DE102021134141A1

DE102021134141A1 - Funksystem für ein Schienenfahrzeug zur Eigenlokalisierung

Info

Publication number: DE102021134141A1
Application number: DE102021134141.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Unterhuber; Thomas Strang
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Funksystem (1) für ein Schienenfahrzeug (3) zur Kommunikation, aufweisend eine Sendeeinrichtung (5) sowie eine Empfangseinrichtung (7), und eine Recheneinheit (9), die dazu ausgeführt ist, laufend Signale der Empfangseinrichtung (7) von eintreffenden elektromagnetischen Wellen, die von der Sendeeinrichtung (5) ausgesendet und an Objekten der Umgebung reflektiert werden, zu erfassen und daraus über die Zeit eine Vielzahl von Echobildern zu erzeugen, sowie das jeweilige Echobild mit Vergleichsechobildern aus einer mittels einer vorangegangenen Erfassungsfahrt eines Erfassungsschienenfahrzeugs erzeugten Datenbank zu vergleichen und bei Übereinstimmung eine aktuelle Position des Schienenfahrzeugs (3) aus der Datenbank auszulesen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Funksystem für ein Schienenfahrzeug, sowie ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Funksystem.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, die Positionsbestimmung eines Fahrzeugs durchzuführen. Eine solche Positionsbestimmung betrifft im Allgemeinen eine absolute Position in geodätischen Koordinaten, wie im WGS-84 System. In manchen Fällen kann jedoch die Positionsbestimmung auch auf eine Koordinate entlang einer Wegstrecke reduziert werden, wenn auszuschließen ist, dass das Fahrzeug die vorgesehene Wegstrecke verlässt. Während aus dem Alltag eine Positionsbestimmung durch satellitengestützte Systeme wie beispielsweise von Fahrzeug-Navigationssystemen bekannt ist, ist es darüber hinaus im Stand der Technik bekannt, eine Positionsbestimmung insbesondere eines Fahrzeugs abhängig von Merkmalen der Umgebung durchzuführen, um zumindest relativ zu dieser Umgebung die Position bestimmen zu können. Gegebenenfalls ist diese in einem zusätzlichen Schritt in eine absolute Position umzurechnen.
Die EP 3 049 825 A1 betrifft hierzu eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs auf oder über einer Planetenoberfläche, insbesondere in einem Verkehrswegenetz auf der Planetenoberfläche, umfassend:

- ein erstes Mittel zur Bestimmung einer ersten Position P1 des Fahrzeugs,
- ein zweites Mittel zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung BR des Fahrzeugs,
- ein drittes Mittel zur Bereitstellung einer Anzahl n von Fixpunktdaten, wobei die Fixpunktdaten zumindest für auf der Planetenoberfläche ortsfest angeordnete signifikante Radarobjekte FRO_I, deren Radarsignatur RS_FROI und deren Position P_FROI angeben,
- ein Radarsystem mit einem am Fahrzeug angeordneten Radarsensor zur Abtastung einer aktuellen Umgebung des Fahrzeugs mittels Radarstrahlung und zur kontinuierlichen Erfassung dabei gewonnener Radardaten, wobei aus den Radardaten für eine Anzahl m von in der Umgebung vorhandenen Radarobjekten RO_k deren Radarsignaturen RS_k und deren relative Positionen ΔP_Ok*(t) zum Fahrzeug ermittelbar sind, und wobei das Radarsystem derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass
- in den Fixpunktdaten abhängig von der ersten Position P1 aus den Radarobjekten FRO_I diejenigen Radarobjekte FRO_I* mit den zugehörigen Radarsignaturen RS_FROI* und Positionen P_FROI* ermittelbar sind, deren Positionen P_FROI* in einem vorgebbaren von der Bewegungsrichtung BR abhängigen Bereich um die aktuelle erste Position P1 des Fahrzeugs liegenden,
- die Radarsignaturen RS_FROI* der Radarobjekte FRO_I* mit den Radarsignaturen RS_k(t) der Radarobjekte RO_k(t) verglichen werden, und dabei diejenigen Radarobjekte RO_k*(t) ermittelbar sind, für die gilt: RS_k(t) = RS_FROI*, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung unterstellt wird, dass für die Radarobjekte gilt: RO_k* = FRO_I* und für Positionen P_ROk* der Radarobjekte RO_k* gilt: P_ROk*(t) = P_FROI*,
- auf Basis der Radardaten die relativen Positionen ΔP_Ok*(t) der jeweiligen Radarobjekte RO_k*(t) zu dem Fahrzeug ermittelt werden, und
- auf Basis jeweils der Positionen P_ROk*(t) = P_FROI* und der relativen Positionen ΔP_Ok*(t) eine zweite Position P2 des Fahrzeugs ermittelt wird, wobei das erste Mittel derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass die erste Position P1 des Fahrzeugs auf Basis der ermittelten zweiten Position P2 korrigierbar ist und/oder eine Positionswarnung ausgebbar ist, wenn die erste Position P1 und die zweite Position P2 um mehr als ein vorgegebener Grenzwert voneinander abweichen.

Die oben genannte EP 3 049 825 A1 benötigt jedoch ein zum Zweck der Positionsbestimmung bereitgestelltes Radarsystem. Dieses ist an sich mit hohen Kosten verbunden und emittiert zusätzliche elektromagnetische Wellen, welche alleine zu diesem Zweck der Positionsbestimmung ausgesendet werden. Zusätzlich wird hierzu als erstes Mittel ein Satellitensystem benötigt, um Radiowellen reflektierende Objekte zu erfassen. Beispielsweise in U-Bahn Tunneln ist damit dieses Verfahren der oben genannten EP 3 049 825 A1 nicht möglich, da der Innenraum von U-Bahn Tunneln sich der Analyse von elektromagnetischen Wellen von Satelliten, insbesondere im Radarbereich, größtenteils bis vollständig entzieht. Es besteht ferner eine Blickwinkeldifferenz zwischen Satellit und fahrzeugeigenem Radarsystem, welche zu einer unzuverlässigeren Positionsbestimmung des Fahrzeugs führt, als unter einer gleichgerichteten Betrachtung ohne eine solche Blickwinkeldifferenz. Während diese Erfordernisse insbesondere zu einem erhöhten Investitionsaufwand bei der Bereitstellung führen und eine zusätzliche Komponente am Fahrzeug verlangen, bestehen weitere Möglichkeiten der Positionsbestimmung von Fahrzeugen. Kursorisch sei lediglich genannt, dass eine typischerweise laufzeitbasierte Positionsbestimmung mittels Satelliten, abgekürzt GNSS (wie NAVSTAR, GLONASS, BEIDOU, GALILEO, etc.) als Alternative verwendet werden kann, die jedoch naturgemäß dann nicht zur Verfügung steht, wenn die Signale der entsprechenden Satelliten nicht oder nicht in ausreichender Signalstärke empfangen werden können, wie es beispielsweise in Tunneln der Fall ist. Für Schienenfahrzeuge, die gelegentlich bis häufig Tunnel durchfahren, insbesondere Schienenfahrzeuge, die für den überwiegend unterirdischen Betrieb wie U-Bahnen vorgesehen sind, ist daher mit häufigen Ausfällen der Positionsbestimmung bis hin zu einer vollständig mangelnden Positionsbestimmung zu rechnen. Ähnlich verhält es sich mit der bekannten Positionsbestimmung durch Analyse von Signalen von WLAN Routern und HotSpots. Durch die zu lückenhafte, gelegentlich gänzlich fehlende, Verfügbarkeit in U-Bahn Tunneln ist auch diese Methode der Positionsbestimmung für Schienenfahrzeuge ungeeignet. Die aus der Luftfahrt bekannte Trägheitsnavigation mittels einer IMU (engl. für „inertial measurement unit“) ist über längere Zeit hin ungenau, da selbst nur für kurze Zeit auftretende Fehler in einer gemessenen Beschleunigung sich über die Zeit auf eine fehlerhafte Position aufintegrieren, sodass ein kleiner Fehler am Beginn der Fahrt zu einem sehr großen Positionsfehler im Laufe der Zeit führen kann.
Für Schienenfahrzeuge werden typischerweise Balisen verwendet, um Informationen an das Schienenfahrzeug zu übermitteln, beispielsweise eine aktuelle Position. Die Balise ist hierfür im Gleisbett angeordnet und liefert Informationen, welche bei der Überfahrt des Schienenfahrzeugs ausgelesen werden können. Enthalten die Informationen der Balise die Position der Balise oder ist über ein Verzeichnis die Position der Balise über deren Identifikation abrufbar, ist für das Schienenfahrzeug bei Überfahrt und Auslesen der Informationen ebenfalls in diesem Moment der Überfahrt die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs bekannt.
Häufig werden im Stand der Technik zur Schienenfahrzeuglokalisierung lediglich Blockabschnitte betrachtet, weil das System Eisenbahn betrieblich keine genauere Lokalisierungsinformation benötigt, beispielsweise zur Überwachung einer Belegung eines Blockabschnitts zur Vermeidung von gefährlichen Annäherungen mehrerer Schienenfahrzeuge zueinander. Zumindest für einen konservativen Betrieb ist die Verwendung von physischen Balisen zwar grundsätzlich ausreichend, bietet jedoch noch nicht das Maximum an Effizienz an, da die Balisen nur in gewissen Abständen voneinander angeordnet werden können und eine (quasi-) kontinuierliche Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs damit nicht möglich ist. Nach dem Stand der Technik (z.B. EP 1 674 371 ) sind daher Verfahren bekannt, bei der physische Balisen durch virtuelle Balisen ersetzt werden, welche aufbauend auf andere Lokalisierungsmethoden bei Überfahrt einer bestimmten Position (bestimmt durch die andere Methode) ein Balisensignal künstlich erzeugen. Abhilfe kann hierbei die Verwendung von Odometriedaten schaffen, die die kumuliert-abgerollte Strecke durch Aufaddieren des Produkts aus Radumfang und der Anzahl Radumdrehungen an zumindest einem Rad des Schienenfahrzeugs oder durch ein nach unten gerichtetes Radar enthalten und somit inkrementell von der zuletzt überfahrenen Balise mit Positionsdaten eine zurückgelegte Strecke ermitteln lassen. Kommt es jedoch zu Schlupf bei einer Beschleunigung im Falle von angetriebenen Rädern oder bei starken Bremsungen, oder liegt eine Abweichung des Raddurchmessers gegenüber dem erwarteten vor, beispielsweise durch Abnutzung, sind die Odometriedaten fehlerhaft.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige (quasi-) kontinuierliche Positionsbestimmung für ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, welche eventuell auftretende Fehler nicht über eine zeitliche Integration verstärkt oder auf zukünftige Zeitpunkte überträgt, und gleichzeitig mit geringem technischen Aufwand realisierbar ist.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Funksystem für ein Schienenfahrzeug, insbesondere für ein Eisenbahn-Triebfahrzeug oder einen Eisenbahnwagen, wobei das Funksystem zur Kommunikation mit einem Kommunikationspartner, insbesondere einer Zentrale oder einem anderen Fahrzeug, eine Sendeeinrichtung sowie eine Empfangseinrichtung aufweist, und wobei das Funksystem eine Recheneinheit aufweist, die dazu ausgeführt ist, laufend Signale der Empfangseinrichtung von eintreffenden elektromagnetischen Wellen, die von der Sendeeinrichtung ausgesendet und an Objekten der Umgebung des Schienenfahrzeugs reflektiert werden, zu erfassen und daraus über die Zeit eine Vielzahl von Echobildern zu erzeugen, sowie ein jeweiliges Echobild mit Vergleichsechobildern aus einer mittels einer vorangegangenen Erfassungsfahrt eines Erfassungsschienenfahrzeugs erzeugten Datenbank zu vergleichen, wobei jedem der Vergleichsechobilder der Datenbank eine jeweilige Position des Erfassungsschienenfahrzeugs zugeordnet ist, und bei Erfüllung einer vorgegebenen Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung des jeweils erfassten Echobilds mit einem Vergleichsechobild aus der Datenbank eine aktuelle Position des Schienenfahrzeugs durch Auslesen der dem übereinstimmenden Vergleichsechobild in der Datenbank zugeordneten Position zu ermitteln.
Das Schienenfahrzeug ist insbesondere ein Schienenfahrzeug für den Personen- und/oder Güterverkehr, insbesondere für Überlandstrecken. Auch Schienenfahrzeuge auf Fabrikgeländen sowie in Tunneln, in Minen und Bergwerken unter Tage, können das Funksystem verwenden. Das Schienenfahrzeug ist insbesondere geeignet, Personen zwischen Städten zu transportieren und/oder Güter über mehrere Kilometer zwischen Güterbahnhöfen und anderen Verladestationen zu verfrachten. Dabei werden typischerweise stationäre Reise-Geschwindigkeiten im Bereich zwischen 30 km/h und 80 km/h (insbesondere bei U-Bahnen) sowie Geschwindigkeiten zwischen 80 km/h und 140 km/h (insbesondere für Güterzüge und S-Bahnen) sowie Geschwindigkeiten oberhalb von 100 km/h bis 160 km/h (für Regionalbahnen und Fernreisezüge) bis hin zu Geschwindigkeiten oberhalb von 200 km/h (insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen) erreicht.
Das Schienenfahrzeug ist ferner insbesondere ein motorisiertes Eisenbahn-Triebfahrzeug, insbesondere mit Steuerfunktionen für einen Lokführer, oder ein Eisenbahnwagen, welcher typischerweise nicht angetrieben ist und von einem Triebfahrzeug gezogen oder geschoben wird. Für den Zusammenhang der vorliegenden Erfindung ist es dabei prinzipiell unerheblich, ob und für welchen Teil des Zugs eine Motorisierung vorgesehen ist; der Begriff des „Schienenfahrzeugs“ ist von der Anordnung der Motoren unabhängig. Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung sind daher generell Teil eines Funksystems und am Zug angeordnet, wobei das Schienenfahrzeug der ganze Zug, ein einzelner Wagen oder das Eisenbahn-Triebfahrzeug sein kann. Unter den Begriff des Schienenfahrzeugs fallen daher auch Triebwägen.
Während die Sendeeinrichtung elektromagnetische Wellen zur Übermittlung eines Signals mit Informationen für Kommunikationszwecke aussendet, werden diese zwar für ihren bestimmungsgemäßen Zweck der Kommunikation verwendet, gleichzeitig entstehen naturgemäß jedoch auch Reflexionen an Objekten in der Umgebung des Schienenfahrzeugs. Solche Objekte sind insbesondere Masten der Leit- und Sicherungstechnik (z.B. Oberleitungsmasten), Bäume, bewohnbare Gebäude, weitere Bauwerke der Infrastruktur wie Schallschutzwände, Brücken, sowie natürliches Gelände wie Hügel oder darauf befindliche Gegenstände wie Felsen. Die Reflexionen erreichen zunächst ohne weiteres Zutun die Empfangseinrichtung und lösen an einer Antenne der Empfangseinrichtung entsprechende verwertbare Signale aus. Durch die Recheneinheit werden diese Signale erfasst und analysiert. Es wird somit ein naturgemäß auftretender Nebeneffekt der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung verwendet, wenn diese für die Kommunikation mit einer Zentrale, einem weiteren Schienenfahrzeug oder anderen Kommunikationspartnern verwendet werden.
Die Funktionsweise der Empfangseinrichtung basiert auf der einer gewöhnlichen Antenne, an der elektromagnetische Wellen eintreffen und elektrische Effekte in der Antenne bewirken. Die Empfangseinrichtung wandelt so mithilfe der Antenne die eintreffenden elektromagnetischen Wellen in entsprechende verarbeitbare Signale um.
Die an der Empfangseinrichtung erfassten Signale, die aus Reflexionen (d. h. Echos) der von der Sendeeinrichtung am gleichen Fahrzeug ausgesendeten elektromagnetischen Wellen stammen, werden anschließend auf Muster hin ausgewertet. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass für jede Position des Schienenfahrzeugs eine in der Regel einzigartige Signatur der empfangenen Echos erfasst werden kann. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn über einen kontinuierlichen Zeitraum hin über eine Vielzahl von einzelnen nacheinander auftretenden Stichzeiten ein solches jeweiliges Muster erfasst wird. Während die Echobilder nicht notwendigerweise grafisch dargestellte Bilder im eigentlichen Sinn sind, sondern lediglich Datensätze darstellen, die für einen Datenabgleich geeignet sind, kann dennoch eine Visualisierung durch graphische Darstellung erfolgen. Wird insbesondere ein Echobild als flächiges Diagramm graphisch dargestellt, gibt bevorzugt die horizontale Achse die Zeit mit den einzelnen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten mit einzelnen Messungen an und die vertikale Achse die Laufzeit der einzelnen Echos, die zwischen Aussenden der elektromagnetischen Wellen durch die Sendeeinrichtung und Empfangen der Reflexionen der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen durch die Empfangseinrichtung liegt.
Der oben genannte Datenabgleich zwischen den Echobildern erfolgt hierbei vorzugsweise durch Korrelationsanalyse. Auch Abgleiche mithilfe der Fouriertransformation oder mittels Wavelets sind möglich.
Um ein jeweils aktuelles Echobild, welches auf den Reflexionen der Umgebung des Schienenfahrzeugs basiert, mit Vergleichsechobildern der Datenbank vergleichen zu können, wird die Datenbank insbesondere durch eine oder mehrere Erfassungsfahrten eines Erfassungsschienenfahrzeugs auf einer jeweiligen Strecke erzeugt. Hierbei wird bevorzugt ein für eine Kommunikation zwischen Schienenfahrzeug und Kommunikationspartner typisches Signal über eine Sendeeinrichtung des Erfassungsschienenfahrzeugs emittiert, und die Reflexionen dieses möglichst kontinuierlich ausgesendeten typischen Signals über eine Empfangseinrichtung des Erfassungsschienenfahrzeugs empfangen und somit das jeweilige Echobild für eine Vielzahl von einzelnen Zeitpunkten oder für eine Zeitspanne, umfassend eine Vielzahl von Zeitpunkten, erzeugt. Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung des Erfassungsschienenfahrzeugs sind dabei bevorzugt so zu wählen, dass sie in ihren jeweiligen Grundeigenschaften derer der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung entsprechen, welche am späteren Triebfahrzeug verwendet werden, um seine jeweils aktuelle Position zu bestimmen. Bei der Fahrt des Erfassungsschienenfahrzeugs wird dabei jedem erzeugten und abgespeicherten Echobild eine jeweils aktuelle Position des Erfassungsschienenfahrzeugs über eine Referenzortung zugeordnet, sodass die Datenbank eine Vielzahl von abgespeicherten Echobildern mit einer jeweilig zugeordneten Position umfasst. So kann das Schienenfahrzeug in einer späteren Fahrt durch datenanalytischen Abgleich der jeweils aktuell ermittelten Echobilder mit denen der Datenbank unter Zuordnung zu einem der Vergleichsechobilder der Datenbank die entsprechende Position auslesen, welche als aktuelle Position des Schienenfahrzeug angenommen wird.
Die jeweilige Position des Erfassungsschienenfahrzeugs bei der Abspeicherung eines jeweiligen Vergleichsechobildes wurde dabei anderweitig mittels einer Referenzortung ermittelt und wird als fehlerfrei eingestuft. Unter Umständen müssen entsprechende Vorrichtungen im Erfassungsschienenfahrzeug und/oder der Schieneninfrastruktur vorgesehen sein. Beispielsweise werden temporäre Balisen im Gleisbett eingerichtet. Alternativ oder in Kombination dazu kann eine besonders genau geeichte Odometrie-Messvorrichtung am Schienenfahrzeug verwendet werden. Alternativ oder in Kombination dazu kann auch ein Fahrzeug-externes Referenzortungssystem wie beispielsweise ein Laser-Tachymeter verwendet werden, die bei besonders langsamer Überfahrt des Erfassungsschienenfahrzeugs seine Position zeitsynchron sehr genau bestimmt.
Das in der Datenbank übereinstimmende Vergleichsechobild ist dabei dasjenige Vergleichsechobild aus der Vielzahl der Vergleichsechobilder der Datenbank, für das die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung erfüllt ist. Die vorgegebene Bedingung kann wie oben und im Folgenden erläutert auch darin bestehen, die größtmögliche Übereinstimmung unter allen Vergleichsechobildern aufzuweisen, sodass die vorgegebene Bedingung grundsätzlich nur für eines der Vergleichsechobilder erfüllt ist. Die Bedingung bezüglich der Übereinstimmung impliziert jedoch nicht, dass vollständige Identität zwischen einem Echobild und einem der Vergleichsechobilder notwendigerweise vorliegt, bevorzugt ist die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Metrik definiert, die den Grad der Übereinstimmung derart berücksichtigt, dass eine bestimmte Annäherung an die Identität ausreichend für die Zuordnung ist. In der Praxis wird daher statt einer Suche nach Identität eine Ähnlichkeitsanalyse vorgenommen, alleine aufgrund von Rauschsignalen, die mit jeder Fahrt eines Schienenfahrzeugs variieren.
Die Sendeeinrichtungen und die Empfangseinrichtung sind typischerweise in einer gemeinsamen Einheit, insbesondere innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, angeordnet. Werden sie jedoch örtlich voneinander getrennt angeordnet, wenn beispielsweise die Sendeeinrichtung eines vorderen Zugteils und die Empfangseinrichtung eines hinteren Zugteils oder umgekehrt erfindungsgemäß verwendet werden, ist dies prinzipiell möglich, erfordert jedoch eine komplexere Vorgehensweise. Vereinfacht ist ein solches Vorgehen dann möglich, wenn solche unkonventionellen Gegebenheiten auch am Erfassungsschienenfahrzeug gleichermaßen vorlagen, sodass die Echobilder ohne zusätzliche Transformationen und andere Umrechnungen miteinander vergleichbar sind.
Das Funksystem dient daher primär dem Zweck der Kommunikation mit einem Kommunikationspartner wie einer Zentrale, einem Streckenposten oder einem anderen Fahrzeug, insbesondere einem anderen Schienenfahrzeug, beispielsweise als Sprechfunk. Die Zentrale ist beispielsweise ein Stellwerk. Ein weiterer, sekundärer, Zweck des Funksystems wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass die zur Kommunikation verwendeten Signale auch zur Positionsbestimmung des eigenen Schienenfahrzeugs verwendet werden.
Es wird daher eine zugautonome Eigenlokalisierung ermöglicht, die zuverlässig verfügbar entlang einer gesamten vorgesehenen Strecke ist, sowie eine hohe Genauigkeit aufweist. Es ist darüber hinaus eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung, welche typischerweise in einem Schienenfahrzeug ohnehin bereits verbaut sind, verwendet werden können, um eine jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs in kurzen Abständen ermitteln zu können, ohne dass dabei aufwändige Modifikationen eines bereits bestehenden Funksystems eines Schienenfahrzeugs, welches zur Kommunikation entworfen wurde, notwendig sind. Vielmehr sind sowohl die Sendeeinrichtung als auch die Empfangseinrichtung ohne irgendwelche Modifikationen verwendbar, es ist lediglich eine entsprechende Datenbank mit vorab gespeicherten Vergleichsechobildern sowie eine Software-Auswertung der insbesondere an der Empfangseinrichtung empfangenen Signale einschließlich des Abgleichs mit den Vergleichsechobildern aus der Datenbank notwendig, um die jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs zu bestimmen. Die beschriebene Nutzung des Funksystems zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs lässt sich zudem vorteilhaft auch im Stillstand des Schienenfahrzeugs durchführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst ein Jeweiliges der Echobilder sowie ein Jeweiliges der Vergleichsechobilder jeweils mindestens ein, bevorzugt genau ein Reflexionsmuster, wobei jedes der Reflexionsmuster genau einem Zeitpunkt zugeordnet ist und jedes der Reflexionsmuster eine jeweilige Laufzeit der von der Sendeeinrichtung ausgesendeten und an den Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen bis zum Eintreffen an der Empfangseinrichtung umfasst.
Gemäß dieser Ausführungsform erfolgen jeweils elementare oder überstreifende Vergleiche zwischen den einzelnen Reflexionsmustern, die, wenn grafisch dargestellt, z.B. unterschiedliche Helligkeitswerte für die Leistungen der Echos auf einer endlichen Strecke aufweisen. Überstreifende Vergleiche nutzen dabei im Gegensatz zu den elementaren Vergleichen die kontinuierlich aktualisierte Kombination von mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmustern je Zeitpunkt (sogenannte „samples“), während die elementaren Vergleiche zeitlich aneinander gereiht einzelne Vergleiche je sample durchführen. Zwar ist ein einzelnes Reflexionsmuster je Zeitpunkt wenig aussagekräftig und die Wahrscheinlichkeit für Fehlinterpretationen der Position liegt relativ hoch im Vergleich zur nachfolgend beschriebenen Ausführungsform, jedoch kann über die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Vergleichen von einzelnen Reflexionsmustern mit denen der Datenbank wiederum die gleiche Genauigkeit bei der Positionsschätzung erreicht werden, wie in der folgenden Ausführungsform:

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst ein Jeweiliges der Echobilder sowie ein Jeweiliges der Vergleichsechobilder jeweils eine über einen vorgegebenen Zeitabschnitt erfasste Vielzahl von Reflexionsmustern, wobei jedes der Reflexionsmuster genau einem Zeitpunkt zugeordnet ist und jedes der Reflexionsmuster eine jeweilige Laufzeit der von der Sendeeinrichtung ausgesendeten und an den Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen bis zum Eintreffen an der Empfangseinrichtung umfasst, sodass das jeweilige Echobild als flächiges Muster durch Nebeneinanderreihung der Reflexionsmuster über die Zeitpunkte des vorgegebenen Zeitabschnitts darstellbar ist.

Der Wert des vorgegebenen Zeitabschnitts wird insbesondere unterhalb 1 Minute gewählt, insbesondere abhängig von einer erwarteten durchschnittlichen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Besonders bevorzugt wird für den Zeitabschnitt ein Wert zwischen (jeweils einschließlich) 1 und 30 Sekunden gewählt. Innerhalb dieses vorgegebenen Zeitabschnitts wird eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten betrachtet, wobei für jeden dieser Zeitpunkte ein Reflexionsmuster erfasst wird, welches, wenn grafisch dargestellt, unterschiedliche Helligkeitswerte auf einer endlichen Strecke aufweist, wobei jeder der Helligkeitswerte für eine entsprechende Leistung des Echos an der Empfangseinheit steht und ein Abstand des jeweiligen Echowerts von einem Ursprung der Strecke ein Maß für die Laufzeit vom Aussenden des Signals bis zum Empfangen des Echos an dem jeweiligen Zeitpunkt angibt. In einer solchen grafischen Darstellung ergäben diese endlichen Strecken nebeneinander gereiht das Echobild mit flächigem Muster. Gemäß dieser Ausführungsform werden genau diese Echobilder mit analog aufgebauten Vergleichsechobildern der Datenbank verglichen. Bevorzugt jedoch nicht in der oben genannten möglichen grafischen Darstellung, die primär als Gedankenstütze für die Vorstellung über die Daten dient, sondern bevorzugt über Korrelationsanalyse. Andere Vergleichsmethoden sind denkbar, beispielsweise auf Basis einer Fourier- Transformation, mithilfe von Wavelets, oder anderen. Für alle Vergleiche werden insbesondere die einzelnen Reflexionsmuster abhängig von der Anzahl der Zeitpunkte und damit der Anzahl der Datenpunkte je Echobild aus der Datenbank ausgewählt. Diese Auswahl kann aneinandergereiht erfolgen, beispielsweise wenn alle 10 Sekunden ein Echobild mit einer vorgegebenen Länge von 10 Sekunden betrachtet wird. Das Intervall, mit dem neue Echobilder analysiert werden und die zeitliche Länge des Echobilds, bestimmt durch den vorgegebenen Zeitabschnitt, sind jedoch grundsätzlich unabhängig, sodass auch beispielsweise alle 2 Sekunden ein jeweiliges Echobild mit der vorgegebenen Länge von 10 Sekunden mit den Daten der Datenbank verglichen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, im Stillstand des Schienenfahrzeugs erzeugte Echobilder mit den Vergleichsechobildern aus der Datenbank zu vergleichen. Diese Ausführungsform nutzt den Vorteil aus, dass das Funksystem zur Positionsbestimmung nicht nur während der Fahrt des Schienenfahrzeugs verwendet werden kann, sondern auch im Stillstand des Schienenfahrzeugs.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, aus zumindest einem Echobild eine jeweils aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs zu ermitteln. Die ermittelte Geschwindigkeit kann dabei im Ergebnis auch 0 km/h sein, sodass ein Stillstand des Schienenfahrzeugs erkannt wird. Die Ermittlung der Geschwindigkeit erfolgt bevorzugt durch Analyse der Abfolge einzelner Echomuster auf ihre zeitlichen Abstände im Vergleich zu denen der Datenbank.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung Teil eines analogen oder digitalen Sprechfunks des Schienenfahrzeugs.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die mittels der Echobilder ermittelte jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs mit einer aus einer anderen technischen Quelle ermittelten aktuellen Position des Schienenfahrzeugs zu vergleichen, oder durch Sensorfusion zu ergänzen, oder die durch mehrere technischen Quellen einschließlich die der Echobilder ermittelte Positionen einem Schätzer zuzuführen, insbesondere einem Kalmanfilter oder einem Partikelfilter.
Weitere mögliche technische Quellen zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs können sein (nicht abschließend): Odometrieeinheit, Leseeinrichtung für Informationen von Balisen im Gleisbett, satellitengestützte Ortung (GNSS) wie NAVSTAR (allgemein unter GPS bekannt), GLONASS, Radar-gestützte Positionsbestimmung, Inertialsensorik, Magnetfeldsensorik. Während jede technische Quelle für die Positionsbestimmung ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweist, können somit die einzelnen technischen Quellen zur Stützung einer jeweils anderen herangezogen werden und in Summe ein zuverlässigeres Verfahren der Positionsbestimmung ermöglichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung eine höchste Wahrscheinlichkeit der Identität eines Echobildes mit einem Vergleichsechobild aus der Datenbank.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung das Überschreiten eines Grenzwerts bezüglich der Übereinstimmung von Merkmalen der Echobilder.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, bei dem Vergleich des jeweiligen Echobilds mit den Vergleichsechobildern nur eine situationsabhängige Untermenge der Vergleichsechobilder auf Erfüllung der vorgegebenen Bedingung bezüglich Übereinstimmung zu überprüfen, wobei die Untermenge durch Eingrenzung auf eine zu befahrende Strecke, durch Eingrenzung auf einen zu befahrenden Streckenabschnitt, oder mittels Plausibilitätskontrolle durch Heranziehung der durch eine andere technische Quelle ermittelte jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs von der Recheneinheit bestimmt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Funksystem wie oben und im Folgenden beschrieben.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Schienenfahrzeugs ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Funksystem vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: Ein Funksystem an einem Schienenfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2: Ein beispielhaftes Echobild eines Funksystems.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt ein Funksystem 1 an dem Triebfahrzeug eines Hochgeschwindigkeitszugs 3 für den Personenverkehr. Das Funksystem 1 dient zum analogen Sprechfunk für die Kommunikation mit einem Stellwerk sowie anderen Schienenfahrzeugen. Hierfür sind im Funksystem 1 eine Sendeeinrichtung 5 sowie eine Empfangseinrichtung 7 vorgesehen. Eine Recheneinheit 9 des Funksystems 1 erfasst laufend während der ganzen Fahrt des Hochgeschwindigkeitszugs 3 Signale der Empfangseinrichtung 7, die an der Empfangseinrichtung 7 abhängig von eintreffenden elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich des Sprechfunks zur weiteren Verarbeitung ausgegeben werden. Dabei werden diejenigen Signale verwendet, die von der Sendeeinrichtung 5 ausgesendet wurden und durch Reflexion an Objekten der Umgebung des Hochgeschwindigkeitszugs 3 zurück zum Funksystem 1 reflektiert werden. Aus diesen Signalen werden von der Recheneinheit 9 über die Zeitdauer der Fahrt auf der Strecke eine Vielzahl von Echobildern erzeugt. Dieselbe Strecke wurde in der Vergangenheit von einem Erfassungsschienenfahrzeug zum Zweck einer Erfassungsfahrt bereits befahren. Auf der Erfassungsfahrt hat das Erfassungsschienenfahrzeug, welches mit einer baugleichen Sendeeinrichtung sowie einer baugleichen Empfangseinrichtung wie der
Hochgeschwindigkeitszug 3 ausgerüstet war, elektromagnetische Wellen für typische Sprechfunksignale über die Sendeeinrichtung kontinuierlich ausgesendet, und die Reflexionen dieser ausgesendeten elektromagnetischen Wellen an seiner Empfangseinrichtung empfangen. Ein Bordcomputer des Erfassungsschienenfahrzeugs hat hierbei zu einer Vielzahl von Zeitschritten mit der Frequenz 100 Hz jeweils das Echo der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen empfangen. Für jeden Zeitschritt wurde dabei von dem Bordcomputer das erhaltene Reflexionsmuster abgespeichert und einer aktuellen Position des Erfassungsschienenfahrzeugs zugeordnet. Diese Position wurde anhand temporär verlegter, engmaschig installierter Balisen im Gleisbett und mit Hilfe eines Laser-Tachymeters erhalten. Es kann also daher davon ausgegangen werden, dass die jeweils aktuelle Position für das Erfassungsschienenfahrzeug auf der Erfassungsfahrt durchgehend mit sehr hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit bekannt war. Über die einzelnen Zeitpunkte der Erfassungsfahrt wurden somit die zugehörigen Reflexionsmuster gesammelt und in einer Datenbank abgespeichert. Die Reflexionsmuster werden von der Recheneinheit 9 analog dazu gesammelt und für vorgegebene Zeitabschnitte von fünfzehn Sekunden zu einem Echobild zusammengesetzt, welches beispielhaft in 2 gezeigt ist. Diese Echobilder aus der Fahrt des Hochgeschwindigkeitszugs 3 werden dann mit den entsprechenden Mengen von Datenpunkten der Datenbank abgeglichen und auf Übereinstimmung überprüft. Wird die größte auftretende Übereinstimmung des jeweils erfassten Echobilds mit einem so gebildeten Vergleichsechobild aus der Datenbank gefunden, wird die aktuelle Position des Hochgeschwindigkeitszugs 3 durch Auslesen der dem übereinstimmenden Vergleichsechobild in der Datenbank zugeordneten Position ermittelt.
2 zeigt ein beispielhaftes Echobild. Die horizontale Achse gibt einen Zeitraum von fünfzehn Sekunden an, welcher mit einer Auflösung von 100 Hz in einzelne Zeitpunkte logisch unterteilt ist. Die vertikale Achse gibt mit zunehmender Höhe vom Ursprung eine zunehmende Laufzeit der Wellen bis hin zum Empfang als Echo an. Entlang der vertikalen Achse ist für jeden dieser Zeitpunkte ein längliches Reflexionsmuster dargestellt, wobei über die hohe Auflösung von 100 Zeitpunkten die über diese Zeitpunkte horizontal aneinandergereihten, senkrecht linear eingezeichnet zu verstehenden, Reflexionsmuster das Echobild bilden, welches als grafische Interpretation der Echos verstanden werden kann. Jedes der Reflexionsmuster zeigt dabei eine jeweilige Laufzeit der von der Sendeeinrichtung 5 ausgesendeten und an den Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen bis zum Eintreffen an der Empfangseinrichtung 7. Grundsätzlich könnte die grafische Darstellung des Echobilds Helligkeitsabstufungen aufweisen, die der empfangenen Leistung der elektromagnetischen Wellen zugeordnet werden können. 2 ist der Einfachheit halber skizzenhaft gehalten und zeigt nur die wesentlichen Echos der elektromagnetischen Wellen. Der schräge Verlauf der gezeigten Linien kommt dadurch zustande, dass hierin Echos an Objekten wie Oberleitungsmasten erfasst wurden, wobei bzgl. der vorausliegenden Objekte mit zunehmender Zeit durch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitszugs 3 und der damit verbundenen Annäherung an den jeweiligen Oberleitungsmast der Abstand zwischen Oberleitungsmast und Hochgeschwindigkeitszug 3 sinkt, sodass auch die Laufzeit der reflektierten Wellen über die Zeit kürzer wird, d. h. das empfangene Echo in zunehmend kürzeren Abständen zum Sendezeitpunkt wieder empfangen wird. An jedem der Reflexionsmuster, das heißt zu jeweils genau einem Zeitpunkt des Zeitabschnitts, sind mehrere Reflexionen mit zueinander unterschiedlichen Laufzeiten sichtbar. Die horizontale Linie im untersten Teil des Echobildes bildet dabei die sogenannte „Line of Sight“. Die Abstände zwischen diesen schräg verlaufenden Linien sind charakteristisch für den jeweiligen Ort und erlauben somit eine Positionsbestimmung. Der jeweils absteigende Ast ist wegen der Verkürzung der Laufzeiten der Echos über die Zeit bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wegen der verkürzten Strecke zum reflektierenden Objekt auf ein jeweiliges Objekt bezogen, welches in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs vorne liegt, der jeweils aufsteigende Ast bezieht sich auf in Fahrtrichtung rückwärtsgelegenes Objekt, da über die Zeit bei einer Vorwärtsfahrt der Abstand und somit die Laufzeit der Echos zunimmt. Ein Schnitt entlang einer Vertikalen zu einem beliebigen Zeitpunkt, auch genannt Sample, zeigt dabei im Allgemeinen Schnittpunkte mit mehreren aufsteigenden und/oder absteigenden Ästen, wobei die Abstände der Schnittpunkte ein Maß für die Unterschiede in den erfassten Laufzeiten der elektromagnetischen Wellen sind und eine Signatur bilden, welche charakteristisch für den Ort ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Funksystem
3: Schienenfahrzeug
5: Sendeeinrichtung
7: Empfangseinrichtung
9: Recheneinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3049825 A1 [0003, 0004]
EP 1674371 [0006]

Claims

Funksystem (1) für ein Schienenfahrzeug (3), insbesondere für ein Eisenbahn-Triebfahrzeug oder einen Eisenbahnwagen, wobei das Funksystem (1) zur Kommunikation mit einem Kommunikationspartner, insbesondere einer Zentrale oder einem anderen Fahrzeug, eine Sendeeinrichtung (5) sowie eine Empfangseinrichtung (7) aufweist, und wobei das Funksystem (1) eine Recheneinheit (9) aufweist, die dazu ausgeführt ist, laufend Signale der Empfangseinrichtung (7) von eintreffenden elektromagnetischen Wellen, die von der Sendeeinrichtung (5) ausgesendet und an Objekten der Umgebung des Schienenfahrzeugs (3) reflektiert werden, zu erfassen und daraus über die Zeit eine Vielzahl von Echobildern zu erzeugen, sowie ein jeweiliges Echobild mit Vergleichsechobildern aus einer mittels einer vorangegangenen Erfassungsfahrt eines Erfassungsschienenfahrzeugs erzeugten Datenbank zu vergleichen, wobei jedem der Vergleichsechobilder der Datenbank eine jeweilige Position des Erfassungsschienenfahrzeugs zugeordnet ist, und bei Erfüllung einer vorgegebenen Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung des jeweils erfassten Echobilds mit einem Vergleichsechobild aus der Datenbank eine aktuelle Position des Schienenfahrzeugs (3) durch Auslesen der dem übereinstimmenden Vergleichsechobild in der Datenbank zugeordneten Position zu ermitteln.
Funksystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein Jeweiliges der Echobilder sowie ein Jeweiliges der Vergleichsechobilder jeweils mindestens ein Reflexionsmuster umfasst, wobei jedes der Reflexionsmuster genau einem Zeitpunkt zugeordnet ist und jedes der Reflexionsmuster eine jeweilige Laufzeit der von der Sendeeinrichtung (5) ausgesendeten und an den Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen bis zum Eintreffen an der Empfangseinrichtung (7) umfasst.
Funksystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein Jeweiliges der Echobilder sowie ein Jeweiliges der Vergleichsechobilder jeweils eine über einen vorgegebenen Zeitabschnitt erfasste Vielzahl von Reflexionsmustern umfasst, wobei jedes der Reflexionsmuster genau einem Zeitpunkt zugeordnet ist und jedes der Reflexionsmuster eine jeweilige Laufzeit der von der Sendeeinrichtung (5) ausgesendeten und an den Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen bis zum Eintreffen an der Empfangseinrichtung (7) an dem jeweiligen Zeitpunkt umfasst, sodass das jeweilige Echobild als flächiges Muster durch Nebeneinanderreihung der Reflexionsmuster über die Zeitpunkte des vorgegebenen Zeitabschnitts darstellbar ist.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (9) dazu ausgeführt ist, aus zumindest einem Echobild eine jeweils aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (3) zu ermitteln.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinrichtung (5) und die Empfangseinrichtung (7) Teil eines analogen oder digitalen Sprechfunks des Schienenfahrzeugs (3) sind.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (9) dazu ausgeführt ist, die mittels der Echobilder ermittelte jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs (3) mit einer aus einer anderen technischen Quelle ermittelten aktuellen Position des Schienenfahrzeugs (3) zu vergleichen, oder durch Sensorfusion zu ergänzen, oder die durch mehrere technischen Quellen einschließlich die der Echobilder ermittelte Positionen einem Schätzer zuzuführen, insbesondere einem Kalmanfilter oder einem Partikelfilter.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung eine höchste Wahrscheinlichkeit der Identität eines Echobildes mit einem Vergleichsechobild aus der Datenbank ist.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Bedingung bezüglich einer Übereinstimmung das Überschreiten eines Grenzwerts bezüglich der Übereinstimmung von Merkmalen der Echobilder ist.
Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (9) dazu ausgeführt ist, bei dem Vergleich des jeweiligen Echobilds mit den Vergleichsechobildern nur eine situationsabhängige Untermenge der Vergleichsechobilder auf Erfüllung der vorgegebenen Bedingung bezüglich Übereinstimmung zu überprüfen, wobei die Untermenge durch Eingrenzung auf eine zu befahrende Strecke, durch Eingrenzung auf einen zu befahrenden Streckenabschnitt, oder mittels Plausibilitätskontrolle durch Heranziehung der durch eine andere technische Quelle ermittelte jeweils aktuelle Position des Schienenfahrzeugs (3) von der Recheneinheit (9) bestimmt wird.
Schienenfahrzeug (3) mit einem Funksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.