DE102015211084A1

DE102015211084A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeuges

Info

Publication number: DE102015211084A1
Application number: DE102015211084.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Braband; Bernhard Evers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines mit mehreren ersten Antennen (5a, 5b) ausgerüsteten Schienenfahrzeuges (2) auf einer Bahnstrecke (1), die mit mindestens einem Streckengerät (4) mit mehreren zweiten Antennen (6a, 6b) ausgerüstet ist sowie eine diesbezügliche Vorrichtung. Um höchste Genauigkeit der Positionsbestimmung des Schienenfahrzeuges (2) zu erreichen, ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass fahrzeugseitig der Winkel (α) zwischen den Funkrichtungen zu den zweiten Antennen (6a, 6b) und/oder streckenseitig der Winkel (β) zwischen den Funkrichtungen zu den ersten Antennen (5a, 5b) gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines mit mehreren ersten Antennen ausgerüsteten Schienenfahrzeuges auf einer Bahnstrecke, die mit mindestens einem Streckengerät mit mehreren zweiten Antennen ausgerüstet ist sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
Um den Abstand zwischen zwei Schienenfahrzeugen auf ein sicheres Minimum zu regulieren, müssen in kurzen Zeitabständen Daten zur aktuellen Position, Geschwindigkeit sowie andere Daten von dem Schienenfahrzeug ermittelt werden.
Diese Daten werden per Funk, beispielsweise WLAN – Wireless Local Area Network – an das Streckengerät und von diesem an eine Zentrale weitergeleitet, welche daraus u.a. Ansteuersignale für Streckenelemente, beispielsweise Signale, Weichen, Balisen und Bahnübergänge, sowie Vorgaben für die einzelnen Schienenfahrzeuge ableitet. Die Vorgaben für die Schienenfahrzeuge betreffen insbesondere Geschwindigkeits- oder Fahrkurvendaten, welche über die Streckengeräte an die Schienenfahrzeuge zurückübertragen werden. Die Zentrale benötigt dazu die aktuelle Position des Schienenfahrzeuges in sehr engen Toleranzgrenzen.
Zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung werden üblicherweise in Abständen signaltechnisch sicher erfassbare Positionsdaten als Referenzpunkte verwendet, zwischen denen signaltechnisch nicht sichere Bewegungssensoren, z.B. Odometer oder Doppler-Radar, eingesetzt werden. Folgende Streckenelemente werden häufig zur Positionsdatenerfassung der Referenzpunkte verwendet:

– Ortsmarkierungen, z.B. Balisen oder Transponder ( DE 320 08 11 A1 ),
– Koppelspulen ( DE 310 66 29 C2 ),
– Gleismagnete,
– Linienleiterschleifen ( EP 0 593 910 A1 ),
– Einspeisepunkte von Gleisstromkreisen ( WO 96/16857 A1 ) sowie
– Weichen im Zusammenwirken mit fahrzeugseitigen Wirbelstromsensoren.

Die Abstände zwischen den sehr genau zu ermittelnden Referenzpunkten sind jedoch häufig derart groß, dass der Messfehler zwischen den Referenzpunkten die Toleranzgrenze überschreiten kann. Das hat zur Folge, dass der Fahrzeugführer seine Streckenkenntnis nutzen muss, um z.B. vor einem Lichtsignal oder an einem Haltepunkt exakt zu bremsen. Bei Fahrzeugen, die automatisch, d.h. ohne Fahrzeugführer, fahren sollen, stellt dies ein Problem dar.
Nachteilig ist darüber hinaus auch die Unterschiedlichkeit der als Referenzpunkte fungierenden Streckenelemente, so dass je nach vorhandener Streckenausrüstung sehr unterschiedliche und teilweise aufwändige 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 korreliert.
Zur kontinuierlichen Ermittlung der absoluten Position des Schienenfahrzeuges, wobei 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 für automatisches Fahren nicht ausreichend.
Doppler-Radarsysteme sind, insbesondere witterungsbedingt, nur eingeschränkt funktionssicher und eine linienförmige Zugbeeinflussung – LZB – mittels Linienleiterschleifen ist nur bei wenigen Strecken vorhanden.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art anzugeben, die eine genauere Positionsdatenerfassung sowie automatisches Fahren ermöglichen.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass fahrzeugseitig der Winkel zwischen den Funkrichtungen zu den zweiten Antennen und/oder streckenseitig der Winkel zwischen den Funkrichtungen zu den ersten Antennen gemessen wird.
Die Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 6 dadurch gelöst, dass die ersten Antennen des Schienenfahrzeuges über eine erste Sende-/Empfangseinrichtung mit einer ersten Mess-/ und Auswerteeinrichtung zur Messung des Winkels zwischen den Funkrichtungen zu den zweiten Antennen verbunden sind und/oder dass die zweiten Antennen des Streckengerätes über eine zweite Sende-/Empfangseinrichtung mit einer zweiten Mess-/ und Auswerteeinrichtung zur Messung des Winkels zwischen den Funkrichtungen zu den ersten Antennen verbunden sind.
Kabellose Kommunikationssysteme neuerer Bauart bieten nicht nur die Möglichkeit, Daten zu übertragen, sondern auch den Winkel zwischen Antennenpaaren zu ermitteln. Dazu wird die Phasenverschiebung der eintreffenden elektromagnetischen Wellen mit Hilfe eines Antennenarrays ausgewertet. Damit lassen sich bisher Genauigkeiten von etwa 1˚ erreichen.
Bei Schienenfahrzeugen und Streckengeräten, die mit derartigen Systemen ausgerüstet sind, lässt sich die Position des Schienenfahrzeuges sowohl streckenseitig als auch fahrzeugseitig anhand der bekannten Position des Streckengerätes bis auf einige Zentimeter oder Dezimeter absolut genau bestimmen. Für den Fall, dass nur die Position eines Streckengerätes genau ausgemessen und damit bekannt ist, können anhand der Streckentopologie Relativpositionen ermittelt werden.
Vorteilhaft ist bei dieser Funk-Ortung insbesondere, dass eine sehr effiziente Implementierung unter Nutzung vorhandener Infrastruktur möglich ist. Die Positionen der Antennenpaare der Streckengeräte sind sehr genau bekannt oder müssen nur einmal exakt ermittelt werden. Die Antennen der Streckengeräte eignen sich hervorragend als Referenzpunkte und ermöglichen eine sichere und quasi punktgenaue Annäherung an ein Signal oder einen Haltepunkt. Dennoch ist die mittels Winkelmessung in Verbindung mit bekannten Antennenstandorten erreichbare Genauigkeit der Positionsermittlungen nicht für jede Anwendung, insbesondere nicht für automatisches Fahren, ausreichend. Für höchste Anforderungen an die Genauigkeit der Positionsermittlung wird immer noch das Einlesen von Balisenstandorten bevorzugt.
Zur Erhöhung der Genauigkeit ist deshalb gemäß Anspruch 2 vorgesehen, dass der gemessene Winkel mit einem anhand dynamischer Betriebsdaten und/oder vorangegangener Winkelmessungen prognostizierten Winkel abgeglichen wird. Durch die Berücksichtigung bekannter Betriebsdaten und/oder vorangegangener Winkelmessungen ergibt sich eine Erhöhung der Genauigkeit der gemessenen Winkel, die unmittelbar zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung des Schienenfahrzeuges führt. Dazu wird die Tatsache ausgenutzt, dass der gemessene Winkel prognostiziert werden kann und somit die Auswirkungen von Fehlmessungen reduziert werden können. Als Grundlage für die Prognose der Winkelinformationen können dynamische Betriebsdaten, wie Positionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungswerte des Schienenfahrzeuges, die unabhängig von dem kabellosen Kommunikationssystem sind, genutzt werden. Die zu erwartenden Winkel lassen sich sowohl fahrzeugseitig als auch streckenseitig prognostizieren und mit den tatsächlich gemessenen Winkeln korrelieren. Die Messungen werden dadurch geglättet, so dass letztlich die Messgenauigkeit erhöht wird. Zusätzlich können die gemessenen Winkel und die dynamischen Betriebsdaten mittels des kabellosen Kommunikationssystems wechselseitig ausgetauscht werden. Dadurch ist eine Mehrfachberechnung und die Ausnutzung unterschiedlicher Datenquellen möglich, wodurch die Genauigkeit der Winkelmessung weiter verbessert wird. Fehler, die mit der Streuung der elektromagnetischen Wellen zusammenhängen, Reflektionen, Mehrwegeausbreitungen oder messtechnisch bedingte Schwankungen der Messwerte können auf diese Weise soweit reduziert werden, dass auch automatisches Fahren möglich wird.
Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass eine Winkel-/Zeit-Kurve erfasst wird, die bei Fahrzeugpassage des Streckengerätes ein Maximum aufweist. Da die Sende-/Empfangseinrichtungen sowohl fahrzeugseitig als auch streckenseitig üblicherweise gerichtete Antennen zur Datenkommunikation aufweisen, steigt der gemessene Winkel bei Annäherung an das Streckengerät stetig an und nach der Fahrzeugpassage stetig ab. Dadurch resultiert ein deutliches Winkelmaximum.
Dieses Winkelmaximum bei Fahrzeugpassage des Streckengerätes wird gemäß Anspruch 4 verwendet, um eine fahrzeugseitige und/oder streckenseitige Aktion auszulösen. Dabei kann es sich beispielsweise um Bremskurvenüberwachung, Halten an Bahnsteigtüren, ortsabhängiges Steuern von Bahnsteigtüren oder anderer streckenseitiger Einrichtungen, Positionierung beim Be- und Entladen von Güterwagen, aber auch um die Steuerung automatischer Schienenfahrzeuge handeln. Die Kommunikationsfunktion zwischen dem Schienenfahrzeug und dem Streckengerät ermöglicht dabei gleichzeitig die Übertragung von Strecken- und Fahrzeugdaten zwischen dem Streckengerät und dem Schienenfahrzeug sowie auch die Kommunikation mit den anzusteuernden Aktoren. Die Sende-/Empfangseinrichtungen des Schienenfahrzeuges und des Streckengerätes basieren dabei gemäß Anspruch 7 vorzugsweise auf WLAN – Wireless Local Area Network-Datenübertragung.
Das Maximum der Winkel-/Zeit-Kurve bei Fahrzeugpassage des Streckengerätes kann gemäß Anspruch 5 zusätzlich oder alternativ auch verwendet werden, um anhand eines Streckenatlasses die Position des Schienenfahrzeuges festzustellen und mit diesen Positionsdaten fahrzeugseitig odometrische Systeme zu korrelieren. Der typische Driftfehler und andere Messfehler bei Odometriesystemen zur Weg- und Geschwindigkeitsermittlung werden durch die Korrektur mittels der Kalibrierung anhand des Streckengerät-Standortes unterhalb eines Grenzwertes gehalten. Anstelle odometrischer Messverfahren zur Weg- und Geschwindigkeitsermittlung zwischen den Streckengeräten können bei analoger Betrachtungsweise auch jegliche andere Verfahren, beispielsweise mittels Dopplerradar, kalibriert werden.
Im Endeffekt kann, ggf. durch Datenfusion mit weiteren Navigations-Stützgrößen, ein vitales und sicheres Navigationssystem realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer figürlichen Darstellung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch das Prinzip der Funk-Ortung.
Dargestellt sind eine Bahnstrecke 1 und ein Schienenfahrzeug 2 mit einem Fahrzeuggerät 3 sowie ein etwas abseits der Bahnstrecke 1 angeordnetes Streckengerät 4. Das Fahrzeuggerät 3 und das Streckengerät 4 sind jeweils mit einer Sende-/Empfangseinrichtung ausgestattet, so dass zwischen dem Fahrzeuggerät 3 und dem Streckengerät 4 eine WLAN-Kommunikationsverbindung herstellbar ist. Die Sende-/Empfangseinrichtung des Fahrzeuggerätes 3 ist mit zwei ersten Antennen 5a und 5b verbunden und auch die Sende-/Empfangseinrichtung des Streckengerätes 4 verfügt über zwei zweite Antennen 6a und 6b. Durch diese Doppelantennen-Ausführung lässt sich bei der Vorbeifahrt des Schienenfahrzeuges 2 an dem Streckengerät 4 fahrzeugseitig der Winkel α zwischen den Funkrichtungen zu den beiden zweiten Antennen 6a und 6b des Streckengerätes 4 ermitteln. In umgekehrter Richtung kann gleichzeitig der Winkel β zwischen den Funkrichtungen vom Streckengerät 4 zu den beiden ersten Antennen 5a und 5b des Schienenfahrzeuges 2 gemessen werden. Der Winkel α und/oder β erreicht ein Maximum, wenn der Abstand zwischen den ersten Antennen 5a und 5b des Schienenfahrzeuges 2 und den zweiten Antennen 6a und 6b des Streckengerätes 4 am geringsten ist, d. h., genau während der Fahrzeugpassage. Aus der Anordnung des ersten Antennenpaares 5a und 5b auf dem Schienenfahrzeug 2 und der Kenntnis der genauen Position des zweiten Antennenpaares 6a und 6b des Streckengerätes 4 und dem festgestellten Maximum des Winkels α und/oder des Winkels β ergibt sich die Position des Schienenfahrzeuges 2 auf der Bahnstrecke 1 mit einer Genauigkeit von Zentimetern bis Dezimetern zu dem Messzeitpunkt. Diese Positionsbestimmung oder Ortung des Schienenfahrzeuges 2 lässt sich durch Einbeziehung dynamischer Betriebsdaten und/oder vorangegangener Winkelmessungen in die aktuelle Winkelauswertung noch weiter verbessern, so dass automatisches Fahren, d. h. eine Fernsteuerung des Schienenfahrzeuges 2 durch eine Zentrale ermöglicht wird. Die Winkelmessung zur Feststellung der Fahrzeugpassage kann zusätzlich oder alternativ zu Ortungszwecken auch für die Auslösung bestimmter Aktionen, z. B. zur Einleitung eines Bremsvorganges zwecks Annäherung an einen Bahnhofshaltepunkt, bei dem Fahrzeugtüren und Bahnsteigtüren exakt gegenüberliegen, verwendet werden. Für das Auslösen diverser streckenseitiger und/oder fahrzeugseitiger Aktionen ist dabei die Kenntnis der Antennen-Positionen nicht notwendigerweise in jedem Fall zwingend erforderlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3200811 A1 [0004]
DE 3106629 C2 [0004]
EP 0593910 A1 [0004]
WO 96/16857 A1 [0004]
EP 1300316 B1 [0006]
DE 19532104 C2 [0006]
US 5129605 [0007]

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung eines mit mehreren ersten Antennen (5a, 5b) ausgerüsteten Schienenfahrzeuges (2) auf einer Bahnstrecke (1), die mit mindestens einem Streckengerät (4), mit mehreren zweiten Antennen (6a, 6b) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass fahrzeugseitig der Winkel (α) zwischen den Funkrichtungen zu den zweiten Antennen (6a, 6b) und/oder streckenseitig der Winkel (β) zwischen den Funkrichtungen zu den ersten Antennen (5a, 5b) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Winkel (α, β) mit einem anhand dynamischer Betriebsdaten und/oder vorangegangener Winkelmessungen prognostizierten Winkel abgeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkel (α, β)-/Zeit-Kurve erfasst wird, die bei Fahrzeugpassagen des Streckengerätes (4) ein Maximum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fahrzeugpassagen des Streckengerätes (4) eine fahrzeugseitige und/oder streckenseitige Aktion ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fahrzeugpassagen des Streckengerätes (4) anhand eines Streckenatlasses die Position des Schienenfahrzeuges (2) festgestellt und fahrzeugseitig zur Kalibrierung odometrischer Systeme verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Antennen (5a, 5b) des Schienenfahrzeuges (2) über eine erste Sende-/Empfangseinrichtung mit einer ersten Mess- / und Auswerteeinrichtung zur Feststellung des Winkels (α) zwischen den Funkrichtungen zu den zweiten Antennen (6a, 6b) verbunden sind und/oder dass die zweiten Antennen (6a, 6b) des Streckengerätes (4) über eine zweite Sende-/Empfangseinrichtung mit einer zweiten Mess-/ und Auswerteeinrichtung zur Messung des Winkels (β) zwischen den Funkrichtungen zu den ersten Antennen (5a, 5b) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtungen zur WLAN – Wireless Local Area Network-Datenübertragung zwischen dem Schienenfahrzeug (2) und dem Streckengerät (4) ausgebildet sind.