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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung der Genauigkeit eines zu testenden Systems zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeuges, insbesondere zur Verwendung bei der Zulassung von Zuglokalisierungssystemen und zur Verwendung bei Tests von Positionsbestimmungssystemen, die vorzugsweise auf Basis von Satellitennavigationssystemen arbeiten.
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Die Erfindung beschreibt insbesondere Verfahren zur Auswertung von Methoden zur gleisgenauen Lokalisierung von Zügen sowie zur Auswertung von Positionen aus GNSS-Messungen (Global Navigation Satellite System, wie z.B. GPS, GALILEO, GLONASS, BeiDou). Die Lokalisierung setzt eine Karte voraus, und das Ergebnis wird in Kartenkoordination ermittelt. Bei einer Positionierung wird eine Geoposition in einem Koordinatensystem ermittelt, wie z.B. eine Position im Globalen Koordinatensystem WGS84 (GPS-Standard).
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Gemäß der Erfindung werden für das Referenzsystem Gleissignaturen eingesetzt, insbesondere die Magnetfeldsignatur, die Vibrationssignatur und die Gleiskrümmungssignatur. Eine Gleissignatur ist ein ortsabhängiges Signal, das über einen gefahrenen Weg aufgetragen wird (siehe hierzu auch
DE 10 2012 219 111 A1 ). Gleissignaturen können aus Messungen z. B. der Position und/oder der Lage (im Raum) des Schienenfahrzeugs, dem Magnetfeld, den auf das Schienenfahrzeug wirkenden Vibrationen (in einer oder mehreren Raumrichtungen), den Gleiskrümmungen, den Kurvenfahrten (z. B. beim Abbiegen an einer Weiche), dem „Kurswinkel“ und/oder den Veränderungen der zuvor genannten Parameter gebildet werden.
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Die Erfindung lässt sich wie folgt in zwei Varianten umsetzen:
- 1. Referenz zur Auswertung des Lokalisierungsergebnisses nach Gleisnummer und Position auf dem Gleis von Zuglokalisierungsverfahren
Ein Problem bei der Auswertung der Genauigkeit der Zuglokalisierung stellen die Beobachtbarkeit des richtigen Gleises, insbesondere nach Weichenüberfahrten, und die Positionsfehler in Gleislängsrichtung dar. Desweiteren sind systematische Fehler der Messsysteme nicht oder nur in bestimmten Szenarien beobachtbar, insbesondere für GNSS-Messungen. Das Lokalisierungsergebnis soll nun in Echtzeit oder in einer Nachbearbeitung ausgewertet werden. Diese Auswertung kann sowohl bei der Bewertung von unterschiedlichen Zuglokalisierungsverfahren als auch in Zulassungsverfahren verwendet werden.
- 2. Referenz zur Auswertung von dynamischen GNSS-Messungen auf fahrenden Zügen
Eine Auswertung der Genauigkeit von dynamischen GNSS-Messungen auf fahrenden Zügen ist von Interesse bei der Erforschung und Entwicklung von Methoden zur Zuglokalisierung und deren Zulassung. Es wird entweder ein hochgenaues Referenzsystem zur Positionsmessung im dynamischen Umfeld oder eine hochgenaue Schienenkarte mit Geopositionen und einer Lokalisierung auf der Karte benötigt.
Bei der virtuellen Balise mittels GNSS wird eine Überfahrt über eine Positionsmarke mit GNSS detektiert und ein entsprechendes Signal, Telegramm oder Protokoll (z.B. Balisen ID) an die Balisenschnittstelle eines ETCS (European Train Control System) gesendet. Die virtuelle Balise mit GNSS wird zweckmäßigerweise nur an geeigneten Stellen eingesetzt, bei denen gute Empfangsbedingungen zu erwarten sind. Die Stellen für eine virtuelle Balise müssen gefunden und bewertet werden, insbesondere in Zulassungsverfahren. Eine Genauigkeitsauswertung einer virtuellen Balise oder einer möglichen Position für eine virtuelle Balise kann mit dem vorgestellten Verfahren aus Gleissignaturen in einer dynamischen Messung aus dem Zug erfolgen.
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Zum Stand der Technik zählen:
- - die Verwendung von GNSS basierten Zuglokalisierungen für Kollisionswarnung (DLR RCAS) sowie nichtsicherheitskritischer Anwendungen ohne Gleisselektivität (z.B. Fahrgastinformation, Position für Rolling Stock Management);
- - Genauigkeitsauswertungen in der aktuellen Forschung von GNSS basierten Lokalisierungen erfolgen in den meisten Fällen mit Simulatoren (z.B. Spirent GNSS-Simulator);
- - GNSS-Messungen und GNSS basierte Lokalisierungsergebnisse werden u.a. mit High-end GNSS-Messungen bei guten Empfangsbedingungen verglichen. Diese Methode wird zur Bewertung von einfachen und günstigen GNSS-Empfänger (Massenmarkt, low-cost) verwendet. Als Referenz dient ein geodätischer GNSS-Empfänger (high-end) oder ein RTK-System;
- - Referenzmessungen der Gleispositionen mit geodätischen Methoden, Verwendung von Lasertachymeter mit Zielverfolgung.
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Zu den Nachteilen des Standes der Technik kann Folgendes ausgeführt werden:
- - In Tunnels sind keine GNSS-Messungen verfügbar, so dass der Gleisselektivität nicht immer möglich ist, und zwar bedingt durch GNSS-Genauigkeit und enge Gleisabstände.
- - Eine häufige Annahme bei Simulatoren sind ideale Karten, vereinfachte Rauschprozesse und unzureichende Betrachtung von realistischen Eisenbahnumgebungen mit Mehrwegeausbreitung und dem Einfluss auf die Phasenauflösung. Neben Simulationstests werden auch Genauigkeitsuntersuchungen aus Experimenten oder Feldtest benötigt.
- - Eine GNSS-Referenz erfordert günstige Empfangsbedingungen, wie z.B. eine kontinuierliche und uneingeschränkte Sicht zu Satelliten sowie eine geringe Mehrwegeausbreitung. Hochgenaue GNSS-Empfänger nutzen Trägerphasenmessungen. Diese können leicht durch eine dynamisch wechselnde Umgebung mit Bäumen, Wald, Brücken oder Masten gestört werden.
- - Kommerzielle Lasertachymeter haben für die dynamische Messung mit fahrenden Zügen eine beschränkte Dynamik und Reichweite von wenigen hundert Metern. Es muss eine Sichtverbindung bestehen, bzw. die Position des Tachymeters muss mit GNSS o.ä. bestimmt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit eines zu testenden Systems zur (Gleis- oder Geo-)Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs mittels eines positionsgenauen Referenzsystems bewerten zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Bewertung der Genauigkeit eines zu testenden Systems zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, wobei gemäß einer ersten Variante des Verfahrens
- - ein Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem eingesetzt wird, in dem für einzelne Gleisabschnitte des Schienenweges mit bekannter Gleisposition den betreffenden Gleisabschnitt charakterisierende Gleissignaturen bereitgestellt sind, die die ortsabhängige Veränderung mindestens einer physikalischen Größe innerhalb des betreffenden Gleisabschnitts beschreiben, welchem das Schienenfahrzeug beim Befahren des Gleisabschnitts ausgesetzt ist, wobei das Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem beim aktuellen Überfahren des Gleisabschnitts zum Zwecke des Bewertens der Genauigkeit des zu testenden Systems die Gleissignatur des betreffenden Gleisabschnitts ermittelt und durch Vergleich mit den bereitgestellten Gleissignaturen die aktuelle Gleisposition des Schienenfahrzeugs ermittelt,
- - ein zu testendes System bereitgestellt wird, das eine Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs auf dem Schienenweg ohne Verwendung von Gleissignaturen oder ohne Verwendung derjenigen Gleissignatur oder derjenigen Gruppe von Gleissignaturen, auf der bzw. auf denen das Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem beruht, ermöglicht,
- - mittels des zu testenden Systems ebenfalls die aktuelle Gleisposition des Schienenfahrzeugs ermittelt wird,
- - das Ergebnis der Gleispositionsermittlung durch das Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem mit dem Ergebnis der Gleispositionsermittlung durch das zu testende System verglichen wird und
- - die Genauigkeit der Gleispositionsermittlung durch das zu testende System anhand der Gleispositionsermittlung durch das Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem bewertet wird.
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Bei dieser ersten Variante wird das erfindungsgemäß eingesetzte Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem mittels Gleissignaturen betrieben, wobei eine oder mehrere Gleissignaturen gemäß obiger Definition genutzt werden können. Das zu testende System arbeitet nicht mit Gleissignaturen bzw. nicht mit derjenigen Gleissignatur oder derjenigen Gruppe von Gleissignaturen, die im Referenzsystem verwendet werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung dieser Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gleispositionsermittlungs-Referenzsystem als permanentes Bewertungssystem (Monitoring) einer Zuglokalisierungseinheit eine Genauigkeit ermittelt und bei Überschreitung eines Schwellwertes eine Warnung und/oder Meldung an den Zugführer und/oder das Zugsicherungssystem und/oder die Leitstelle übermittelt.
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Schließlich ist es im Rahmen dieser Variante der Erfindung auch möglich, dass ein automatisches Protokoll der Abweichungen oder ein Protokoll der Abweichungen mit Zeitpunkten und/oder Positionen erstellt, gespeichert und/oder an eine Zentrale übertragen wird.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird mit der Erfindung ferner ein Verfahren zur Bewertung der Genauigkeit eines zu testenden Systems zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, wobei gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens
- - ein Geopositionsermittlungs-Referenzsystem eingesetzt wird, in dem für einzelne Gleisabschnitte des Schienenweges mit bekannter Gleisposition den betreffenden Gleisabschnitt charakterisierende Gleissignaturen bereitgestellt sind, die die ortsabhängige Veränderung mindestens einer physikalischen Größe innerhalb des betreffenden Gleisabschnitts beschreiben, welchem das Schienenfahrzeug beim Befahren des Gleisabschnitts ausgesetzt ist, wobei das Geopositionsermittlungs-Referenzsystem beim aktuellen Überfahren des Gleisabschnitts zum Zwecke des Bewertens der Genauigkeit des zu testenden Systems die Gleissignatur des betreffenden Gleisabschnitts ermittelt und durch Vergleich mit den bereitgestellten Gleissignaturen die aktuelle Gleisposition des Schienenfahrzeugs ermittelt,
- - eine Datenbank bereitgestellt wird, die neben den Gleissignaturen auch deren geographische Positionen enthält und diese mit Gleispositionen der Gleissignaturen verknüpft,
- - mithilfe der Datenbank sowie der aktuellen Gleisposition der betreffenden Gleissignatur deren geografische Position ermittelt wird,
- - ein zu testendes System bereitgestellt wird, das eine Geopositionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs ohne Verwendung von Gleissignaturen und insbesondere mittels GNSS-Signalen ermöglicht,
- - das Ergebnis der Positionsermittlung durch das Geopositionsermittlungs-Referenzsystem mit dem Ergebnis der Geopositionsermittlung durch das zu testende System verglichen wird und
- - die Genauigkeit der Geopositionsermittlung durch das zu testende System anhand der Geopositionsermittlung durch das Geopositionsermittlungs-Referenzsystem bewertet wird.
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Bei dieser Variante der Erfindung wird das Verfahren zum Testen von beispielsweise GNSS-Systemen oder GNSS-Empfängern oder GNSS-Positionsermittlungsverfahren eingesetzt, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass das erfindungsgemäß eingesetzte Gleispositionsermittlung-Referenzsystem mit Gleissignatur eine hochgenaue Gleisposition und, über die Datenbank oder Tabelle aus dieser Gleisposition eine damit ebenfalls hochgenaue Geoposition ermittelt wird, mit der die vom zu testenden System gelieferte Geoposition auf Genauigkeit hin analysiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt mit der Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs auf einem Schienenweg durch Verbindung von Gleissignaturen die hochgenaue Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs auf dem Schienenweg zur Verfügung. Damit lassen sich nun auf anderen physikalischen Gegebenheiten basierende Positionsbestimmungsverfahren und - systeme hinsichtlich deren Genauigkeit testen und bewerten. Wie diese Gleissignatur für einen Gleisabschnitt, also dessen „Fingerabdruck“ ermittelt werden kann, ist beispielsweise in
DE 10 2012 219 111 A1 beschrieben.
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Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- - Eine Lokalisierung mittels Signaturen (Magnetfeld, Vibration, Gleiskrümmung) ermöglicht eine Längspositionierung auch in Tunneln sowie eine Detektion des Weichenweges für eine gleisselektive Lokalisierung;
- - Messung der Genauigkeit im realen Umfeld anstatt Simulation;
- - Referenz mittels Signaturen ist eine unabhängige Referenz zu GNSS. Damit wird die Aussagekraft der Genauigkeitsergebnisse erhöht;
- - Lokalisierungsreferenz mittels Signaturen ermöglichen dynamische Messungen über weite Strecken;
- - Bewertung der Eignung von möglichen Positionen für virtuelle Balisen basierend auf GNSS sowie Echtzeit-Bewertung einer aktuellen virtuellen Balisenmessung mit GNSS. Alternativ kann das Referenzsystem zur Überprüfung der Position und Existenz von Funkbalisen (z.B. Eurobalise) verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Erfindung ist dabei insbesondere in den beiden nachfolgend wiedergegebenen Varianten zu sehen:
- a) Referenz mittels Signaturen (z. B. Magnetfeld, Vibration, Gleiskrümmung) für eine Genauigkeitsanalyse des Lokalisierungsergebnisses (Gleisposition) bzgl. korrektem Gleis und Abweichung in Gleislängsrichtung von Lokalisierungsmethoden für Schienenfahrzeuge zur Auswertung und Bewertung in Echtzeit oder in einer Nachbearbeitung.
- b) Referenz mittels Signaturen (z. B. Magnetfeld, Vibration, Gleiskrümmung) für eine Analyse der 2D oder 3D Genauigkeit von geographischen Positionen aus GNSS-Messungen in Systemen, welche mit Hilfe einer hochgenauen Karte arbeiten, die Geopositionsdaten und Referenzsignaturen in einer längsparametrisierten Form speichert.
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Ausführungsbeispiel zu a): Aufbau des Referenzsystems zur Zuglokalisierung mit Signaturen:
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Verfahren zur Auswertung einer Genauigkeit zur Zuglokalisierung mit einer Referenz basierend auf Signaturen, insbesondere mit der Magnetfeldsignatur, der Vibrationssignatur und der Gleiskrümmungssignatur. Der Aufbau der Genauigkeitsauswertung der Zuglokalisierung mit Signaturen ist in 1 schematisch gezeigt.
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Die Signaturen werden aus einer Messsequenz von zugseitig montierten Sensoren
3d und einer Sequenz von Geschwindigkeitswerten
3c erzeugt und anschließend gefiltert (wie z.B. in
DE 10 2012 219 111 A1 beschrieben). Mithilfe der Geschwindigkeit wird das zeitlich abgetastete Messsignal in den Ortsbereich transformiert. Das Verfahren benötigt Geschwindigkeitswerte die aus Geschwindigkeitssensoren (Radumdrehung, Dopplerradar) oder aus Magnetfeld- oder Vibrationsmessungen stammen. Eine Karte
3b beinhaltet längsparametrisierte Referenzsignaturen aus transformierten und gefilterten Messdaten die zusammen mit einer Gleisidentifikationsnummer und dem Gleislängenparameter (Gleisposition) gespeichert sind. Das Lokalisierungsergebnis mit Gleisidentifikationsnummer und der Gleisposition aus Signaturen wird durch Abgleich von Referenzsignaturen aus der Karte und der zuletzt gemessenen Messsignatur erreicht (Block
3a).
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Die Auswertung der Genauigkeit wird durch den Abgleich des Lokalisierungsergebnisses einer Messdatensignatur 3e und einer Zuglokalisierung ohne diese Messdatensignatur 2e (z.B. mittels GNSS-Messung) erreicht. Eine Auswertung 4 ermittelt den Fehler in Längsrichtung auf dem Gleis und bewertet das korrekte oder falsch bestimmte Gleis. Der Einsatz kann zu Prüfungszwecken in Feldtests und zu Überwachungszwecken im Regelbetrieb erfolgen.
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Ausführungsbeispiel zu b): Auswertung von dynamischen GNSS-Messungen
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Aufbau ist ähnlich zum Beispiel 1 mit dem Unterschied, dass eine Referenzposition in Geokoordinaten 3f mit dem GNSS-Positionsergebnis 2f verglichen wird und ein Fehler 7 bestimmt werden kann. Der Fehler ist eine Länge, und kann hierbei als einfache euklidische Distanz, und/oder als Abweichung in Gleislängsrichtung und Querrichtung und/oder in Nord-Ost-Höhe dargestellt werden.
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Für eine Bewertung von GNSS-Positionen enthält die Karte 3b zusätzlich parametrisierte Geopositionen nach der Gleisposition. Für die Bewertung von weiteren Messungen enthält die Karte zusätzlich entsprechende weitere Merkmale, die gemessen werden. Die Lokalisierung auf der Karte wird mit Signaturdaten (Magnetfeld, Vibration, Krümmung) erreicht und die Referenz-Geoposition 3f kann mittels Karte und Lokalisierungsergebnis bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schienenfahrzeug
- 2
- Equipment Under Test (Zuglokalisierungssystem oder GNSS-Empfänger allein)
- 2a
- Lokalisierungsverfahren
- 2b
- Streckenkarte
- 2c
- GNSS Empfänger
- 2d
- Optional: weitere Sensoren wie z.B. Wegmessung, IMU, Kamera, Radar, Lidar
- 2e
- Lokalisierungsergebnis
- 2f
- GNSS-Empfängersignal
- 3
- Referenzsystem mit Signaturmessungen
- 3a
- Lokalisierungsverfahren des Referenzsystems mit Signatur
- 3b
- Streckenkarte mit Signaturen
- 3c
- Geschwindigkeitsinformation
- 3d
- Sensor zur Signaturmessung (z.B. Magnetfeld, Vibration, Krümmung)
- 3e
- Referenzergebnis
- 3f
- Referenzergebnis ggf. in Geokoordinaten
- 4
- Auswerteeinheit zur Genauigkeit
- 5
- Genauigkeitsergebnis der Lokalisierung
- 6
- Auswerteeinheit zur Genauigkeit der Position (Geokoordination)
- 7
- Genauigkeitsergebnis der Position
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219111 A1 [0003, 0014, 0018]
