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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionserfassung eines bodengebundenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Zuges, und insbesondere die Positionserfassung bei Durchfahrten von Gebieten, in denen eine Funkverbindung zwischen Satelliten und Fahrzeug, eingeschränkt oder ausgeschlossen ist.
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Für moderne Fahrassistenzsysteme von insbesondere schienengebundenen Fahrzeugen ist eine möglichst lückenlose Erfassung der Position und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs von großem Vorteil. Eine im Stand der Technik häufig verwendete Methode zur Positionserfassung von bodengebundenen Fahrzeugen wie beispielsweise Schienenfahrzeugen stellt die Positionsbestimmung über ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS), wie beispielsweise das Global Positioning System (GPS), dar.
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Dabei steht eine Empfangsantenne des Fahrzeugs mit Satelliten in Kontakt, die in festgelegten Orbits um die Erde kreisen. Diese Satelliten kennen ihre genaue Position und teilen diese zusammen mit dem exakten Sendezeitpunkt über die Empfangsantenne einem Empfangsgerät des Fahrzeugs mit. Aus der Dauer der Signalübermittlung kann dann der exakte Standort der Empfangsantenne und damit des Fahrzeugs errechnet werden.
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Um die Position eindeutig bestimmen zu können, sind die Signale von vier verschiedenen Satelliten notwendig. Empfängt das System von weniger als vier Satelliten Signale ist keine eindeutige Positionsbestimmung durchführbar. Dies führt in Gebieten in denen die Verbindung zwischen Fahrzeug und Satellit beeinträchtig wird schnell dazu, dass eine Positionsbestimmung nicht mehr möglich ist. Gebiete in denen das der Fall sein kann sind beispielsweise tiefe Häuserschluchten, in denen das Signal von den Häuserwänden möglicherweise abgelenkt oder geschluckt wird, Gebiete mit hoher und dichter Vegetation, Schluchten oder Tunnel, in denen in der Regel überhaupt keine Empfangsmöglichkeit gegeben ist.
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Die Patentdokumente
WO 2009070371 A1 und
WO 2016142158 A1 zeigen Möglichkeiten wie die Genauigkeit und die Robustheit moderner satellitengestützter Ortungssystem in Schienenfahrzeugen verbessert werden können. Beide Dokumente offenbaren dabei Möglichkeiten zur Verbesserung der Auswertung der empfangenen Daten, sodass ungenaue Ortungen bei der Durchfahrt von Regionen, die die Positionserfassung beeinträchtigen, wie beispielsweise bergiges oder hochbebautes Gelände, vermieden werden können.
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Nichtdestrotz ist eine Positionserfassung in Regionen in denen überhaupt kein Datenaustausch zwischen Satelliten und fahrzeugseitigen Antennen stattfinden kann, beispielsweise in Tunneln, nicht möglich. Fahrassistenzsysteme von beispielsweise Schienenfahrzeugen sind in der Lage für eine gewisse Zeit mittels der Geschwindigkeit am Tunneleintritt die geschätzte Position im Tunnel zu interpolieren. Dieses Vorgehen wird jedoch bei Kurvenfahrten oder Geschwindigkeitsänderungen im Tunnel ungenau.
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Das Patentdokument
DE 10 2015 205 535 A1 offenbart eine Möglichkeit zur Bestimmung der Position eines Schienenfahrzeuges anhand einer Sensorvorrichtung welche physikalische Größen einer Umgebung der Sensorvorrichtung aufnimmt. Die aufgenommenen Messwerte werden mit Referenzwerten verglichen und bei Übereinstimmung der Messwerte mit den Referenzwerten wird die den jeweiligen Referenzwerten zugeordnete Position als die aktuelle Position der Sensorvorrichtung und somit des Fahrzeugs ausgegeben. Allerdings muss in den Fahrzeugen dazu ein zusätzliches Ortungssystem installiert werden, was Aufwand, Kosten und Fehleranfälligkeit steigen lässt.
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Weiterhin offenbart Patentdokument
US 9114816 B2 eine Möglichkeit zum Datenaustausch innerhalb eines schienengebundenen Fahrzeugs, beispielsweise um Positionsangaben einzelner Teile, beispielsweise Triebwägen, des Fahrzeugs an Systeme, die sich in anderen Teilen des Fahrzeugs befinden, weiterzugeben.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit weitestgehend herkömmlichen Systemen und ohne Installation eines zusätzlichen Ortungssystems die Streckenbereiche, in denen keine satellitengestützte Positionserfassung möglich ist, zu minimieren, um eine möglichst lückenlose Positionsermittlung eines schienengebundenen Fahrzeugs zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionserkennung eines bodengebundenen Fahrzeugs weist mindestens zwei Antennen auf, die an zwei sich unterscheidenden Positionen auf dem Fahrzeug angeordnet sind und dazu konfiguriert sind von Satelliten Daten zu empfangen. Weiterhin weist die Vorrichtung eine zentrale Recheneinheit auf, welche dazu konfiguriert ist zunächst anhand der durch die Antennen erfassten Daten die Position der Antennen zu bestimmen. Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Datenübertragungseinheit auf, die dazu konfiguriert ist die empfangenen Daten von der Antenne an die Recheneinheit zu übertragen. Diese übertragenen Daten wiederum werden von einer Datenempfangseinheit empfangen, um von der zentralen Recheneinheit verarbeitet werden zu können. Weiterhin ist die zentrale Recheneinheit dazu konfiguriert die einzelnen Positionen der Antennen zu einer gemittelten Position des Fahrzeugs zusammenzuführen und/oder eine Position für jeden beliebigen Teil des Fahrzeugs anhand einer ihr bekannten Entfernung zwischen den datenempfangenden Antennen und dem entsprechenden Teil des Fahrzeugs, dessen Position ermittelt werden soll, zu bestimmen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die zentrale Recheneinheit ausgehend von der ermittelten Antennenposition anhand der ihr bekannten Antennenstandorte auf dem Fahrzeug jeweils eine Position für den Fahrzeuganfang und das Fahrzeugende bestimmen. Zur Bestimmung der Position des Fahrzeuganfangs addiert die Recheneinheit die Entfernung von dem jeweiligen Antennenstandort auf dem Fahrzeug zum Fahrzeuganfang in Fahrtrichtung zu der berechneten Position der Antenne hinzu. Analog dazu subtrahiert die Recheneinheit die Entfernung von dem jeweiligen Antennenstandort auf dem Fahrzeug zum Fahrzeugende in Fahrtrichtung von der berechneten Position der Antenne, um die Position des Fahrzeugendes zu erhalten. Die jeweiligen Entfernungen von der Antenne zum Fahrzeuganfang bzw. Fahrzeugende können somit als Korrekturfaktoren bezeichnet werden, um ausgehend von der erfassten Position der Antenne die Position des Fahrzeuganfangs bzw. Fahrzeugendes zu bestimmen. Die Korrekturfaktoren sind damit die Entfernung zwischen Antennenstandort und Fahrzeuganfang bzw. Fahrzeugende. Sind die entsprechenden Entfernungen bekannt, lässt sich auf diese Weise die Position eines jeden Teils des Fahrzeugs ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform setzen sich die von den mindestens zwei Antennen erfassten Daten aus Positionsdaten des sendenden Satelliten und Zeitdaten zusammen, wobei die Zeitdaten insbesondere den Zeitpunkt beinhalten zu dem der Satellit seine Positionsdaten an die Antennen sendet. Die Recheneinheit berechnet dann aus den Positionsdaten des Satelliten und den Zeitdaten des Sendens durch den Satelliten und des Empfangens durch die Antenne eine Position der Antenne.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Daten von der Datenübertragungseinheit zur Datenempfangseinheit der Recheneinheit über ein kabelloses Kommunikationssystem, insbesondere über Funk, übertragen. Alternativ können die Daten auch über ein Kabel übermittelt werden. Die Funkfrequenz bei einer kabellosen Übertragung über Funk ist dabei so zu wählen, dass sich das Signal auch in kurvigen Tunnel bis zum anderen Ende des Fahrzeugs ausbreitet und dort empfangen werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens zwei Antennen möglichst weit voneinander entfernt an dem Fahrzeug angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann eine Wahrscheinlichkeit, dass wenigstens eine der beiden Antennen sich nicht in einem Gebiet befindet, in dem die Kommunikation zwischen Antenne und Ortungssatelliten gestört ist, erhöht werden.
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Je größer die Entfernung zwischen den Antennen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass wenigstens eine Antenne störungsfrei mit dem Satelliten kommunizieren kann und somit die Position erfasst werden kann.
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Eine mögliche Konfiguration dieser Ausführungsform bei einem Schienenfahrzeug ist es eine Antenne möglichst weit am Fahrzeuganfang und eine Antenne möglichst weit am Fahrzeugende anzuordnen. Je länger der Zug ist, desto kleiner wird also der Streckenbereich, in dem keine satellitengestützte Positionserfassung möglich ist und desto lückenloser wird somit die Positionserfassung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mehr als lediglich ein Fahrassistenzsystem in dem Fahrzeug angeordnet, das eine eigene Antenne zur Erfassung der Position aufweist. Die empfangenen Daten der jeweiligen Antennen werden in den unterschiedlichen Fahrassistenzsystemen getrennt voneinander ausgewertet.
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Die Fahrassistenzsysteme kommunizieren dabei untereinander und tauschen die jeweilig ermittelte Position und Geschwindigkeit aus und senden sie an die zentrale Recheneinheit.
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Die zentrale Recheneinheit gleicht die Positionen miteinander ab und ermittelt auf diese Weise aus den einzeln erfassten Positionen eine gemittelte Position für das Fahrzeug.
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Alternativ zu einer Mittelung der Positionen bestimmt die zentrale Recheneinheit je eine Position für den Fahrzeuganfang und eine Position für das Fahrzeugende. Dazu sind ihr die Länge des Zuges, sowie die Positionen der Antennen auf dem Zug bekannt. Erhält sie die Position einer Antenne so kann sie ausgehend von dieser Information und der Kenntnis über die Fahrzeuglänge und der Position der Antennen auf dem Fahrzeug die Positionen des Fahrzeuganfangs sowie des Fahrzeugendes ermitteln.
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Die zentrale Recheneinheit kann auch in einem der Fahrassistenzsysteme integriert sein.
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Somit ist die Anbringung einer zusätzlichen Antenne nicht erforderlich, da bereits zwei Antennen zur Positionserfassung zur Verfügung stehen. Im Sinne des vorherigen Absatzes ist es dabei besonders sinnvoll eines der Assistenzsysteme am Fahrzeuganfang und eines am Fahrzeugende vorzusehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Antennen als mobile Einheiten ausgeführt, die eine eigene Stromversorgung, beispielsweise über einen Energiespeicher wie einen Akku, zum Übermitteln der empfangenen Daten an die zentrale Recheneinheit aufweisen und dazu konfiguriert sind an jeder beliebigen Stelle des Fahrzeugs installiert zu werden. Somit kann eine flexible Anbringung der Antennen am Fahrzeug je nach dessen Begebenheiten und somit eine einfache Installation der Vorrichtung sowie eine einfache Nachrüstung bei älteren Fahrzeugen gewährleistet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im Wesentlichen aus fünf Schritten. Zunächst werden Positionsdaten von Ortungssatelliten anhand von wenigstens einer Antenne empfangen und an eine Recheneinheit übermittelt. In einem weiteren Schritt werden die empfangenen Daten von der Recheinheit zur jeweiligen Antenne, welche sie empfangen hat, zugeordnet. Anschließend wird der Zeitpunkt bestimmt, an dem die von den Satelliten gesendeten Daten durch die mindestens eine Antenne empfangen wurden. Im Anschluss daran wird die Position des Fahrzeugs anhand der empfangenen Daten berechnet.
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Der zentralen Recheneinheit sind dabei sowohl die Fahrzeuglänge als auch die Antennenstandorte auf dem Fahrzeug, das heißt ihre Entfernungen beispielsweise zum Fahrzeuganfang und zum Fahrzeugende bekannt. Durch die empfangenen Positionsdaten einer Antenne und über entsprechende Korrekturfaktoren können also die Positionen des Fahrzeuganfangs, des Fahrzeugendes oder eine Position eines beliebigen anderen Teils des Fahrzeugs, von dem die Entfernung zur jeweiligen Antenne bekannt ist, berechnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den vom Satellit empfangenen Daten sowohl Positionsdaten des sendenden Satelliten als auch Zeitdaten enthalten, wobei die Zeitdaten insbesondere den Zeitpunkt beinhalten, zu dem der sendende Satellit seine Positionsdaten an die Antennen sendet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Antennen zum Empfangen der Daten in Schritt (A) jeweils Bestandteile von verschiedenen Fahrassistenzsystemen, welche die Daten auswerten um jeweils die Position unabhängig voneinander zu bestimmen.
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Diese getrennt erfassten Positionen werden anschließend an die zentrale Recheneinheit übermittelt und durch diese anschließend zusammengeführt. Die zentrale Recheneinheit ist durch das Zusammenführen der jeweils getrennt erfassten Positionen in der Lage die Position des Fahrzeugs (beispielsweise des Fahrzeuganfangs) auch dann zu bestimmen, wenn eine der Antennen keine Daten empfangen kann (beispielsweise bei einer Tunneldurchfahrt), da die Position des Fahrzeugs weiterhin ausgehend von der durch die andere Antenne erfasste Position bestimmt werden kann.
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Die zentrale Recheneinheit kann dabei als Teil eines der Fahrzeugassistenzsysteme oder in einem der Fahrassistenzsysteme integriert ausgeführt sein.
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Das Zuordnen der empfangenen Daten zur jeweiligen Antenne, welche die Daten empfangen hat, geschieht vorzugsweise über eine Kennung, welche den Daten durch die jeweilige Antenne hinzugefügt wird und damit ebenfalls an die Recheneinheit mitgesendet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Berechnung der Position des Fahrzeugs zusätzlich anhand einer hinterlegten Karte des Streckennetzes vorgenommen. Dabei wird die rechnerisch erhaltene Position mit dem auf einer Karte hinterlegten Streckennetz abgeglichen und auf den nächstgelegenen Punkt auf der Strecke verschoben, falls der berechnete Punkt nicht auf der Strecke liegt. Auf diese Weise kann eine genauere Positionsangabe des Fahrzeuges erzielt werden.
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Zudem empfangen in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform alle Antennen, die zum Empfangen der Positionsdaten von Ortungssatelliten vorgesehen sind, gleichzeitig Positionsdaten und den entsprechenden Sendezeitpunkt (Zeitdaten)von den Satelliten. Dementsprechend werden gleichzeitig mehrere verschiedene empfangene Datensätze ausgewertet, miteinander abgeglichen und gegebenenfalls gemittelt sodass sich die gemittelte Position des Fahrzeugs zwischen den durch die jeweiligen Antennen einzeln erfassten Positionen befindet. Auf diese Weise kann die Positionsbestimmung weiter verbessert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 Ein Schienenfahrzeug vor der Durchfahrt eines Tunnelabschnitts
- 2 Ein Schienenfahrzeug bei der Durchfahrt eines Tunnelabschnitts, wobei sich der Zuganfang bereits im Tunnelabschnitt befindet
- 3 Ein Schienenfahrzeug bei der Durchfahrt eines Tunnelabschnitts, wobei sich das Zugende im Tunnelabschnitt befindet
- 4 Ein Schienenfahrzeug nach der Durchfahrt eines Tunnelabschnitts
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1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 (Zug) mit einem Zuganfang 11 und einem Zugende 12. Der Zug fährt auf Schienen 40 und befindet sich vor einer Tunneldurchfahrt 30. Auf dem Zug 10 befindet sich jeweils am Zuganfang 11 und am Zugende 12 eine vordere bzw. hintere Antenne 13a bzw. 13b. Diese sind Bestandteile unterschiedlicher Fahrassistenzsysteme und stehen mit einer zentralen Recheneinheit 14, sowie mit einem Satellit 20 in Kontakt. Der Satellit 20 steht hierbei stellvertretend für eine Vielzahl von Satelliten (mindestens vier).
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Der Satellit 20 sendet seine Positionsdaten zusammen mit einem zu den Positionsdaten zugehörigen Sendezeitpunkt an die Antennen 13a und 13b. Diese wiederum geben die Daten über nicht dargestellte Datenübertragungseinheiten und eine Datenempfangseinheit an die Recheneinheit weiter. Dort werden die genannten Daten wie nachfolgend genauer beschrieben ausgewertet. Für eine eindeutige Positionsbestimmung des Fahrzeugs sind dazu die Signale von mindestens vier Satelliten erforderlich.
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Anhand der Dauer der Datenübermittlung vom Satellit 20 zu den Antennen 13a und 13b und den übermittelten Standorten des Satellits 20 wird die Position des Fahrzeugs bestimmt. Dazu werden die Datensätze der jeweiligen Antenne 13a oder 13b zugeordnet die sie empfangen hat. Anhand der Zuordnung wird bei der Berechnung ein festgelegter Korrekturfaktor berücksichtigt, um die Position des Zuganfangs oder des Zugendes zu bestimmen. Wird beispielsweise die Position des Zuganfangs durch einen Datensatz, welcher über die hintere Antenne empfangen wurde, ermittelt, so muss ein Korrekturfaktor abhängig vom Abstand von der Antenne 13b zum Zuganfang 11 (also fast eine Zuglänge) in Fahrtrichtung des Zuges addiert werden. Ebenso muss zur Bestimmung der Position des Zugendes 12 anhand der durch die vordere Antenne 13a empfangenen Daten die berechnete Position um einen Korrekturfaktor abhängig vom Abstand zwischen vorderer Antenne 13 und Zugende 12 entgegen der Fahrtrichtung nach hinten versetzt werden.
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In dem abgebildeten Zustand stehen beide Antennen 13a und 13b mit dem Satellit in Kontakt, wodurch eine Positionsbestimmung sowohl anhand der mit der vorderen Antenne 13a als auch der mit der hinteren Antenne 13b empfangenen Daten möglich ist. Durch die Berücksichtigung beider Datensätze kann eine exaktere Positionsbestimmung erzielt werden, da mögliche Ungenauigkeiten des einen Datensatzes durch den anderen Datensatz ausgeglichen werden können. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens anhand einer hinterlegten Karte, in der der Schienenverlauf 40 des Zuges 10 hinterlegt ist, erzielt werden. Die mittels der Satellitendaten ermittelte Position kann auf die nächstliegende Stelle des Schienenverlaufs (d.h. des Streckennetzes) verschoben werden, falls die ermittelte Position nicht auf dem Streckennetz liegen sollte, wodurch die ermittelte Position korrigiert und insbesondere die Position bei Kurvenfahrten genauer bestimmt werden kann.
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Fährt der Zug 10, wie in 2 gezeigt, in den Tunnelbereich 30 hinein, kann die vordere Antenne 13a keine Daten mehr von dem Satelliten 20 empfangen. Die Positionsbestimmung kann allerdings weiterhin anhand der durch die hintere Antenne 13b empfangenen Satellitendaten weiter vorgenommen werden. Durch die Einbeziehung des Korrekturfaktors und des in einer Karte hinterlegten Streckennetzes kann somit auch die Position des Zuganfangs 11 ermittelt werden, auch wenn sich dieser bereits im Tunnel 30 befindet.
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Gleiches gilt für die Bestimmung der Position des Zugendes 12, wenn sich dieses noch im Tunnel befindet, während der Zuganfang bereits wieder in Kontakt mit dem Satelliten 20 steht, wie in 3 dargestellt. Auch hier ist also eine genaue Positionsbestimmung des gesamten Zuges möglich.
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4 zeigt das Fahrzeug 10 nach der Tunneldurchfahrt, wenn sowohl die vordere als auch die hintere Antenne 13a bzw. 13b wieder mit dem Satellit 20 kommunizieren und dessen Positionsdaten empfangen können. Es ist also möglich bei einer Tunneldurchfahrt die Strecke, an der die Position des Zuges 10 nicht bestimmt werden kann, ungefähr um eine Zuglänge zu verringern, um den Einsatz von Fahrassistenzsystemen weiter zu verbessern. Eine Minimierung der Streckenbereiche, in denen keine satellitengestützte Positionserfassung möglich ist, um eine möglichst lückenlose Positionsermittlung zu gewährleisten, kann somit durch die vorliegende Erfindung erzielt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine Tunneldurchfahrt lediglich zum Zwecke der besseren Erläuterung beispielhaft herangezogen wurde. Die Erfindung kann ebenfalls bei der Durchfahrt anderer Gebiete, die eine Kommunikation zwischen Satellit und Antenne behindern oder unmöglich machen, wie beispielsweise Häuserschluchten, dicht und hoch bewachsenes Gebiet oder tiefe Täler herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zug
- 11
- Zuganfang
- 12
- Zugende
- 13a
- vordere Antenne
- 13b
- hintere Antenne
- 14
- zentrale Recheneinheit
- 20
- Satellit
- 30
- Tunnel
- 40
- Schiene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009070371 A1 [0005]
- WO 2016142158 A1 [0005]
- DE 102015205535 A1 [0007]
- US 9114816 B2 [0008]
