienenfahrzeug an den nächsten Access Point gesendet. Diese Daten werden von den Access Points an eine Zentrale weitergeleitet, welche daraus unter anderem Ansteuersignale für Streckenelemente, beispielsweise Balisen, Weichen, Signale und Bahnübergänge, sowie Vorgaben für die einzelnen Schienenfahrzeuge ableitet. Die Vorgaben für die Schienenfahrzeuge betreffen insbesondere Geschwindigkeits- oder Fahrkurvendaten, welche üblicherweise über Balisen und/oder Access Points an die Schienenfahrzeuge übertragen werden. Die Zentrale benötigt dazu die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs in sehr engen Toleranzgrenzen.
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Zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung werden üblicherweise in Abständen signaltechnisch sicher erfassbare Positionsdaten als Referenzpunkte verwendet, zwischen denen signaltechnisch nicht sichere Bewegungssensoren, zum Beispiel Odometer oder Dopplerradar, eingesetzt werden. Folgende Streckenelemente werden häufig zur Positionsdatenerfassung der Referenzpunkte verwendet:
- – Ortsmarkierungen, zum Beispiel Balisen oder Transponder ( DE 32 00 811 A1 ),
- – Koppelspulen ( DE 31 06 629 C2 ),
- – Gleismagnete,
- – Linienleiterschleifen ( EP 0 593 910 A1 ),
- – Einspeisepunkte von Gleisstromkreisen ( WO 96/16857 A1 ) sowie
- – Weichen im Zusammenwirken mit fahrzeugseitigen Wirbelstromsensoren.
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Die Abstände zwischen den sehr genau ermittelbaren Referenzpunkten sind jedoch häufig derart groß, dass der Messfehler zwischen den Referenzpunkten die Toleranzgrenze überschreiten kann. Nachteilig ist darüber hinaus vor allem die Unterschiedlichkeit der als Referenzpunkte fungierenden Streckenelemente, so dass je nach vorhandener Streckenausrüstung sehr unterschiedliche und teilweise aufwendige Messverfahren verwendet werden müssen. Um die erforderliche Genauigkeit der absoluten Positionsdaten, die als Referenzpunkte für die Zwischeninterpolation dienen, zu erreichen, werden gemäß der
EP 1 300 316 B1 zwei verschiedene Messverfahren und gemäß der
DE 195 32 104 C2 sogar drei verschiedene Messverfahren miteinander korreliert.
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Zur kontinuierlichen Ermittlung der absoluten Position des Schienenfahrzeuges, bei der eine Interpolation zwischen Referenzpunkten nicht erforderlich ist, ist die Verwendung satellitengestützter Verfahren bekannt, wie beispielsweise in der
US 5,129,605 beschrieben. Die erreichbare Genauigkeit ist jedoch begrenzt und häufig nicht ausreichend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art anzugeben, die in geringeren und gleichmäßigeren Abständen eine sehr genaue Positionsdatenerfassung ermöglichen.
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Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Positionen der Access Points sensorisch detektiert werden.
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Die Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 6 dadurch gelöst, dass das Schienenfahrzeug mindestens eine mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung verbundene Sende-/Empfangseinrichtung zur Detektion der Positionen der Access Points aufweist.
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Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Access Points in geringen und annähernd gleichmäßigen Abständen von üblicherweise 200 m bis 300 m entlang der Strecke installiert sind. Damit ergibt sich zum Beispiel gegenüber typischen Balisenabständen eine häufigere und äquidistantere Positionsdatenerfassung für das Schienenfahrzeug. Außerdem ist eine sehr effiziente Implementierung unter Nutzung vorhandener Infrastruktur möglich. Die Positionen der Access Points sind sehr genau bekannt. Zusätzliche Referenzpunkte herkömmlicher Art sind nicht mehr notwendig oder können entfallen. Die Access Points eignen sich hervorragend als Referenzpunkte, da deren gegenseitiger Abstand im Allgemeinen weniger als 300 m beträgt.
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Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass bei Annäherung an den nächsten Access Point eine fahrzeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung, die mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstärke/Zeit-Kurve verbunden ist, aktiviert wird, wobei ein bei Fahrzeugpassage des Access Points resultierendes Signalstärkemaximum detektiert wird. Dazu ist gemäß Anspruch 7 vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstärke/Zeit-Kurve mit einem Streckenatlas zur Positionszuordnung verbunden ist, wobei der Streckenatlas Access Point-spezifische Kennungen und/oder Parameter enthält. Da die Sende-/Empfangseinrichtungen sowohl fahrzeugseitig als auch streckenseitig üblicherweise gerichtete Antennen zur Datenkommunikation aufweisen, steigt die empfangene Signalstärke bei Annäherung an den Access Point stetig an und nach der Fahrzeugpassage steil ab. Dadurch resultiert ein deutliches Signalstärkemaximum, das mittels des Streckenatlas eine Positionsbestimmung ermöglicht. Der Streckenatlas enthält dazu die Kennungen der nacheinander folgenden Access Points, beispielsweise deren MAC-Adresse. Alternativ oder zur Plausibilisierung kann der Streckenatlas zusätzliche Parameter des Access Points enthalten. Dabei kann es sich beispielsweise um Besonderheiten der ansteigenden und/oder der abfallenden Flanke der Signalstärke/Zeit-Kurve oder um Codierungen sowie zusätzliche aufmodulierte Informationen handeln. Im Endeffekt kann, gegebenenfalls durch Datenfusion mit weiteren Navigations-Stützgrößen ein vitales und sicheres Navigationssystem realisiert werden.
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Der Streckenatlas kann gemäß Anspruch 3 auch genutzt werden, um ein Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems zu befähigen, die fahrzeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung zeitgerecht zu aktivieren. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass das Fahrzeuggerät, häufig auch On Board Unit – OBU genannt, die Position des nächsten Access Points aus dem Streckenatlas, häufig auch Track Data Base genannt, kennt und somit kurz vor dem Erreichen dieses Access Points die wiederholte punktuelle Messung der Signalstärke/Zeit-Kurve anstoßen kann. Prinzipiell ist auch eine ununterbrochene Signalstärkemessung mit einer Mindestmessrate oder quasi stetig möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch die Doppelnutzung der fahrzeugseitigen Sende/Empfangseinrichtung, deren eigentliche Funktion, nämlich zur Informationsübertragung zwischen Strecke und Schienenfahrzeug, nicht beeinträchtigt wird.
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Vorzugsweise ist gemäß Anspruch 4 vorgesehen, dass die zeitlichen Abstände der punktuellen Messungen, das heißt die Messung der Wertepaare [Signalstärke; Zeit] in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert werden. Auf diese Weise kann die geschwindigkeitsabhängige Mindestrate der Messungen, die bei hohen Geschwindigkeiten im Millisekundenbereich liegt, derart eingestellt werden, dass sich ein hinsichtlich der Lage des Signalstärkemaximums möglichst exakt auswertbarer Verlauf der Signalstärke/Zeit-Kurve ergibt.
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Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die detektierte Position zur Kalibriering odometrische Systeme verwendet wird. Der typische Driftfehler und andere Messfehler bei Odometriesystemen zur Weg- und Geschwindigkeitsermittlung werden durch die häufige und in annähernd gleichen Wegabständen erfolgende Korrektur mittels der Kalibrierung unterhalb eines Grenzwertes gehalten. Die funktechnisch ermittelte Fahrzeugposition kann dabei zumindest als Hilfsreferenzpunkt dienen, um die Fahrzeugposition mittels der Access Points möglichst oft nachzujustieren, vorausgesetzt, dass der Odometriefehler, beispielsweise durch Radschlupf beim Bremsen und Beschleunigen, größer als der Positionsfehler des Hilfsreferenzpunktes eingeschätzt werden muss. Anstelle odometrischer Messverfahren zur Geschwindigkeitsermittlung können bei analoger Betrachtungsweise auch jegliche andere Verfahren, beispielsweise mittels Dopplerradar, verwendet werden. Die Messgenauigkeit des Dopplerradars hängt dabei insbesondere von Umweltbedingungen, beispielsweise Niederschlägen, ab, so dass die Nachkalibrierung in Abhängigkeit von Umweltbedingungen mehr oder weniger häufig erfolgen muss.
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Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des das Signalstärkemaximum enthaltenden Messintervalls anhand nachfolgender Messpunkte geringerer Signalstärke ausgebildet ist.
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Dazu ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Genauigkeitsintervalls um das Signalstärkemaximum in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem zeitlichen Abstand der punktuellen Messungen ausgebildet ist. Das Messintervall entspricht dabei einem Genauigkeitsintervall, das größer ist als das eines üblichen Referenzpunktes, beispielsweise einer Balisenposition. Geht man von einem Access Point-Abstand von 200 m bis 300 m aus, ist aber spätestens am zweiten Access Point nach einem Balisen-Referenzpunkt das mittels des Access Points ermittelte Genauigkeitsintervall kleiner als das durch die Messungenauigkeit sich ständig vergrößernde Ortsintervall bei odometrischer Messung. Somit können auf der Basis von Access Points ermittelte Genauigkeitsintervalle als Hilfsreferenzpunkte dienen, so dass auf die Installation zusätzlicher, nur zur Positionsmessung vorgesehener Balisen oder anderer Positionsmesssysteme verzichtet werden kann.
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Die Genauigkeit der Positionsermittlung auf der Basis von Access Point-Positionen kann gemäß Anspruch 10 dadurch verbessert werden, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Interpolation oder Berechnung des Signalstärkemaximums anhand der Signalstärke/Zeit-Kurve ausgebildet ist. Auf diese Weise wird das Messintervall, das gemäß Anspruch 8 das Signalstärkemaximum enthält, quasi bis auf die genaue Position des Signalstärkemaximums verkleinert. Unter der Annahme, dass die ansteigende und die absteigende Flanke der Signalstärke/Zeit-Kurve nur geringfügig oder nicht gekrümmt sind, kann das Signalstärkemaximum als Schnittpunkt der beiden Graphen der ansteigenden und der abfallenden Flanke der Signalstärke/Zeit-Kurve berechnet werden. Die auf diese Weise sehr genau ermittelten Positionsdaten können nicht nur als Hilfsreferenzpunkt zwischen zwei Balisenpositionen dienen, sondern als vollwertiger Referenzpunkt, der als Stützgröße oder Wegnormale eine besonders exakte Kalibrierung ermöglicht, wodurch die odometrische Überwachung der erlaubten Geschwindigkeit und der Fahrzeugposition, insbesondere an Gefahrenpunkten, verbessert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 Funkfelder bei Vorbeifahrt an einem Access Point und
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3 einen typischen Signalstärkeverlauf des Access Point-Signals bei Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeuges.
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Die 1 und 2 veranschaulichen schematisch ein Schienenfahrzeug 1, an dessen Spitze eine Sende-/Empfangseinrichtung 2 mit einer Richtantenne angeordnet ist. Streckenseitig sind in bestimmten Abständen Access Points angeordnet, die mit Sende- und Empfangseinrichtungen 3 ausgestattet sind, welche ebenfalls Richtantennen aufweisen. Die beiden Richtantennen emittieren Funkfelder 4 und 5, welche sich bei Annäherung der Sende-/Empfangseinrichtung 2 des Schienenfahrzeuges 1 an die Sende- und Empfangseinrichtung 3 des Access Points überschneiden, wie 1 zeigt.
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Wie aus 2 ersichtlich, nimmt die Überschneidung ab einer bestimmten Position des Schienenfahrzeuges 1 nahe dem Access Point rapide ab.
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Eine typische Signalstärke/Zeit-Kurve, die an der Sende-/Empfangseinrichtung 2 des Schienenfahrzeuges 1 zumindest punktuell, das heißt als Signalstärke/Zeit-Wertepaare, registriert wird, zeigt 3. Dieser Signalstärkeverlauf wird schienenfahrzeugseitig ausgewertet, um aufgrund der bekannten Position des Access Points auf die Position des Schienenfahrzeuges 1 zu schließen. Es ist ersichtlich, dass die empfangene Signalstärke in der Nähe des Access Points stetig ansteigt und kurz bevor das Schienenfahrzeug 1 den Access Point passiert nach einem Signalstärkemaximum bei Punkt D steil abfällt. Zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeuges und zur Kalibrierung anderer Positionserfassungssysteme, beispielsweise odometrischer Systeme, die zwischen den Access Points verwendet werden, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren genutzt.
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Ein Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems kennt die Position des nächsten Access Points aus seinem Streckenatlas und stellt kurz vor dem Erreichen des Access Points an Punkt A einen Location Request mit der MAC-Adresse oder einer anderen eindeutigen Identifizierung des streckenseitigen Access Points und der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges 1 an die fahrzeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung 2. Diese „pingt“ ab Punkt B den Access Point im Abstand von Millisekunden periodisch an, um eine geschwindigkeitsabhängige Mindestrate von Messpunkten der empfangenen Signalstärke zu garantieren. Eine Mess- und Auswerteeinrichtung, die mit der fahrzeugseitigen Sende-/Empfangseinrichtung 2 verbunden ist, misst an den Punkten C und E die Signalstärke. Störeffekte, zum Beispiel Mehrwegausbreitungen und Abschattungen, können im Nahbereich des Access Points ausgeschlossen werden. An den Punkten E werden zwei aufeinander folgende Messungen mit stark fallender Signalstärke registriert, so dass zeitlich zwischen der drittletzten und der vorletzten Messung von der Vorbeifahrt der Fahrzeugspitze am Access Point bei Punkt D ausgegangen werden kann. Die Mess- und Auswerteeinrichtung ermittelt dann aus der aktuellen Geschwindigkeit und der verstrichenen Zeit seit der vorletzten Messung einen richtungsspezifischen Abstand zum Access Point-Vorbeifahrtspunkt D und aus dem Zeitintervall zwischen der drittletzten und der vorletzten Messung ein Ortsintervall für den Vorbeifahrtspunkt D. Das ermittelte Ortsintervall, auch als Location Reply bezeichnet, wird an das Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems übermittelt, wobei das Fahrzeuggerät dieses Ortsintervall zur Kalibrierung odometrischer oder anderer ungenauerer Weg- und/oder Geschwindigkeitsmesssysteme zwischen den Access Points verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3200811 A1 [0004]
- DE 3106629 C2 [0004]
- EP 0593910 A1 [0004]
- WO 96/16857 A1 [0004]
- EP 1300316 B1 [0005]
- DE 19532104 C2 [0005]
- US 5129605 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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