DE102019105662A1 - Method for locating a vehicle on a roadway - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs auf einem Fahrweg, insbesondere eines spurgeführten Fahrzeugs auf einem Fahrweg und vorzugsweise eines Zugs auf einem Gleis, mittels Funksignalen, ist das Fahrzeug mit zwei Empfangsantennen zum Empfangen von Funksignalen ausgestattet, wobei von einer Basisstation ein Funksignal ausgesendet wird, das zeitversetzt von den beiden Empfangsantennen empfangen wird. Die Position des Fahrzeugs ist definiert auf Grund der Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der Basisstation empfangen, und zwar nach dem Prinzip der TDOA (Time Difference of Arrival) Messung mit zwei Basisstationen, nämlich der zuvor erwähnten real existierenden Basisstation und einer weiteren virtuellen/gedachten, die um den Baseline-Vektor zwischen den beiden Empfangsantennen zur besagten zuvor genannten realen Basisstation versetzt ist.In the method for locating a vehicle on a track, in particular a track-guided vehicle on a track and preferably a train on a track, by means of radio signals, the vehicle is equipped with two receiving antennas for receiving radio signals, wherein a radio signal is emitted by a base station, which is received time-delayed by the two receiving antennas. The position of the vehicle is defined by the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the base station, according to the principle of TDOA (Time Difference of Arrival) measurement with two base stations, namely the aforementioned real existing base station and another virtual / imaginary, which is offset by the baseline vector between the two receiving antennas to the aforementioned real base station.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs auf einem Fahrweg insbesondere mittels Funksignalen. Hierbei handelt es sich bei dem Fahrzeug vorzugsweise um ein spurgebundenes Fahrzeug und vorzugsweise um einen Zug auf einem Gleis, wobei die Lokalisierung mittels Funksignalen einer einzigen Basisstation erfolgt. Grundsätzlich kann die Art der Basisstation beliebig sein (5G, LTE, GSM, DVB-T etc.).The invention relates to a method for locating a vehicle on a route, in particular by means of radio signals. In this case, the vehicle is preferably a track-bound vehicle, and preferably a train on a track, wherein the localization takes place by means of radio signals of a single base station. Basically, the type of base station can be arbitrary (5G, LTE, GSM, DVB-T etc.).
Die Lokalisierung mit Funksignalen basiert in vielen Fällen auf dem Prinzip der Multilateration, d.h. der Messung von Distanzen zwischen einem mobilen Empfänger zu mehreren Basisstationen mit bekannten Positionen.The localization with radio signals is based in many cases on the principle of multilateration, i. the measurement of distances between a mobile receiver to multiple base stations with known positions.
Die Distanzen werden dabei über die Laufzeit der Funksignale gemessen. Dies erfordert, dass der Sendezeitpunkt des Signals bekannt ist. Im Allgemeinen ist dieser aber nicht bekannt bzw. diese Information nicht im gesendeten Signal enthalten. Daher wird bei Mobilfunksystemen für die Ortung auf die Messung von Laufzeitdifferenzen (engl. time difference of arrival (TDOA)) zurückgegriffen. Für die TDOA-Messungen vergleicht der zu verortende Empfänger die Differenz der Signallaufzeit zu zwei zeitsynchronisierten Basisstationen. Die TDOA Messung ΔT lässt sich schreiben als
Die Anwendung der TDOA-Messung auf die Ortung von Fahrzeugen ist beispielsweise in
Die bekannte TDOA-Messung erfordert nachteiligerweise mehrere zeitsynchronisierte Basisstationen oder aber bei dem TDOA-Messverfahren muss der Sendezeitpunkt des Funksignals bekannt sein.The known TDOA measurement disadvantageously requires a plurality of time-synchronized base stations or in the TDOA measurement method, the transmission time of the radio signal must be known.
In
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs mittels Funksignalen bereitzustellen, das die zuvor beschriebenen Nachteile nicht aufweist.The object of the invention is to provide a method for locating a vehicle by means of radio signals, which does not have the disadvantages described above.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient nach einer ersten Variante der Erfindung ein Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs auf einem Fahrweg, insbesondere eines spurgeführten Fahrzeugs auf einem Fahrweg und vorzugsweise eines Zugs auf einem Gleis, insbesondere mittels Funksignalen, wobei bei dem Verfahren
- - ein Fahrzeug mit zwei Empfangsantennen zum Empfangen von Funksignalen bereitgestellt wird, wobei der Abstand der beiden Empfangsantennen bekannt ist,
- - von einer Basisstation ein Funksignal ausgesendet wird, wobei die Position der Basisstation relativ zum Fahrweg bekannt ist,
- - das Funksignal zeitversetzt von den beiden Empfangsantennen empfangen wird,
- - der Zusammenhang der Position des Fahrzeugs und der Position der Basisstation definiert ist auf Grund der Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der Basisstation empfangen, und zwar gemäß der Formel
- ΔT als Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der Basisstation empfangen,
- c als Lichtgeschwindigkeit,
- pF als Position des Fahrzeugs,
- pBS als Position der Basisstation,
- b als Baseline-Vektor zwischen den beiden Empfangsantennen des Fahrzeugs, der den Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen und die Orientierung dieses Abstands relativ zur Basisstation beschreibt, und
- (pBS - b) als Position einer um den Baseline-Vektor b zur Basisstation versetzten, virtuellen Basisstation,
- - wobei die Position des Fahrzeugs als der Schnittpunkt des Fahrwegs mit einer Hyperbel ermittelt wird, deren einer Brennpunkt gleich der Position der Basisstation ist und deren anderer Brennpunkt gleich der um den Baseline-Vektor gegenüber der Position der Basisstation versetzten Position, d.h. gleich der Position der virtuellen, nur gedachten, nicht existenten, Basisstation, ist.
- a vehicle is provided with two receiving antennas for receiving radio signals, the distance between the two receiving antennas being known,
- a base station transmits a radio signal, the position of the base station relative to the track being known,
- the radio signal is received in a time-delayed manner from the two receiving antennas,
- - The relationship of the position of the vehicle and the position of the base station is defined due to the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the base station, according to the formula
- ΔT as the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the base station,
- c as the speed of light,
- p F as the position of the vehicle,
- p BS as the position of the base station,
- b as a baseline vector between the two receiving antennas of the vehicle, the Describes the distance between the two receiving antennas and the orientation of this distance relative to the base station, and
- (p BS - b) as the position of a virtual base station offset by the baseline vector b to the base station,
- - Wherein the position of the vehicle is determined as the intersection of the guideway with a hyperbola whose one focal point is equal to the position of the base station and the other focal point is equal to the offset by the baseline vector to the position of the base station position, ie equal to the position of virtual, just imaginary, nonexistent, base station, is.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der ersten Variante arbeitet nach dem Prinzip der TDOA-Messung. Allerdings macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, dass die TDOA-Messung mit zwei Basisstationen und einem Empfänger mathematisch identisch ist zur erfindungsgemäßen Abwandlung dieses Verfahren, mit lediglich einer einzigen Basisstation und zwei Empfangsantennen mit bekanntem Abstand und Ausrichtung.The inventive method according to the first variant operates on the principle of TDOA measurement. However, the invention makes use of the finding that the TDOA measurement with two base stations and one receiver is mathematically identical to the modification of this method according to the invention, with only a single base station and two receiving antennas with known spacing and orientation.
Das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren dieser ersten Variante für insbesondere spurgeführte und/oder spurgebundene Fahrzeuge ermöglicht die Lokalisierung mit den Signalen einer einzelnen Basisstation, ist aber leicht auf mehrere Basisstationen erweiterbar. Zusätzlich zur Position kann auch die Geschwindigkeit ermittelt werden. Das Verfahren benötigt zwei fahrzeugseitige Empfangsantennen mit bekanntem Abstand und eine Karte der befahrenen Strecke. Des Weiteren sind die mit den Antennen verbundenen Empfänger zeitsynchronisiert.The localization method of this first variant according to the invention for in particular lane-guided and / or lane-bound vehicles makes it possible to localize with the signals of a single base station, but can easily be extended to several base stations. In addition to the position, the speed can also be determined. The method requires two vehicle-side receiving antennas with a known distance and a map of the traveled route. Furthermore, the receivers connected to the antennas are time-synchronized.
Empfangen beide Empfänger dasselbe Signal (z. B. Pilotsignale im Mobilfunk), kann daraus eine TDOA-Messung durchgeführt werden. Mit der Position der Basisstation pBS und der gesuchten Antennenposition pF folgt der Zusammenhang
D.h.
Für eine kontinuierliche, stabile Lokalisierung ist dabei die Verfügbarkeit vom mehreren Basisstationen entlang der Strecke von Vorteil, da mit zunehmendem Abstand zu einer Basisstation auch die Lokalisierungsgenauigkeit abnimmt. Die Abnahme der Genauigkeit bei größer werdendem Abstand beruht dabei auf der Abnahme der empfangenen Signalleistung und der Verschlechterung der Geometrie, d.h. bei zunehmenden Abstand ist die TDOA-Messung nur sehr schwach von der Zugposition abhängig. Ist nur eine Basisstation verfügbar, so kann die Position in unmittelbarer Nähe zu dieser zwar genau und eindeutig aufgelöst werden, verschlechtert sich dann aber mit zunehmendem Abstand. Verfügt das Fahrzeug über eine Odometrie, so kann eine einzelne Basisstation dazu genutzt werden, die absolute Fahrzeugposition zu initialisieren. Anschließend kann die absolute Position durch Dead Reckoning weitergeführt werden.For a continuous, stable localization, the availability of several base stations along the route is advantageous, since with increasing distance to a base station also the localization accuracy decreases. The decrease in the accuracy with increasing distance is based on the decrease of the received signal power and the deterioration of the geometry, i. as the distance increases, the TDOA measurement is only very slightly dependent on the train position. If only one base station is available, then the position in the immediate vicinity of this can be exactly and unambiguously resolved, but then worsens with increasing distance. If the vehicle has an odometry, a single base station can be used to initialize the absolute vehicle position. Then the absolute position can be continued by Dead Reckoning.
Praktisch kann man dieses Lokalisierungsproblem mit Hilfe eines Maximum Likelihood Schätzers und einer einzigen Messung lösen. Über eine zeitliche Schätzung bzw. Filterungen lassen sich aber bessere Ergebnisse erzielen. Im Speziellen bietet sich ein Verfahren basierend auf einem Partikelfilter an. Der Partikelfilter ermöglicht es zusätzlich zur Position auch die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Fahrzeuges über die Zeit aufzulösen.In practice, this localization problem can be solved with the help of a maximum likelihood estimator and a single measurement. However, a temporal estimation or filtering can achieve better results. In particular, a method based on a particle filter is suitable. In addition to the position, the particle filter also allows the speed and direction of travel of the vehicle to be resolved over time.
In vorteilhafter Weiterbildung der ersten Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dann, wenn der Fahrweg die Hyperbel in mehr als einem Punkt schneidet (z.B. bei teilweise parallel verlaufenden Gleisen), durch wiederholtes Aussenden und Empfangen des Funksignals jeweils der Schnittpunkt des Fahrwegs mit der Hyperbel und damit die Veränderung der die jeweilige aktuelle Position des Fahrzeugs auf dem Fahrweg angebenden Schnittpunkte der Hyperbel ermittelt wird und daraus einer der potentiellen, die jeweilige aktuelle Position des Fahrzeugs definierenden Schnittpunkte als aktuelle Position des Fahrzeugs identifiziert wird, wenn die Ausrichtung des Fahrzeug auf dem Fahrweg bekannt ist. Bei einem Schienenfahrzeug ist die Ausrichtung im Allgemeinen bekannt.In an advantageous embodiment of the first variant of the invention can be provided that when the track cuts the hyperbole in more than one point (eg partially parallel tracks), by repeated transmission and reception of the radio signal in each case the intersection of the track with the hyperbola and thus the change in the respective current position of the vehicle on the track indicating intersections of the hyperbola is determined and from one of the potential, the respective current position of the vehicle defining intersections is identified as the current position of the vehicle when the orientation of the vehicle on the track is known. In a rail vehicle, the orientation is generally known.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch wiederholtes Aussenden und Empfangen des Funksignals jeweils der Schnittpunkt des Fahrwegs mit der Hyperbel ermittelt und somit die Position des Fahrzeugs auf dem Fahrweg nachverfolgt wird und daraus die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf dem Fahrweg ermittelt wird.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that determined by repeated transmission and reception of the radio signal in each case the intersection of the route with the hyperbola and thus the position of the vehicle is tracked on the track and from the speed of the vehicle is determined on the track.
Wie oben bereits angedeutet, kann in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung mindestens eine weitere Basisstation verwendet werden, wobei durch sukzessives Empfangen der Funksignale der mehreren Basisstationen jeweils die Position des Fahrzeugs auf dem Fahrweg ermittelt und daraus die Fahrtrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf dem Fahrweg ermittelt wird.As already indicated above, in a further expedient embodiment of the first variant of the invention, at least one further base station can be used, wherein successive Receiving the radio signals of the plurality of base stations in each case determines the position of the vehicle on the guideway and from the direction of travel and / or the speed of the vehicle is determined on the guideway.
Zur Lösung der obigen Aufgabe dient nach einer zweiten Variante der Erfindung ein Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs auf einem Fahrweg, insbesondere eines spurgeführten Fahrzeugs auf einem Fahrweg und vorzugsweise eines Zugs auf einem Gleis, insbesondere mittels Funksignalen, wobei bei dem Verfahren
- - ein Fahrzeug mit zwei Empfangsantennen zum Empfangen von Funksignalen bereitgestellt wird, wobei der Abstand der beiden Empfangsantennen und die Ausrichtung des Fahrzeugs auf dem Fahrweg bekannt sind,
- - von einer ersten und von einer zweiten Basisstation jeweils ein Funksignal ausgesendet wird,
- - das jeweilige Funksignal zeitversetzt von den beiden Empfangsantennen empfangen wird,
- - der Zusammenhang der Position des Fahrzeugs und der Position jeweils einer Basisstation definiert ist auf Grund der Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der betreffenden Basisstation empfangen, und zwar gemäß der Formel
- ΔT als Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der Basisstation empfangen,
- c als Lichtgeschwindigkeit,
- pF als Position des Fahrzeugs,
- pBS als Position der jeweiligen Basisstation,
- b als Baseline-Vektor zwischen den beiden Empfangsantennen des Fahrzeugs, der den Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen und die Orientierung dieses Abstands relativ zur betreffenden Basisstation beschreibt, und
- (pBS - b) als Position einer um den Baseline-Vektor b zur betreffenden Basisstation versetzten, jeweiligen virtuellen Basisstation,
- - wobei die Position des Fahrzeugs als der Schnittpunkt einer ersten Hyperbel mit einer zweiten Hyperbel ermittelt wird, wobei die erste Hyperbel zwei Brennpunkte aufweist, von denen der eine gleich der Position der ersten Basisstation und der andere gleich der gegenüber der Position der ersten Basisstation um den Baseline-Vektor versetzten Position, d.h. gleich der Position der bezogen auf die erste Basisstation virtuellen Basisstation ist, und wobei die zweite Hyperbel zwei Brennpunkte aufweist, von denen der eine gleich der Position der zweiten Basisstation und der andere gleich der gegenüber der Position der zweiten Basisstation um den Baseline-Vektor versetzten Position, d.h. gleich der bezogen auf die zweite Basisstation virtuellen Basisstation ist.
- a vehicle is provided with two receiving antennas for receiving radio signals, wherein the distance between the two receiving antennas and the orientation of the vehicle on the route are known,
- a respective radio signal is transmitted by a first and a second base station,
- the respective radio signal is received in a time-delayed manner by the two receiving antennas,
- - The relationship of the position of the vehicle and the position of each one base station is defined due to the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the respective base station, according to the formula
- ΔT as the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the base station,
- c as the speed of light,
- p F as the position of the vehicle,
- p BS as the position of the respective base station,
- b as a baseline vector between the two receiving antennas of the vehicle, which describes the distance between the two receiving antennas and the orientation of this distance relative to the respective base station, and
- (p BS - b) as a position of a respective virtual base station offset by the baseline vector b to the respective base station,
- wherein the position of the vehicle is determined as the intersection of a first hyperbola with a second hyperbola, the first hyperbola having two focal points, one equal to the position of the first base station and the other equal to that of the first base station Baseline vector offset position, ie equal to the position of the base station virtual base station, and wherein the second hyperbola has two focal points, one of which is equal to the position of the second base station and the other equal to the position of the second base station position offset by the baseline vector, ie equal to the virtual base station relative to the second base station.
Bei dieser zweiten Variante der Erfindung wird der Zusammenhang der Position des Fahrzeugs und der Position einer Basisstation auf zwei Basisstationen angewendet. Bezogen auf jede Basisstation befindet sich dann das Fahrzeug an einem Punkt der betreffenden Hyperbel. Der Schnittpunkt beider Hyperbeln ist dann gleich der aktuellen Position des Fahrzeugs. Bei dieser zweiten Variante der Erfindung braucht also die Relativposition des Fahrwegs zu den Basisstationen nicht bekannt zu sein. Sind der Fahrweg und seine Lage zu den Basisstationen dennoch bekannt, kann diese Information gewinnbringend mit in die Positionsbestimmung einbezogen werden.In this second variant of the invention, the relationship between the position of the vehicle and the position of a base station is applied to two base stations. Based on each base station, the vehicle is then located at a point of the respective hyperbola. The intersection of both hyperbolas is then equal to the current position of the vehicle. In this second variant of the invention, therefore, the relative position of the travel path to the base stations need not be known. If the route and its location to the base stations are still known, this information can be profitably included in the position determination.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser zweiten Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch wiederholtes Aussenden von Funksignalen beider Basisstationen und Empfangen der Funksignale durch die Empfangsantennen des Fahrzeugs die aktuelle Position des Fahrzeugs auf dem Fahrweg nachverfolgt und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Ausrichtung und/oder die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ermittelt wird.In an advantageous embodiment of this second variant of the invention can be provided that tracked by repeated transmission of radio signals from both base stations and receiving the radio signals through the receiving antennas of the vehicle, the current position of the vehicle on the track and the speed of the vehicle, the orientation and / or Direction of travel of the vehicle is determined.
Schließlich ist es zusätzlich bei beiden Varianten der Erfindung möglich, die aktuelle Position des Fahrzeugs und/oder dessen Fahrtrichtung auf dem Fahrweg und/oder dessen Geschwindigkeit mittels auf Basis von Doppler-Effekten und/oder Odometrie und/oder Dead Reckoning arbeitenden Verfahren nachzuführen und/oder bezüglich der Genauigkeit der Positionsermittlung zu erhöhen und/oder zu ersetzen.Finally, it is additionally possible in both variants of the invention to track the current position of the vehicle and / or its direction of travel on the travel path and / or its speed by means of methods based on Doppler effects and / or odometry and / or dead reckoning and / or or increase and / or replace the accuracy of the position detection.
Der Unterschied der Erfindung zum Stand der Technik besteht in der Verwendung von zwei Empfangsantennen an dem zu ortenden Fahrzeug. Zur Erhöhung der Positionsgenauigkeit kann das Fahrzeug mehr als zwei Empfangsantennen aufweisen, wobei diese mehreren Empfangsantennen beliebig in Gruppen von jeweils zwei Empfangsantennen unterteilt werden können, wobei jede Empfangsantenne zu mehr als einer Gruppe von Empfangsantennen gehören kann. Pro Gruppe von Empfangsantennen ist deren Abstand und die Ausrichtung dieses Abstandes relativ zur Position der Basisstation (Baseline-Vektor) bekannt, und zwar auf Grund der Kenntnis des Verlaufs des Fahrwegs relativ zur Basisstation an jeder Position des Fahrzeugs längs des Fahrwegs. Zumindest aber lässt sich der Baseline-Vektor für jede Position des Fahrzeugs längs des Fahrwegs aus bekannten Daten ermitteln (beispielsweise durch Interpolation o.dgl.).The difference of the invention with the prior art is the use of two receiving antennas on the vehicle to be located. To increase the positional accuracy, the vehicle may have more than two receiving antennas, which multiple receiving antennas may be arbitrarily divided into groups of two receiving antennas, each receiving antenna may belong to more than one group of receiving antennas. For each group of receiving antennas, their distance and the orientation of this distance relative to the position of the base station (baseline vector) are known, based on the knowledge of the course of the route relative to the base station at each position of the vehicle along the route. However, at least the baseline vector for each position of the vehicle along the route can be determined from known data (for example by interpolation or the like).
Normalerweise bestehen die TDOA-Messungen aus Messungen zu zwei räumlich getrennten, synchronisierten Basisstationen. Der Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens ist, dass alle empfangenen Signale für die Lokalisierung genutzt werden können, solange die Position des Senders bekannt ist. In der Praxis hängt die Genauigkeit dabei allerdings stark von der Signalbandbreite und dem Kanal ab. In Zukunft ist aber anzunehmen, dass immer mehr Basisstationen (z.B. LTE-R, 5G) nahe an der Strecke stehen, um die konventionelle Leit- und Sicherungstechnik zu ersetzen und Breitband-Internet für Passagiere zur Verfügung zu stellen. Mit dem hier beschriebenen Verfahren können diese Signale genutzt werden, ohne dabei besondere Ansprüche bezüglich der Zeitsynchronizität der einzelnen Basisstationen fordern zu müssen. Da jede Basisstation für sich genommen eine TDOA Messung ermöglicht, können auch verschiedene Arten von Basisstationen für die Positionierung kombiniert werden. Des Weiteren ermöglicht das beschriebene Verfahren die Lokalisierung mit nur einer Basisstation. Durch die Verwendung von TDOA-Messungen ist es ausreichend, wenn die zwei Empfänger auf dem Fahrzeug synchronisiert sind und die Ausrichtung des Zuges in Bezug zur Strecke bekannt ist. Ein zusätzlicher Geschwindigkeitssensor wird nicht benötigt, kann aber gewinnbringend in die Schätzung mit einbezogen werden.Typically, the TDOA measurements consist of measurements on two spatially separated, synchronized base stations. The advantage of the method described here is that all received signals can be used for localization as long as the position of the transmitter is known. In practice, however, the accuracy depends heavily on the signal bandwidth and the channel. In the future, however, it is likely that more and more base stations (e.g., LTE-R, 5G) will be near the line to replace conventional control and security technology and provide broadband Internet to passengers. With the method described here, these signals can be used without having to demand special claims regarding the time synchronicity of the individual base stations. Since each base station in itself allows TDOA measurement, different types of base stations can be combined for positioning. Furthermore, the method described enables localization with only one base station. By using TDOA measurements, it is sufficient if the two receivers on the vehicle are synchronized and the alignment of the train with respect to the track is known. An additional speed sensor is not needed but can be included profitably in the estimation.
Das Verfahren kann prinzipiell auch auf andere Fahrzeuge erweitert werden, die nicht zwingend spurgeführt und/oder -gebundenen sein müssen. Bei Straßenfahrzeugen ist das Verfahren bspw. in Kombination mit einer Straßenkarte anwendbar, hier ist die zu erwartende Genauigkeit allerdings geringer auf Grund des geringeren Antennenabstands und der Tatsache, dass ein Fahrzeug seine Position quer zur Fahrtrichtung selbst bestimmen kann. Die Verwendung einer Karte ist nur dann zwingend notwendig, wenn nur eine Basisstation für die Positionsschätzung genutzt werden soll. Für die 2-D Lokalisierung ist es ausreichend, wenn zwei Basisstationen empfangbar sind und die Orientierung der Antennen im Raum bekannt ist. Prinzipielle kann das Verfahren somit auch für ein Schiff genutzt werden, solange dieses zwei Basisstationen empfangen und der Kurs (z.B. ermittelt mit Kompass) bekannt ist.In principle, the method can also be extended to other vehicles which do not necessarily have to be track-guided and / or -bound. In road vehicles, the method is applicable, for example, in combination with a road map, but here the expected accuracy is lower due to the smaller antenna spacing and the fact that a vehicle can determine its position transverse to the direction of travel itself. The use of a map is only necessary if only one base station is to be used for the position estimation. For 2-D localization it is sufficient if two base stations are receivable and the orientation of the antennas in the room is known. In principle, the method can thus also be used for a ship, as long as it receives two base stations and the course (for example, determined by compass) is known.
Wenn also mehrere Basisstationen für das zu lokalisierende Fahrzeug verfügbar sind, braucht der Fahrweg und insbesondere seine Lage relativ zu den Basisstationen nicht mehr zwingend bekannt zu sein. Für eine 2D-Lokalisierung reichen zwei Basisstationen, während eine 3D-Lokalisierung entsprechend drei Basisstationen benötigt. Insbesondere ist für die Lokalisierung eines Objekts nicht dessen Fahrweg relativ zu den Basisstationen zwingend als bekannt erforderlich, wenn mehrere Basisstationen verfügbar und empfangbar sind.Thus, if several base stations for the vehicle to be located are available, the route and in particular its position relative to the base stations need not necessarily be known. Two base stations are sufficient for a 2D localization, while a 3D localization requires three base stations. In particular, for the localization of an object, its travel path relative to the base stations is not necessarily known as known if several base stations are available and receivable.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich bei Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen einsetzen, sofern diese während ihrer Bewegung Funksignale von Basisstationen empfangen können.The inventive method can basically be used in land, water and air vehicles, provided that they can receive radio signals from base stations during their movement.
Zusammenfassend kann die Erfindung dahingehend umrissen werden, dass bei dem Verfahren zur Lokalisierung eines Fahrzeugs auf einem Fahrweg, insbesondere eines spurgeführten Fahrzeugs auf einem Fahrweg und vorzugsweise eines Zugs auf einem Gleis, mittels Funksignalen, das Fahrzeug mit zwei Empfangsantennen zum Empfangen von Funksignalen ausgestattet ist, wobei von einer Basisstation ein Funksignal ausgesendet wird, das zeitversetzt von den beiden Empfangsantennen empfangen wird. Die Position des Fahrzeugs ist definiert auf Grund der Differenz der Empfangszeitpunkte, zu denen die beiden Empfangsantennen das Funksignal der Basisstation empfangen, und zwar nach dem Prinzip der TDOA (Time Difference of Arrival) Messung mit zwei Basisstationen, nämlich der zuvor erwähnten real existierenden und einer weiteren virtuellen (gedachten, nicht real existierenden) Basisstation. Die virtuelle Basisstation ist dabei um den Baseline-Vektor zwischen den beiden Empfangsantennen zur besagten zuvor genannten realen Basisstation versetzt.In summary, the invention can be outlined in that in the method for locating a vehicle on a track, in particular a track-guided vehicle on a track and preferably a train on a track, by means of radio signals, the vehicle is equipped with two receiving antennas for receiving radio signals wherein from a base station, a radio signal is transmitted, which is received time-offset from the two receiving antennas. The position of the vehicle is defined by the difference of the reception times at which the two receiving antennas receive the radio signal of the base station, according to the principle of TDOA (Time Difference of Arrival) measurement with two base stations, namely the aforementioned real existing and one another virtual (imaginary, not actually existing) base station. The virtual base station is offset by the baseline vector between the two receiving antennas to the aforementioned real base station.
Der Hauptaspekt der Erfindung besteht in der Nutzung einer TDOA-Messung zur Lokalisierung von Objekten. Dabei ist Wesensmerkmal der Erfindung, dass das zu lokalisierende Objekt zwei Empfangsantennen aufweist, deren Abstand und Baseline-Vektor relativ zu einer Basisstation bekannt sein sollten. Dieses Konzept ist die Grundlage für die erfindungsgemäßen Verfahren, wie sie in den selbstständigen Ansprüchen definiert sind. Der zuvor genannte Aspekt der Erfindung ist auch selbstständig schutzfähig, ohne dass die weiteren Merkmale der selbstständigen bzw. abhängigen Patentansprüche hinzutreten müssen.The main aspect of the invention is the use of a TDOA measurement to locate objects. It is essential feature of the invention that the object to be located has two receiving antennas whose distance and baseline vector should be known relative to a base station. This concept is the basis for the inventive methods as defined in the independent claims. The aforementioned aspect of the invention is also independently protectable, without the further features of the independent or dependent claims must be added.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung nochmals erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine Prinzipdarstellung der TDOA-Messung gemäß der Erfindung mit einer Basisstation und zwei Empfangsantennen an dem zu ortenden Fahrzeug, -
2 schematisch ein Beispiel für die Anordnung des Schnittpunktes der durch die TDOA-Messung sich ergebenden Hyperbel, -
3 ein Zeitdiagramm, das den 1-D-Positionsschätzfehler über die Zeit zeigt, und -
4 den Verlauf des Geschwindigkeitsfehlers über die Zeit.
-
1 a schematic representation of the TDOA measurement according to the invention with a base station and two receiving antennas on the vehicle to be located, -
2 schematically an example of the arrangement of the intersection of the hyperbola resulting from the TDOA measurement, -
3 a timing chart showing the 1-D position estimation error over time, and -
4 the course of the speed error over time.
Anhand von
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Umsetzbarkeit anhand einer Simulation demonstriert. In der Simulation fährt der Zug auf einer geraden Strecke (wie in
Für die Positionsschätzung wird ein Partikelfilter verwendet. Das Filter wird so initialisiert, dass die Partikel auf einem 1 km Streckenabschnitt um die wahre Position verstreut sind und die Zugausrichtung bekannt ist. Die initiale Geschwindigkeit die dem Filter übergeben wird hat einen Bias von 3 m/s und der Zug hat eine unbekannte Fahrtrichtung. Der Partikelfilter enthält daher Partikel für beide Fahrtrichtungen.A particle filter is used for the position estimation. The filter is initialized so that the particles are scattered around the true position on a 1 km stretch and train orientation is known. The initial speed given to the filter has a bias of 3 m / s and the train has an unknown direction of travel. The particulate filter therefore contains particles for both directions of travel.
In
In
In einem realen System kann zusätzlich noch der Doppler der empfangenen Signale berücksichtigt werden, um die Geschwindigkeitsschätzung weiter zu verbessern. Der Doppler enthält auch Informationen über die Fahrtrichtung relativ zur Basisstation. Bei einem positiven Doppler bewegt sich der Zug auf die Basisstation zu, bei einem negativen von der Basisstation weg. Beim Empfang mehrerer Basisstationen lässt sich aus dem Doppler die Fahrtrichtung und die Zugorientierung bestimmen. Für die Schätzung der Orientierung muss detektiert werden, welche der zwei Empfangsantennen sich zuerst an der Basisstation vorbeibewegt. Dies lässt sich anhand des Nulldurchgangs des Dopplers ermitteln. Aus dieser Information und der Abfolge der Basisstation kann eindeutig auf die Orientierung geschlossen werden.In a real system, the Doppler of the received signals can additionally be taken into account in order to further improve the speed estimation. The Doppler also contains information about the direction of travel relative to the base station. In the case of a positive Doppler, the train moves towards the base station, in the case of a negative one away from the base station. When receiving several base stations, the direction of travel and the train orientation can be determined from the Doppler. For the estimation of the orientation, it must be detected which of the two receiving antennas first passes the base station. This can be determined from the zero crossing of the Doppler. From this information and the sequence of the base station can be clearly concluded on the orientation.
Auch wenn es hier nicht explizit gezeigt ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in Kurven anwendbar. In Kurven verkürzt sich der euklidische Abstand zwischen den Empfangsantennen in Abhängigkeit von der Streckengeometrie und der Zugposition (wenn die Empfangsantennen nicht auf dem gleichen Wagon sind). Bei kurvigen Strecken kann diese Änderung des euklidischen Abstandes aus der Streckenkarte berechnet werden.Although not explicitly shown here, the method according to the invention can also be used in curves. In curves, the Euclidean distance between the receive antennas is shortened depending on the route geometry and the train position (if the receive antennas are not on the same wagon). For curved routes, this change in the Euclidean distance from the route map can be calculated.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Beispielen beschrieben, bei denen sich ein Fahrzeug längs einem festgelegten Fahrweg, nämlich auf einem Gleis bewegt. Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass die Erfindung zur Lokalisierung eines Fahrzeugs eines derartigen Fahrwegs nicht notwendigerweise bedarf. So lässt sich das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren auch für sich frei in der Ebene oder im Raum bewegende Fahrzeuge wie beispielsweise Landfahrzeuge, Fahrzeuge zu Wasser und in der Luft einsetzen. Technisch lässt sich dies dadurch lösen, dass ein Schiff oder ein Landfahrzeug, welches Funksignale von zwei Basisstationen empfängt, 2D lokalisiert werden kann, wobei dazu lediglich die Orientierung der Empfangsantennen bekannt sein muss. Für die 2D-Lokalisierung reicht dabei ein Kompass aus, um die Orientierung des Schiffs bzw. Landfahrzeugs im Raum zu ermitteln. Die Position des besagten Fahrzeugs ergibt sich dann aus dem Schnittpunkt der resultierenden Hyperbeln. Die Erfindung kann aber auch auf eine beliebige Anzahl von Basisstationen angewandt werden. Ab drei Basisstationen ist dann auch eine 3D-Lokalisierung möglich, wenn die Lage der Antennen im Raum bekannt ist, was beispielsweise bei Flugzeugen normalerweise der Fall ist.The invention has been described above by means of examples in which a vehicle moves along a fixed route, namely on a track. It should be emphasized at this point that the invention does not necessarily require the location of a vehicle of such a travel path. Thus, the locating method according to the invention can also be used freely in the plane or in space moving vehicles such as land vehicles, vehicles on the water and in the air. Technically, this can be solved by having a ship or a land vehicle which transmits radio signals from two base stations 2D can be located, with only the orientation of the receiving antennas must be known. For the 2D localization, a compass is sufficient to determine the orientation of the ship or land vehicle in the room. The position of the said vehicle then results from the intersection of the resulting hyperbolas. However, the invention can also be applied to any number of base stations. From three base stations then a 3D localization is possible if the position of the antennas in the room is known, which is usually the case for example with airplanes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- AT 519082 A1 [0004]AT 519082 A1 [0004]
- EP 1905662 B1 [0004]EP 1905662 B1 [0004]
- DE 19701800 A1 [0006]DE 19701800 A1 [0006]
- JP 2016194497 A [0006]JP 2016194497 A [0006]
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