DE102018115978B3 - Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz werden mehrere Positionsermittlungsmodule und mehrere Sensoren (A, B, C) verwendet werden, die auf unterschiedlichen physikalischen Größen basierende Messwerte und/oder physikalische Größen erfassen, die beim Überfahren eines Gleises des Schienennetzes auf das Schienenfahrzeug einwirken und somit Gleissignaturen definieren. In jedem Positionsermittlungsmodul werden im Vergleich zu den jeweils anderen Positionsermittlungsmodulen die Messwerte unterschiedlicher Sensoren (A, B, C) oder die Messwerte unterschiedlicher Gruppen von Sensoren (A, B, C) verwendet. Anhand der von jedem Positionsermittlungsmodul gelieferten Position und/oder anhand von deren Abweichungen voneinander mittels statistischer Verfahren und/oder mittels Ausschlussverfahren wird diejenige Position unter den von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen ausgewählt, die mit größter Wahrscheinlichkeit und/oder Genauigkeit die zu ermittelnde Position des Schienenfahrzeugs ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz.
  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur infrastrukturlosen und gleisgenauen Zuglokalisierung von Zügen mit aktiver Redundanz. Das Verfahren soll in einem System für sicherheitskritische Anwendungen im Eisenbahnbereich eingesetzt werden; dabei sind Redundanzen wichtig für die Sicherheit. Das Ziel ist ferner eine sehr hohe Verfügbarkeit mit Gleisgenauigkeit. Bei einer hohen Klassifizierung der Sicherheitsanforderungsstufe, u.a. auch bekannt als Sicherheits-Integritätslevel (SIL), sind u.a. redundante Systeme gefordert. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zuglokalisierung erlaubt auch den Einsatz in langen Tunneln sowie bei U-Bahnen.
  • Die infrastrukturlose Zuglokalisierung von Schienenfahrzeugen wird bei bekannten Verfahren mit GNSS und evtl. Geschwindigkeitssensoren oder Inertial Measurement Unit (IMU) gelöst. Die Verfahren nutzen eine Kombination von absoluten Messungen (GNSS Positionen) und einer Koppelnavigation (Dead Reckoning) mit relativen Messungen wie Geschwindigkeit, Beschleunigungen und evtl. eine Einschränkung der Trajektorie durch einen bekannten Gleisverlauf, der in einer Karte gespeichert ist.
  • Bekannte Verfahren zur Bewertung der Güte von GNSS Messungen basieren auf GNSS selbst (RAIM), in Kombination mit INS (Inertiales Navigationssystem) oder einer fortgeführten Positionsschätzung auf dem Gleis durch Integration der gemessenen Zuggeschwindigkeit.
  • Bei infrastrukturlosen Zuglokalisierungen mit GNSS gibt es keine GNSS Messungen in Tunneln, U-Bahnen oder überdachten Bahnhöfen. Koppelnavigationsverfahren mit Karte, IMU oder Geschwindigkeitsintegration können nur kurzfristig eine Lokalisierung gewährleisten, wobei sich deren Genauigkeit in Gleislängsrichtung als auch die Gleisselektivität mit der Zeit ständig verschlechtert. Die gefahrene Wegstrecke wird dabei aus aufsummierten (integrierten) Messungen von Inertial- und Geschwindigkeitssensoren ermittelt. Eine Verschlechterung der Längsposition ergibt sich aus Messfehler wie Drift oder Schlupf.
  • Eine Wegintegration aus Geschwindigkeit oder Beschleunigung kann nur kurzfristige Fehler erkennen (z.B. wechselnder Multipfad). Systematische Fehler von Beginn der Messungen und von längerer Dauer werden nicht erkannt.
  • Ein inertiales Navigationssystem (INS), auch Trägheitsnavigationssystem genannt, verwendet inertiale Messdaten aus einer IMU um eine Position, Lage und Geschwindigkeiten relativ zu einer Startposition und einer Startlage zu ermitteln. Für gewöhnlich ergibt sich eine größere Abweichung bereits nach kurzer Zeit. Ein INS wird daher mit Positionsdaten gestützt, z.B. mit GNSS Messdaten (INS/GNSS). Dabei wird eine Abweichung der GNSS Position zur INS Position beobachtet, und in einem Zustandsschätzer werden Korrekturen für Position aber auch für die Lage, die Geschwindigkeiten, und die Offsets der Beschleunigungs- und Drehratensensoren geschätzt.
  • Aus DE-A-195 13 244 und US-A-5 902 351 sind Verfahren zur Zuglokalisierung bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine hohe Genauigkeit bei der Zuglokalisierung zu gewährleisten.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
    • - mehrere Positionsermittlungsmodule verwendet werden, mehrere Sensoren verwendet werden, die auf unterschiedlichen physikalischen Größen basierende Messwerte und/oder physikalische Größen erfassen, die beim Überfahren eines Gleises des Schienennetzes auf das Schienenfahrzeug einwirken und somit Gleissignaturen definieren,
    • - wobei mindestens eines der Positionsermittlungsmodule ein Magnetometer aufweist und eine Magnetfeldsignatur erstellt wird,
    • - in jedem Positionsermittlungsmodul im Vergleich zu den jeweils anderen Positionsermittlungsmodulen die Messwerte unterschiedlicher Sensoren oder die Messwerte unterschiedlicher Gruppen von Sensoren verwendet werden und
    • - anhand der von jedem Positionsermittlungsmodul gelieferten Position und/oder anhand von deren Abweichungen voneinander mittels statistischer Verfahren und/oder mittels Ausschlussverfahren diejenige Positionen unter den von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen ausgewählt wird, die mit größter Wahrscheinlichkeit und/oder Genauigkeit die zu ermittelnde Position des Schienenfahrzeugs ist.
  • Sinngemäß wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Integrität der verschiedenen Verfahren bzgl. der Funktionsfähigkeit in bestimmten, vorgebbaren, spezifizierten Grenzen zur Positionsbestimmung bzw. Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz zu überprüfen. Hierzu werden erfindungsgemäß verschiedene Positionsermittlungsverfahren genutzt, unter denen sich auch solche befinden, die mit Gleissignaturen arbeiten. Eine Gleissignatur ist ein ortsabhängiges Signal, das über einen gefahrenen Wege aufgetragen wird (siehe hierzu DE-A-10 2012 219 111). 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. Die Integrität kann beispielsweise durch statistische Auswerteverfahren bzw. durch Ausschlussverfahren gewährleistet werden. Mittels dieser Verfahren wird dann die „beste“ Positionsermittlung zur Zuglokalisierung des betreffenden Schienenfahrzeugs benutzt. Dadurch können auch verfälschte Signature durch mutwillige Manipulationen von der Gesamtlösung ausgeschlossen und u.U. erkannt werden; so kann z.B. die Magnetfeldsignatur durch missbräuchlich angebrachte Magnete in unautorisierter Weise verändert sein, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erkannt wird. Durch die Ausschlussverfahren kann sozusagen gemäß aktiver Redundanz (auch als heiße Redundanz bezeichnet) und diversitärer Redundanz stets die plausibelste Lösung gefunden werden. Hierzu sein auf die Definitionen für diese Arten von Redundanzen unter den nachfolgenden Internet-Links verwiesen:
    • https://en.wikipedia.org/wiki/Active_redundancy
    • https://en.wikipedia.org/wiki/Redundancy_(engineering)
    • https://de.wikipedia.org/wiki/Redundanz_(Technik)
  • Alternativ oder zusätzlich können Verfahren eingesetzt werden, die denjenigen entsprechen, die bei der RAIM-Technologie zur Überprüfung der Integrität von GPS eingesetzt werden (RAIM = Receiver Autonomes Integrity Monitoring).
  • Das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren umfasst mehrere Zuglokalisierungsmodule, die zur Zuglokalisierung u. a. Gleissignaturen einsetzen, insbesondere eine Magnetfeldsignatur, eine Vibrationssignatur und/oder eine Gleiskrümmungs- und/oder Gleislängsneigungssignatur, wie z.B. in DE-A-10 2012 219 111 beschrieben. Die Messdaten bzw. die Signaturen sind komplementär zueinander, d.h. Nachteile bei der Verfügbarkeit und Genauigkeit eines einzelnen Verfahrens werden durch ein anderes Verfahren und andere Messdaten kompensiert.
  • Eine Zuglokalisierung bestimmt zum einen das Gleis (nach z.B. einer Weichenüberfahrt) und zum anderen die Längsposition auf dem Gleis. Die Gleisidentifikationsnummer und die Längsposition auf dem Gleis bilden das Lokalisierungsergebnis (Gleisposition). Gleisgenauigkeit oder auch Gleisselektivität bedeutet die korrekte Bestimmung des richtigen Gleises in Weichen oder Parallelgleisszenarien. Neben diesen Signaturen können weitere Messungen für die Zuglokalisierung verwendet werden: GNSS Messungen (Global Navigation Satellite System), wie z.B. GPS, GALILEO, GLONASS, BeiDou. Weg- und Geschwindigkeitsmessungen durch Radumdrehungssensor, Doppler Radar; Beschleunigungs- und Drehratenmessungen mit Inertialsensoren (IMU, Inertiale Messeinheit); Messungen von bildgebenden Verfahren: (Stereo-) Kamera, Radar, Lidar.
  • Bei einem sicherheitskritischen System können Redundanzen durch bekannte Methoden erreicht werden:
    • - Aufbau von mehrfachen aber gleichen Systemen (homogene Redundanz)
    • - Aufbau mit diversitärer Hardware-Redundanz an verschieden Orten, mit verschiedenen Stromversorgungen (Batterie), mehrfachen Leitungen und unterschiedlichen Bauteilen
    • - Verwendung von unterschiedlicher Software (Software Redundanz).
  • In einer Vielzahl von sicherheitskritischen Systemen, wie z.B. in hydraulischen Flyby-Wire Systeme in Flugzeugen und werden einige Teile des Steuersystems verdreifacht. Diese Art von Redundanz wird „triple modular redundancy“ (TMR) genannt. In der Luftfahrt werden hierzu auch die Begriffe „majority voting system“ (Mehrheitsentscheider) oder „voting logic“ für die Auswahl der korrekten Subsysteme oder den Ausschluss des defekten Subsystems verwendet. Ein Fehler in einem Subsystemen wird dann von den anderen Subsystemen überstimmt. In einem dreifach redundanten System verfügt das System über drei Sub-Komponenten, von denen alle drei ausfallen müssen, bevor das System ausfällt. Da jedes einzelne eher selten ausfällt, und die Unterkomponenten unabhängig voneinander ausfallen, ist die Wahrscheinlichkeit das alle drei ausfallen außerordentlich klein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die einzelnen Positionsermittlungsmodule die Subsysteme. Diese Subsysteme ermitteln alle für sich eine Gleisposition und ein Auswahlverfahren erkennt eine Abweichung eines einzelnen.
  • Bei der speziellen Redundanz gemäß dem Verfahren nach der Erfindung handelt es sich um eine aktive (auch genannt heiße) und diversitäre Redundanz, indem unterschiedliche Zuglokalisierungsmodule mit unterschiedlichen und unabhängigen Messdaten jeweils vergleichbare Lokalisierungsergebnisse (Gleisidentifikationsnummer und Gleisposition) parallel berechnen. Eine Auswerteeinheit bewertet die unterschiedlichen Ergebnisse und es wird eine Auswahl eines der Ergebnisse getroffen. Die unterschiedlichen Module verwenden jeweils bestimmte Messdaten exklusiv oder in sämtlichen Kombinationen. Die Auswerteeinheit berechnet zudem Werte, die die Genauigkeit der Messdaten bewerten. Diese können dann als Gewichte in den kombinierten Lokalisierungsmodulen verwendet werden.
  • Die Kombination kann einerseits für eine gegenseitige Gütebewertung und Gewichtung der Messungen verwendet werden als auch für eine Redundanz des Lokalisierungsergebnisses.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche der Anspruchsfassung, auf die hiermit verwiesen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zuglokalisierung löst folgende Probleme:
    1. a) Eine eingeschränkte Verfügbarkeit eines Zuglokalisierungssystems ergibt sich bei einem Ausfall eines Sensors und/oder einem Ausfall eines Lokalisierungsverfahrens. Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit einer Redundanz in Bezug auf das Lokalisierungsergebnis gelöst. Die Redundanz basiert im Wesentlichen auf mehrere Zuglokalisierungsverfahren, die unabhängig voneinander ein Lokalisierungsergebnis aus unabhängigen Messdaten berechnen können.
    2. b) Eine eingeschränkte Genauigkeit eines Sensors, insbesondere durch Messausreißer, und/oder ungenügende Genauigkeit des Ergebnisses eines Lokalisierungsverfahrens, insbesondere in Bezug auf Gleisgenauigkeit nach Weichen und bei parallel verlaufenden Gleisen. Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit einer gegenseitigen Gewichtung oder auch Unterdrückung von Messwerten und Lokalisierungsergebnissen erreicht.
  • Die Vorteile der Erfindung sind u.a.:
    1. a) Eine infrastrukturlose Zuglokalisierung mittels Signaturen ist autark und funktioniert in Tunnel, U-Bahnen oder überdachten Bahnhöfen. Eine Redundanz bezüglich des Lokalisierungsergebnisses wird mit unterschiedlichen Zuglokalisierungen und einer Auswerte- und Auswahleinheit erreicht. Die unterschiedlichen Zuglokalisierungen verwenden unabhängige Gleissignaturen und GNSS Positionen entweder exklusiv oder in Kombination.
    2. b) Bewertung der Güte von zugseitigen Messungen, insbesondere GNSS und IMU Messungen, über driftfreie Signaturen und Informationen aus einer Karte. Verwendung der Güte als Gewichtung in einem Multisensorverfahren zur Zuglokalisierung, sowie gleichzeitige Verwendung der Signaturen für Lokalisierung und Bewertung der Güte durch mehrere Lokalisierungsverfahren die jeweils andere Teilmengen der verfügbaren Messwerte verwenden. Eine anschließende Kombination erfolgt mit Gewichten oder Verwerfung von Messwerten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert.
  • Wie in 1 schematisch gezeigt, verwendet das erfindungsgemäße Verfahren zur Zuglokalisierung mehrere, unabhängige und komplementäre Sensoren 2 sowie mehrere Lokalisierungsmodule 5, die eine Redundanz des Lokalisierungsergebnisses 9 ermöglichen. Ein Geschwindigkeitssensor 3 wird zweckmäßigerweise verwendet, die beschriebenen Methoden können auch ohne einen Messwert der Geschwindigkeit auskommen. Es werden Gleissignaturen verwendet, wie z.B. die Magnetfeldsignatur, die Vibrationssignatur und die Gleiskrümmungssignatur. 1 zeigt ein Zuglokalisierungssystem, das auf einem Schienenfahrzeug 1 mit zugseitigen Sensoren 2 aufgebaut ist und eine Streckenkarte mit Signaturen 4 sowie mehrere Lokalisierungsmodule 5 enthält. Die Lokalisierungsmodule ermitteln eigenständig jeweils eine Zuglokalisierung 6 mit Gleis ID und Gleisposition aus unterschiedlichen exklusiven Messdaten sowie aus Kombinationen der Messdaten. Die Module können sich bei gleichen Daten auch in den Methoden unterscheiden. Eine Bewertungs- und Auswahlmodul 7 ermittelt das beste Ergebnis und gibt dieses aus 9. Der Bewertung stehen auch die Rohdaten der Sensoren zur Verfügung. Im Regelfall ist das Lokalisierungsmodul mit der Kombination aller Messdaten ausgewählt ABC. Die Auswahleinheit berechnet Messgüten 8 für die Module mit kombinierten Messdaten, die eine gewichtete Kombination der Messdaten ermöglichen. Eine überlagerte Fehlererkennung schaltet bei einem erkannten Fehler eines Moduls mit exklusiven Messdaten auf ein anderes Modul ohne Fehler (hard decision). Bei einem eingeschränkten Zustand durch einen erkannten aber nicht einzugrenzenden Fehler kann eine Warnung 10 in Form eines Signal oder Protokolls erfolgen.
  • Die Besonderheit des Verfahrens ist, dass mehrere Zuglokalisierungsmodule eine eigenständige Lokalisierung aus einem Sensor erreichen. Als Beispiel sind hier folgende Module genannt:
    • • Modul A: Lokalisierung aus exklusiven GNSS Messungen (Positionen und Geschwindigkeit) und einer Karte
    • • Modul B: Lokalisierung aus exklusiven IMU Messungen (Beschleunigung und Vibration) möglich mit Vibrationssignaturen, Gleiskrümmungssignaturen und einer Karte sowie einer Geschwindigkeitsschätzung aus Beschleunigung und Rad-Vibration. (optional mit extra Geschwindigkeitsmessung aus Odometer)
    • • Modul C: Lokalisierung aus Magnetfeldmessungen mit Magnetfeldsignaturen und einer Karte sowie einer Geschwindigkeitsmessung die entweder von einem weiteren Sensor (Odometer) oder aus einer Geschwindigkeitsschätzung mit Beschleunigung und geschwindigkeitsabhängigen Signaturen.
  • Die Bewertung basiert auf Metriken zur Diagnose, Signaturanalyse und Teststatistiken, die jeweils eine Abweichung der Lokalisierungsergebnisse ermitteln und auswerten. Die Messgüten sind ein Faktor, der die Messunsicherheit der einzelnen Signaturabgleiche sowie Messungen zusätzlich wären der Laufzeit verändern kann (dynamisch). Bei einem Ausfall der GNSS Daten werden nur die Signaturen Krümmung, Vibration und Magnetfeld verarbeitet. Durch diese Redundanz ist bei einem GNSS Ausfall z.B. in Tunneln ein Lokalisierungsergebnis gewährleistet.
  • Die Signaturen werden aus einer Messsequenz von zugseitig montierten Sensoren und einer Sequenz von Geschwindigkeitswerten erzeugt und anschließend gefiltert. Mithilfe der Geschwindigkeit wird das zeitlich abgetastete Messsignal in den Ortsbereich transformiert. Das Verfahren benötigt Geschwindigkeitswerte die aus Geschwindigkeitssensoren (Radumdrehung, Dopplerradar), GNSS, INS/GNSS oder aus Magnetfeld- oder Vibrationsmessungen stammen. Eine Karte beinhaltet längsparametrisierte Referenzsignaturen aus transformierten und gefilterten Messdaten die zusammen mit einer Gleisidentifikationsnummer und dem Gleislängenparameter (auch 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.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Umsetzung des Lokalisierungsmoduls „Modul ABC“ mit den Sensoren A=GNSS, B=IMU und C=Magnetfeld mit den Signaturen der Lage (Längs, Querneigung, Orientierung, „attitude“), Krümmungssignaturen („curvature“), Vibrationssignaturen („vibration“) und Magnetfeldsignaturen („magnetic“). Zusätzlich gibt es eine Signatur aus Geopositionen („position“). All diese Signaturen benötigen eine Geschwindigkeit (v), die aus der „speed estimation“ (v"') oder von INS/GNSS (v') oder GNSS direkt stammen. Das Lokalisierungsfilter („train localization filter“) verarbeitet die Messungen der Gleissignaturen, der Position, der Lage und der Geschwindigkeit. Mit Hilfe einer Karte(„map“) wird die Gleis ID und die Position auf dem Gleis geschätzt und als Ergebnis („location“) an das der Bewertungs- und Auswahlmodul weitergeleitet. Das Bewertungs- und Auswahlmodul kann Qualitätswerte („quality values“) zur Güte der Signaturen bzw. zur Güte der Messungen ermitteln und an jedes einzelne Lokalisierungsmodul übermitteln. Das Lokalisierungsfilter kann damit die unterschiedlichen Messungen zusätzlich gewichten.
  • Ein Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von Gleissignaturen, die im Umfeld der INS Position wiederum eine Position auf dem Gleis ermitteln. Die geographische Position aus dem Signaturabgleich wird zur Beobachtung einer Abweichung der INS Position verwendet und in einem Zustandsschätzer verarbeitet. Dieser Zustandsschätzer schätzt Korrekturen für Position aber auch für die Lage, die Geschwindigkeiten, und die Offsets der Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Bei dem Zustandsschätzer handelt es sich z.B. um einen Error State Kalman Filter (ESKF), der die Abweichung schätzt und in einem weiteren Korrekturschritt die INS Schätzung mit dieser Abweichung korrigiert. 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, aus dem Magnetfeld, aus den auf das Schienenfahrzeug wirkenden Vibrationen (in einer oder mehreren Raumrichtungen), aus den Gleiskrümmungen, aus den Kurvenfahrten (z. B. beim Abbiegen an einer Weiche), aus dem „Kurswinkel“ und/oder aus den Veränderungen der zuvor genannten Parameter gebildet werden.
  • Ferner werden zur Geschwindigkeitsmessung zwei Magnetometer in Zuglängsrichtung verwendet, die über einen Abgleich der Signale eine Laufzeit ermitteln und, da ihr Abstand bekannt ist, eine Geschwindigkeit.
  • Dieses Verfahren, nämlich INS mit Signaturen gestützt, wird als Positionsermittlungsmodul bei der Erfindung eingesetzt und ist in 3 schematisch gezeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
      1
      Schienenfahrzeug
      2
      Sensoren mit Messdaten, z.B. A=GNSS, B=IMU, C=Magnetfeld, D=Vibration
      3
      Geschwindigkeitssensor (optional)
      4
      Karte mit Referenzsignaturen über Gleisposition und Gleisidentifikationsnummer
      5
      Kartenbasierte Zuglokalisierungsmodule Modul A: Zuglokalisierungsmodul mit Messdaten aus A Modul ABC: Zuglokalisierungsmodul aus Kombination von Messdaten A, B und C
      6
      Eigenständige Lokalisierungsergebnisse
      7
      Bewertungen der Lokalisierungsergebnisse, Berechnung einer Gewichtung, Auswahl des Ergebnisses
      8
      Gewichtungen der Messdaten
      9
      Redundantes Lokalisierungsergebnis
      10
      Warnsignal, Protokoll
    • 2
      11
      GNSS Empfänger (Global Navigation Satellite System: GPS, GALILEO, GLONASS)
      12
      IMU (Inertiale Messeinheit)
      13
      Geschwindigkeitssensor (z.B. Radumdrehung)
      14
      Magnetfeldsensor
      15
      Digitale Karte
      20
      Zuglokalisierungsmodul
      21
      Inertiales Navigations System (Trägheitsnavigationssystem)
      22
      Kurvenkrümmungsberechnung
      23
      Geschwindigkeitsberechnung
      24
      Pufferspeicher für Abtastwerte
      25
      Zeit-Orts-Transformation
      26
      Signalfilter
      27
      Pufferspeicher für Geschwindigkeitswerte
      28
      Signaturabgleich
      29
      Schätzfilter für Zuglokalisierung
      30
      Geschwindigkeitswert
      30a
      Geschwindigkeit aus INS
      30b
      Geschwindigkeit aus Modul 23
      31
      Suchfenster
      33
      Werte zur geographischen Position und Lage (Nick-,Roll-,Gierwinkel)
      34
      Ortsabhängige Werte (Signatur) zu Position und Lage
      35
      Ortsabhängige Werte (Signatur) zu Kurvenkrümmungen
      36
      Ortsabhängige Werte (Signatur) zu Vibrationen
      37
      Ortsabhängige Werte (Signatur) zu Magnetfeld
      38
      Zugposition
      39
      Qualitätswerte der Messungen, Gewichtungen
    • 3
      41
      Inertiale Messeinheit
      42
      Magnetfeldsensor 1
      43
      Magnetfeldsensor 2
      44
      Trägheitsnavigationssystem zur Berechnung der Lage, Geschwindigkeit und Position
      45
      Vergleich der gemessenen Signatur mit Datenbasis
      46
      Datenbasis der Gleissignaturen
      47
      Geschwindigkeitsschätzung auf Basis von Laufzeitdifferenzen
      48
      Geschätzte Geschwindigkeit
      49
      Aus der Signatur geschätzte 3D Position und Kurs
      50
      Error-State Kalman Filter (ESKF) zur Schätzung der INS Fehler
      51
      Korrigierter Positions-, Geschwindigkeits-, Lage- und Sensor-Bias-Schätzwert
      52
      Durch INS geschätzte Position, Geschwindigkeit, Lage und Sensor-Bias
      53
      Durch ESKF geschätzte INS Fehler
      54
      Position und Geschwindigkeit der Trägheitsnavigationssystems

Claims (14)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Position eines Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz, wobei bei dem Verfahren - mehrere Positionsermittlungsmodule verwendet werden, mehrere Sensoren (A, B, C) verwendet werden, die auf unterschiedlichen physikalischen Größen basierende Messwerte und/oder physikalische Größen erfassen, die beim Überfahren eines Gleises des Schienennetzes auf das Schienenfahrzeug (1) einwirken und somit Gleissignaturen definieren, - wobei mindestens eines der Positionsermittlungsmodule ein Magnetometer (42, 43) aufweist und eine Magnetfeldsignatur erstellt wird, - in jedem Positionsermittlungsmodul zwecks Positionsermittlung im Vergleich zu den jeweils anderen Positionsermittlungsmodulen die Messwerte unterschiedlicher Sensoren (A, B, C) oder die Messwerte unterschiedlicher Gruppen von Sensoren (A, B, C) verwendet werden und/oder mit unterschiedlichen Verfahren jeweils eine Position ermittelt wird und - anhand der von jedem Positionsermittlungsmodul gelieferten Position und/oder anhand von deren Abweichungen voneinander mittels statistischer Verfahren und/oder mittels Ausschlussverfahren diejenige Position unter den von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen ausgewählt wird, die mit größter Wahrscheinlichkeit und/oder Genauigkeit die zu ermittelnde Position des Schienenfahrzeugs (1) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Positionsermittlungsmodule ein Satellitennavigationssystem (44) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Positionsermittlungsmodule eine inertiale Messeinheit (41) aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleiskrümmungs- und/oder Gleisvibrationssignatur erstellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Positionsermittlungsmodule ein inertiales Navigationssystem (41) enthält und die Position und/oder die Raumlage und/oder die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satellitennavigationssystem (44) zur Beobachtung der Positionsabweichung des inertialen Navigationssystems (41) verwendet wird, und ein Zustandsschätzer diese Beobachtung nutzt, um die Position und Lage zu verbessern.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Gleisposition durch eine gemessene Gleissignatur mithilfe einer Datenbank mit Gleissignaturen ermittelt wird, - die zugehörige geographische Position zur Gleisposition aus der Datenbank ermittelt wird, - diese geographische Position zur Beobachtung der Positions-abweichung des inertialen Navigationssystems (41) verwendet wird, und - ein Zustandsschätzer diese Beobachtung nutzt, um die Positions- und Lagebestimmung zu verbessern.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsschätzer eine Abweichung, eine Kalibrierung und/oder einen Fehler schätzt und die Werte der INS Schätzung mit der Abweichung, der Kalibrierung und/oder dem Fehler korrigiert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsschätzer der die Abweichung, die Kalibrierung und/oder den Fehler schätzt, ein Error State Kalman Filter (50) ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Sensor (43), der in Längsrichtung des Schienenfahrzeugs mit Abstand zu einem ersten Sensor (42) angeordnet ist, ein zeitlich veränderliches Signal misst und durch Laufzeitabgleich mit dem ersten Sensor (42) und bei bekanntem Abstand der beiden Sensoren (42, 43) die Geschwindigkeit ermittelt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren verwendet wird, das aus der geographischen Position mittels einer Datenbank mit für jedes Gleis längsparametrisierten geografischen Positionen das Gleis sowie die Gleisposition ermittelt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Güte der Positionsbestimmung ermittelt wird, und zwar anhand von Diagnosen und Analysen von Rohmessdaten mittels Plausibilitätsbetrachtungen anhand der von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen und/oder anhand der Abweichungen der von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen mittels statistischer Verfahren und/oder Teststatistiken unter Verwendung von Ausschlusskriterien.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Messgüten die Gewichtung der Kombinationen in einem Lokalisierungsfilter der Positionsermittlungsmodule während der Laufzeit verändern und beeinflussen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung von Abweichungen der von den Positionsermittlungsmodulen gelieferten Positionen um mehr als ein Grenzwert eine Warnung, ein Signal oder eine Meldung generiert und an eine übergeordnete Instanz weitergeleitet wird.
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