DE19701800A1

DE19701800A1 - Einrichtungen zum Erkennen von lokalen Fehlern in einem satellitengestützten Naviagtionssystem zur Eigenortung eines spurgeführten Fahrzeugs

Info

Publication number: DE19701800A1
Application number: DE19701800A
Authority: DE
Inventors: E Prof Dr-Ing Schnieder; Axel Dipl Ing Janhsen; Karl-A Dipl Ing Klinge
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-01-08
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 1998-07-09

Description

Satellitengestützte Navigationssysteme werden u. a. zur Navi gation von Fahrzeugen, etwa zur Ortung von Fahrzeugen im Rahmen von Verkehrsleitsystemen, verwendet. Grundlage eines solchen Systems sind auf genau bestimmten Orbitalbahnen in einer Entfernung von etwa 20.000 km die Erde umkreisende Satelliten. Zur Zeit gibt es zwei solcher Satellitensysteme, die allgemein als GNSS-Systeme (Global Navigation Satellite System) bezeichnet werden, nämlich das GPS-System (Global Positioning System) des amerikanischen und das GLONASS-System des russischen Verteidigungsministeriums. Die Funktionsweise ist bei beiden Systemen grundsätzlich gleich. Unterschiede bestehen in den verwendeten Frequenzen und in unterschied lichen Bahngeometrien der Satelliten. Die genannten Satel liten senden fortlaufend Daten zur Erde, die es ermöglichen, den Abstand zwischen einem Satelliten und einem Empfänger bzw. einer Antenne zu messen. Wenn die Positionen der Satel liten in dem für den Ortungsvorgang jeweils zugrundegelegten Koordinatensystem bekannt sind, läßt sich aus wenigstens drei Abstandsmessungen zu verschiedenen Satelliten auf dem Weg über eine Triangulation die Position des Empfänger- bzw. Antennenortes bestimmen.

Die Satelliten jedes Ortungssystems sind so positioniert, daß von jedem Punkt der Erde aus mindesten vier Satelliten be obachtbar sind bzw. deren Signale empfangen werden können.

Das GPS- und das GLONASS-System beruhen im Prinzip darauf, daß Satelliten und Empfänger zur gleichen Zeit einen Pseudo- Zufallscode erzeugen. Der Empfänger vergleicht die empfangene Code-Sequenz mit der von ihm selbst produzierten und stellt dabei eine Zeitverschiebung fest. Diese Zeitverschiebung ist die Zeit, die ein Signal benötigt hat, um vom Satelliten zum Empfänger zu gelangen. Da sich ein elektromagnetisches Signal mit einer bekannten Geschwindigkeit, nämlich der Lichtge schwindigkeit ausbreitet, kann die Entfernung Satellit- Empfänger berechnet werden. Während die Satelliten mit exakt arbeitenden Atomuhren ausgestattet sind, ist dies bei den Empfängern aus Kostengründen im allgemeinen nicht der Fall. Die Empfänger sind zwar ebenfalls mit sehr genau gehenden Quarzuhren ausgestattet, die aber gegenüber den Atomuhren der Satelliten ungenau sind, so daß bei der Abstandsberechnung ein Zeitfehler berücksichtigt werden muß. Während theoretisch eine Positionsbestimmung mit drei Satelliten möglich ist, werden zur Eliminierung des Zeitfehlers vier solcher Messun gen vorgenommen. Mathematisch gesehen werden also vier Ab standsgleichungen mit vier Unbekannten (drei Satellitenab stände + Zeitfehler) aufgestellt. Aus den errechneten Ab ständen und den Ephemeriedaten der Satelliten läßt sich somit die Position eines Empfängers ermitteln.

Die berechneten Abstände sind aber mit weiteren Fehlern be haftet, die u. a. auf einer Beeinflussung des Satelliten signals beim Durchtritt durch die Atmosphäre beruhen. Weitere Abweichungen vom tatsächlichen Abstandswert ergeben sich auf grund von im Wirkbereich einer Empfangsantenne auftretenden Fehlern. Solche lokalen Fehler werden beispielsweise durch Mehrwegeausbreitungen hervorgerufen. Mehrwegeausbreitungen entstehen, wenn das Satellitensignal an in der Nähe des Antennenortes befindlichen Flächen wie Häuserfronten oder Fensterfronten gespiegelt wird. Wenn das direkte und das gespiegelte Signal gemeinsam empfangen werden, überlagern sich die beiden Signale und erzeugen dabei periodische Pha senfehler, die zu fehlerhaften Pseudoabstandsmessungen und damit zu ungenauen Positionsbestimmungen führen. Wenn nur das gespiegelte Signal empfangen wird, weil beispielsweise das direkte Signal abgeschattet ist, wird ein zu großer Abstand gemessen. Bei der Bahnortung entstehen lokale Fehler auch durch diffuse Streuungen der Satellitensignale an Oberlei tungen und an den Masten der Fahrstromzuführung. Neben loka len Fehlern treten noch systembedingte Fehler, etwa Empfän gerfehler auf. Ein auf die oben erläuterte Weise ermittelter Abstand Satellit-Empfänger wird deshalb als Pseudoabstand bezeichnet. Unter Zugrundelegung dieser Pseudoabstände können die Positionen bisher nur mit einer Genauigkeit von allen falls 100 Metern bestimmt werden.

Viele Anwendungen erfordern jedoch höhere Genauigkeiten. Eine größere Genauigkeit kann durch das sog. differenzielle GNSS (DGNSS) erreicht werden. Dabei wird ein Referenzempfänger mit einer bekannten Position benutzt. Der Referenzempfänger be rechnet seinen tatsächlichen Abstand zu einem bestimmten Satelliten und vergleicht diesen Abstand mit dem gemessenen Pseudoabstand. Das Ergebnis dieses Vergleichs führt zu einem Korrekturfaktor, der die beim Durchtritt durch die Atmosphäre hervorgerufenen weiträumigen Ausbreitungsfehler eliminiert. Dieser Korrekturfaktor wird über einen Kommunikationskanal an den mobilen Empfänger weitergeleitet und wird dort zur Kor rektur der Pseudoabstände benutzt. Das DGNSS geht dabei von der Annahme aus, daß Fehler in der Übertragungsebene dann herausfallen, wenn die elektromagnetischen Wellen zwischen Satellit und Empfängern jeweils annähernd gleichen atmosphä rischen Bedingungen ausgesetzt sind. Dies ist der Fall, wenn Referenzempfänger und mobiler Empfänger nicht zu weit von einander entfernt sind.

Dennoch können bei extremen Wetterbedingungen, etwa bei Ge wittern, unterschiedliche atmosphärische Bedingungen vorlie gen, die zu für die genannten Empfänger unterschiedlichen, aber nicht ohne weiteres erkennbaren Fehlern führen.

Mit dem DGNSS können aber auch in der Ausbreitungsebene lokal beschränkt wirksame Fehler, wie z. B. Mehrwegeausbreitungen, nicht erkannt werden. Solche Fehler werden bisher durch re dundante Informationen entweder über den Standort des mobilen Empfängers oder durch Heranziehung weiterer Satelliten elimi niert. Bei letzterem Verfahren wird zu wenigstens einem wei teren Satelliten eine Abstandsmessung durchgeführt. Um feh lerhafte Satellitensignale zu erkennen, werden gleichzeitig Abstandsmessungen zu fünf Satelliten benötigt, für die Eliminierung des Fehlers je nach verwendetem Algorithmus sogar sechs oder mehr. Im Landverkehr und insbesondere im Bahnverkehr ist jedoch die gleichzeitige Beobachtung einer Konstellation von fünf oder mehr Satelliten nur selten mög lich. Eine mit Hilfe von vier oder weniger verfügbaren Satel liten ermittelte Positionsinformation kann deshalb auch bei Verwendung von DGNSS durch unerkannte lokale Fehler ver fälscht sein. Der Einsatz eines herkömmlichen DGNSS ist deshalb für sicherheitsrelevante Navigationsaufgaben dort ausgeschlossen, wo mit einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Satelliten zu rechnen ist. Dies ist beispielsweise in Gebirgsgegenden und in Städten mit Hochhäusern der Fall.

Lokale Fehler insbesondere durch Mehrwegeausbreitungen lassen sich erkennen, wenn gleichzeitig Code- und Trägerphasenmes sungen durchgeführt werden. Der Anstieg der Differenz zwi schen beiden Messungen weist auf einen Fehler hin. Nachteilig bei dieser Methode ist, daß Empfänger zur Verfügung gestellt werden müssen, die zur Messung sowohl der Code- als auch der Trägerphase bei entsprechend ausgelegter Rechnerkapazität etc. ausgerüstet sind. Außerdem ist ihre Anwendung für den Bahnbetrieb praktisch ausgeschlossen, da ununterbrochene Sicht zu wenigstens einem Satelliten nötig ist; andernfalls kann die durch relative Messungen fortgesetzte Absolutmessung nach einer Sichtunterbrechung nicht weitergeführt werden. Die resultierende Phase des Doppler-Frequenzhubes kann dann nicht mehr weitergezählt werden, es treten sog. "Cycle slips" auf.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, Einrich tungen zum Erkennen von lokalen Fehlern in einem satelliten gestützten Navigationssystem zur Eigenortung eines spurge führten Fahrzeugs anzugeben, die ohne Code- und Trägerphasen messungen auskommen. Bei dem spurgebundenen Fahrzeug handelt es sich um ein einziges Fahrzeug oder mehrere zu einem Fahr zeugverband zusammengeschlossene Einzelfahrzeuge wie z. B. Schienen- oder Schwebefahrzeuge oder Schiffe auf einer Binnenschiffahrtsstraße.

Diese Aufgabe wird durch Einrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 gelöst. Dabei sind auf dem zu überwachenden schienen gebundenen Fahrzeug wenigstens zwei Antennen zum Empfang eines ortungsrelevanten Satellitensignals beabstandet zuein ander angeordnet. Unter ortungsrelevanten Satellitensignalen sind dabei solche Signale zu verstehen, die der Positionsbe stimmung dienen. Aus dem durch Satellitenortung ermittelten Ortungsergebnis der einen Fahrzeugantenne wird unter Zugrun delegung der jeweiligen Streckenführung die Ortsposition der anderen Antenne bestimmt und mit der durch Satellitenortung ermittelten Ortsposition dieser Antenne verglichen. Unter scheiden sich die für diese Antenne ermittelten Ortspositio nen markant voneinander, so liegt offensichtlich ein lokaler Fehler vor, der mindestens zum Verwerfen des Ortungsergeb nisses für die in Fahrrichtung vordere Antenne führt.

Der durch lokale Ausbreitungsfehler bedingte Ortungsfehler ist umso ausgeprägter, je größer der Abstand zwischen den Antennen ist. Aus diesem Grunde sind die Antennen gemäß Anspruch 1 möglichst weit beabstandet auf einem Zuge anzu bringen, insbesondere am Anfang und am Ende eines Zuges.

Wenn die Antennen gemäß Anspruch 2 nur gering beabstandet sind, lassen sich Ortungsfehler aufgrund lokaler Fehler dadurch erkennen, daß das Integral über die Differenzen der Ortungsergebnisse der einen Antenne vorausberechneten Orts positionen der anderen Antenne mit den Ortungsergebnissen der anderen Antenne gebildet wird. Üblicherweise gleichen sich die Differenzen über die Zeit aus. Verändern sie sich jedoch sprunghaft in die gleiche Richtung, so liegt offensichtlich ein das Ortungsergebnis einer der Antennen beeinflussender lokaler Fehler vor.

Als Ortungsergebnis kommt gemäß Anspruch 3 vorzugsweise die Position einer Antenne in der Raumkurve oder ihr Abstand zu einem Satelliten in Frage.

Dadurch, daß die Raumkurve bzw. die Bewegungsbahn des Fahr zeuges bekannt sind, wird die Navigationsaufgabe vereinfacht, da theoretisch nur der Abstand zu einem Satelliten bestimmt werden muß, wobei eine Kugel mit dem Satelliten als Mittel punkt und dem Pseudoabstand als Radius die Raumkurve an im Allgemeinfall mehreren Stellen schneidet. Die meisten dieser Schnittpunkte können durch eine Plausibilitätsüberprüfung (Vergleich mit dem sicherheitsrelevanten Vertrauensintervall der fahrwegbezogenen Position) ausgeschlossen werden. Wenn die Raumkurve gemäß Anspruch 7 in digitaler Form vorliegt, lassen sich die Ortungsergebnisse hochgenau, zuverlässig und schnell durch digitale Signalverarbeitung bestimmen.

Die beiden Antennen können, wie im Anspruch 4 angegeben, einem gemeinsamen Empfänger zugeordnet sein. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Navigations systems besteht darin, daß jeder Antenne ein eigener Empfän ger zugeordnet ist. Es können dann übliche Empfänger verwen det werden, die in der Regel bereits eine eine Antenne bein haltende Einheit darstellen. Wenn, wie in Anspruch 5 vorge schlagen, baugleiche Empfänger verwendet werden, die zudem über eine Kommunikationsverbindung miteinander verbunden sind, so lassen sich Empfängeruhrenfehler und der Empfänger fehler-Sammelterm ebenfalls annähernd eliminieren. Vorzugs weise wird die Kommunikationsverbindung gemäß Anspruch 6 von einem fahrzeugseitigen Lichtleiterkabel gebildet. Solche Lichtleiterkabel weisen eine sehr hohe Übertragungsgüte auf und lassen sehr hohe Informationsdichten zu.

Der Abstand der Antennen ist gemäß Anspruch 9 vorzugsweise so groß, daß der lokale Fehler eines Satellitensignals nicht beide Antennen gleichzeitig trifft. Dies ist in der Regel bei einem modernen Personenzug mit mehreren Triebköpfen, etwa einem ICE-Zug, der Fall. Wenn beispielsweise ein Satelliten signal durch den Mast einer Oberleitung gestreut wird, so ist es praktisch ausgeschlossen, daß diese Streuung beide Anten nen in gleicher Weise betrifft. Ein ähnlicher Fall liegt vor, wenn ein Zug in den Bereich von Häuserfronten gelangt. Ein an einer solchen Häuserfront gespiegeltes Signal und die dadurch bedingte Mehrwegeausbreitung des Signals wirkt sich zunächst nur auf die am Vorderende des Zugs befindliche Antenne aus. Auf die am Hinterende angeordnete Antenne dagegen wirkt sich diese Mehrwegausbreitung zunächst nicht aus. Durch einen Ver gleich der den genannten Antennen zugeordneten Positionslö sungen läßt sich erkennen, daß ein Fehler vorliegen muß. Da mit der genannte Vergleich zwischen der vorderen und hinteren Antenne nicht bereits bei kleinsten Driften des einen oder anderen Signals zu einer Fehlermeldung führt, kann ein be stimmter Schwellenwert festgelegt werden. Erst bei Über schreiten eines solchen Schwellenwertes wird ein bestimmter Meßwert bzw. eine Positionslösung als fehlerhaft "aussor tiert" bzw. aus der Positionslösung eliminiert.

Eine prinzipiell andere Anordnung der Antennen ist in An spruch 10 genannt. Danach sind die Antennen nahe beieinander, insbesondere auf demselben Kopf eines Zuges angeordnet. Durch eine solche Anordnung wird ein Abstand erreicht, bei dem ein lokaler Ausbreitungsfehler beide Antennen gleichzeitig trifft. In vorteilhafter Weise ist der Abstand zwischen den Antennen so gewählt, daß er gemäß Anspruch 2 gleich dem Quo tienten aus der Zuggeschwindigkeit und der Ortungsfrequenz der Empfänger ist. Als Zuggeschwindigkeit wird dabei zweck mäßigerweise die augenblicklich wahrscheinlichste Geschwin digkeit angenommen. Unter der Ausgabefrequenz der Ortungs angaben ist diejenige Frequenz zu verstehen, mit der ein Empfänger eine berechnete Position ausgibt. Diese Frequenz beträgt beispielsweise 1 Hz, d. h. eine Positionslösung wird vom Empfänger etwa alle Sekunden errechnet und ausgegeben. Um jeweils den Abstand der Antennen der Fahrzeuggeschwindigkeit anpassen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Antennen gemäß Anspruch 11 variierbar ist. Dies kann, wie in Anspruch 12 angegeben, dadurch geschehen, daß die Antennen auf dem Fahrzeug verfahrbar sind.

Hat ein Fahrzeug eine unzulässige Ortungsabweichung festge stellt, so verwirft es mindestens das Ortungsergebnis seiner vorderen Antenne. Deren Position kann es gemäß Anspruch 8 bedarfsweise dadurch bestimmen, daß es diese als fehlerhaft erkannte Ortsposition durch vektorielle Subtraktion des Schwellwertes (bei weiter entfernten Antennen) oder des Inte grals der Abstandsdifferenzwerte (bei nur gering beabstande ten Antennen) entsprechend der Streckenführung modifiziert.

Auf das Erkennen eines Ortungsfehlers als Folge einer lokalen Fehlereinwirkung auf ein Ortungsergebnis kann das Fahrzeug in vorteilhafter Weise versuchen, den Ortungsvorgang unter Ina nspruchnahme mindestens eines anderen Satelliten zu wieder holen.

Als besonders vorteilhaft wird angesehen, die auf lokalen Fehlern beruhende Ortungsfehler gemäß Anspruch 13 strecken bezogen aufzulisten und den Fahrzeugen zusammen mit den An gaben über die zur Ortung jeweils herangezogenen bzw. heran zuziehenden Satelliten zu übermitteln. Durch diese Maßnahme werden die Züge in die Lage versetzt, für die Eigenortung rechtzeitig auf die dafür jeweils geeigneten Satelliten umzu schalten.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Zugrundelegung der beigefügten Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen mit zwei GNSS-Antennen bzw. -Empfängern ausgerüsteten Zug, wobei die Antennen jeweils ein ortungsrelevantes Signal eines GNSS-Satelliten empfangen,

Fig. 2 eine Abbildung, die die einem erfindungsgemäßen Positions-Abschätzungsverfahren zugrundeliegenden geometrischen Überlegungen darstellt,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Bildung von Dif ferenzvektoren zwischen den Vertrauensintervallen von auf den Enden eines sich auf einer Schienen kurve befindlichen Zuges angeordneten Antennen,

Fig. 4 ein Diagramm, das den absoluten lokalen Fehler eines Satellitensignals in Abhängigkeit der vom Fahrzeug durchfahrenen Strecke darstellt,

Fig. 5 u. 6 zwei Diagramme, die ein Berechnungsverfahren für ein Navigationssystem mit zwei mit geringem Ab stand voneinander angeordneten Antennen verdeut licht.

In Fig. 1 ist ein Personenzug mit zwei Triebköpfen 1, 2 darge stellt, wobei jeder Triebkopf eine Antenne A2, A3 trägt. Die Antennen sind nahe den Zugenden angeordnet, so daß der Ab stand 3 zwischen den Antennen etwa der Zuglänge entspricht. Den Antennen A2, A3 ist jeweils ein Empfänger (E2, E3) zuge ordnet. Die Empfänger können entweder am jeweiligen Antennen einbauort oder auch entfernt davon angeordnet sein. In jedem Falle sind die Empfänger über eine zuginterne Kommunikations verbindung miteinander verbunden.

In Fig. 1 ist die empfangsmäßige Verbindung zu einer Satelli tenkonstellation anhand eines einzigen sichtbaren Satelli ten S angedeutet. Bei einem sich auf einer in digitalisierter Form vorliegenden Raumkurve bewegenden Fahrzeug reicht zwar theoretisch die Verbindung zu einem Satelliten aus, um eine Positionsberechnung- bzw. -abschätzung vornehmen zu können. Gerade im Bahnverkehr sind jedoch häufige Abschattungen, etwa in Großstädten, im Gebirge oder beim Durchfahren von Gelände einschnitten, vorhanden, so daß bei der Positionsbestimmung in der Regel auf mehrere Satelliten gleichzeitig zugegriffen wird. In den Ortungsvorgang kann auch ein ortsfester Refe renzempfänger E1 mit einer Antenne A1 einbezogen sein (in Fig. 1 durch gestrichelte Linien dargestellt), der dazu dient, Ortungsfehler infolge atmosphärischer Ausbreitungsfehler zu minimieren.

Zur Positionsbestimmung eines sich auf einer vorgegebenen Raumkurve bewegenden Fahrzeuges - im folgenden wird von einem Zug gesprochen - ist es prinzipiell bekannt, Differenzen zwi schen den Pseudoabständen verschiedener Antenneneinbauorte, etwa zwischen einem mobilen Empfänger und einem stationären Referenzempfänger, zu bilden. Die Pseudoabstände P1, P2 und P3 zwischen den Antennen A1, A2 und A3 und dem Satelliten S in Fig. 1 sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Gleichung 1:
P1 = R1 + (Δt_E1 - Δt_s).c₀ + d_eph(E1-s) + d_ion(E1-s) + _dtrop(E1-s) + d_LF(A1) + d_E1

Gleichung 2:
P2 = R2 + (Δt_E2 - Δt_s).c₀ + d_eph(E2-s) + d_ion(E2-s) + d_trop(E2-s) + d_LF(A2) + d_E2

Gleichung 3:
P3 = R3 + (Δt_E3 - Δt_s).c₀ + d_eph(E3-s) + d_ion(E3-s) + d_trop(E3-s) + d_LF(A3) + d_E3

In den Gleichungen bedeuten:
P1, P2, P3 Pseudoabstände zwischen Satellit S und den Antennen A1, A2 und A3;
R1, R2, R3 Tatsächliche Abstände zwischen Satellit S und den Antennen A1, A2 und A3;
Δt_s Satellitenuhrenfehler
Δt_E Empfängeruhrenfehler
c₀ Lichtgeschwindigkeit
d_ion Fehler durch Ionosphäre
d_trop Fehler durch Troposphäre
d_eph Fehler durch falsche Ephemeriedaten
d_LF Lokale Signalausbreitungsfehler
d_E Empfängerfehler.

Durch Bildung einer einfachen Differenz zwischen den oben angegebenen Pseudoabständen können gleiche oder annähernd gleiche Fehlerterme eliminiert werden. Im vorliegenden Fall sind Differenzen denkbar zwischen P1 und P2 (Gleichung 1-Gleichung 2), P1 und P3 (Gleichung 1-Gleichung 3) sowie zwischen P2 und P3 (Gleichung 2-Gleichung 3).

Wenn der Abstand zwischen dem Referenzempfänger bzw. zwischen dessen Antenne A1 und den mobilen Empfängern bzw. deren An tennen A2 und A3 nicht allzu groß ist, kann davon ausgegangen werden, daß die Laufzeitfehler beim Durchgang des Signals durch die Atmosphäre annähernd die gleichen sind. Ebenso sind, da es sich um ein und denselben Satelliten handelt, die Ephemeriedatenfehler und Satellitenuhrenfehler die gleichen:
d_eph(E1-s) = d_eph(E2-s)
d_ion(E1-s) ≈ d_ion(E2-s)
d_trop(E1-s) ≈ d_trop(E2-s)
Δt_s.c₀ = Δt_s.c₀.

Für die Differenz beispielsweise der Pseudoabstände P1 und P2 ergibt sich somit folgende Gleichung:

Gleichung 4:
P1-P2 = R1-R2 + d_LF(A1) - d_LF(A2) + (Δt_(E1) - Δt_(E2)).c₀ + d_E1 - d_(E2)

Die beiden Pseudoabstände P1 und P2 sind aus Messungen be kannt, der Abstand R1 ist aus der bekannten Position der An tenne A1 des Referenzempfängers E1 und den Ephemeriedaten ge nau berechenbar. Unbekannte in Gleichung 4 sind daher neben dem zu bestimmenden tatsächlichen Abstand R2 die Fehlerterme für lokale Fehler, etwa Mehrwegeausbreitungen d_LF, für Emp fängeruhrenfehler Δt_E.c₀ sowie für Empfängerfehler d_E. Diese Fehlerterme machen die Messung ungenau, weil sie ohne weitere Informationen bei der Positionsberechnung zu Null gesetzt werden müssen und sich deshalb voll auf das Ergebnis der Positionsberechnung auswirken.

Durch eine erfindungsgemäße Installation von zwei Empfangsan tennen auf einem Fahrzeug können die entsprechenden Antennen- Pseudoabstände bzw. die Differenz dieser Abstände zur Positionsberechnung herangezogen werden. Die Gleichung für die Differenz der Pseudoabstände P2 und P3 lautet wie folgt:

Gleichung 5:
P2-P3 = R2-R3 + (Δt_E2-Δt_E3).c₀ + d_eph(E2-E3) + d_ion(E2-E3) + d_trop(E2-E3) + d_LF(E2-E3) + d_E2 - d_E3.

Da die Antennen A2 und A3 nicht sehr weit voneinander ent fernt sind, treten Unterschiede in den durch die Ionosphäre, Troposphäre und den Ephemeriedaten verursachten Fehlertermen nicht auf. Diese Fehlerterme sowie die Ephemeriedatenfehler fallen aus Gleichung 5 heraus. Werden gleiche Empfänger ver wendet, so fallen die Empfängeruhrenfehler und der Empfän gerfehler-Sammelterm annähernd heraus. An Fehlertermen bleibt lediglich der Fehlerterm für lokale Ausbreitungsfehler übrig:

Gleichung 6:
P2-P3 = R2-R3 + d_LF(E2-E3).

Wie aus Gleichung 6 ersichtlich ist, können mit einem erfin dungsgemäßen Navigationssystem bei entsprechenden Differenz bildungen bis auf die lokalen Ausbreitungsfehler praktisch sämtliche Fehler eliminiert werden. Aber auch die lokalen Ausbreitungsfehler lassen sich mit sehr hoher Genauigkeit ab schätzen, wenn man als weitere Positionsinformation die digi talisierte Raumkurve z. B. in Form eines Streckenatlasses her anzieht. Die Differenz der an den mobilen Empfängern E2 und E3 auftretenden lokalen Fehler ist dadurch berechen- bzw. ab schätzbar. Diese Berechnung ist sehr präzise, weil ganz all gemein Positionsdifferenzen weniger fehlerbehaftet sind als absolute Positionen. Der Berechnung bzw. der Abschätzung der lokalen Fehler liegt folgende Überlegung zugrunde: Wenn bei spielsweise der Empfänger E2 eine Position für die Antenne A2 berechnet hat, so kann ausgehend von dieser Position und unter Zugrundelegung der Raumkurve bzw. eines entsprechenden digitalisierten Streckenatlasses der Differenzvektor zwischen den Positionen der Antennen A2 und A3 berechnet und somit die Sollposition der Antenne A3 abgeschätzt werden. Die mit die ser Abschätzung erhaltene Position kann dann mit der unter Zuhilfenahme des Pseudoabstandes P3 berechneten Position der Antenne A3 verglichen werden. Wenn die Differenz zwischen den genannten Positionslösungen einen bestimmten Wert überschrei tet, so kann davon ausgegangen werden, daß an der in Fahr richtung vorderen Antenne A3 im betreffenden Satellitensignal ein lokaler Fehler aufgetreten ist. Diese Abschätzungsmethode kann mutatis mutandis ausgehend von einer für die Antenne A3 berechneten Position auch für eine Positionsabschätzung im Hinblick auf die Position der Antenne A2 angewendet werden.

Im einzelnen wird bei der genannten Abschätzungsmethode fol gendermaßen vorgegangen: Zunächst wird der Differenzvektor D zwischen den jeweiligen Positionen der Antenne 2 und der An tenne 3 gebildet. In Fig. 3 ist dies schematisch für den Fall dargestellt, daß sich ein Zug 4 in einer Schienenkurve 5 be findet. Da die Antennenpositionen, wie oben ausgeführt, mit einem Fehler behaftet sind, kann für eine Antennenposition nur ein Vertrauensintervall I2 bzw. I3 angegeben werden. Die Bestimmung des Differenzvektors D erfolgt zwischen den Gren zen dieser Vertrauensintervalle. Die Kurvenradien einer Bahn strecke sind im allgemeinen groß, so daß sich Richtung und Länge des tatsächlichen Differenzvektors kaum vom errechneten unterscheiden, auch wenn das sicherheitsrelevante Vertrauens intervall I2 bzw. I3 relativ groß ist. In Fig. 3 sind bei spielhaft zwei unterschiedliche Differenzvektoren D' und D dargestellt, wobei der eine Differenzvektor D' zwischen den einen Extrempositionen A2' und A3' der Antennen A2 und A3 verläuft, während der zweite Differenzvektor D2'' zwischen den anderen beiden Extremwerten A2'' und A3'' verläuft. Mit Hilfe dieser Darstellung soll verdeutlicht werden, daß die Differenzvektoren D trotz eines relativ großen Vertrauens intervalles V dem tatsächlichen Differenzvektor sehr nahe kommen. Aus dem bestimmten Differenzvektor D kann nun die Differenz der Abstände (R2-R3) aus Gleichung 6 abgeschätzt werden. Dieser Abschätzung liegt folgende geometrische Überlegung zugrunde, die anhand von Fig. 2 erläutert werden soll:
Aufgrund des großen Abstandes eines Satelliten S von der Erd oberfläche von etwa 20.000 km kann gemäß einer ersten Verein fachung angenommen werden, daß die Abstandsvektoren V2 und V3 zwischen den Antennen A2 und A3 und dem Satelliten S parallel verlaufen. Eine weitere Vereinfachung besteht darin, daß die Oberfläche 6 einer Kugel mit einem Abstandsvektor V als Ra dius wiederum aufgrund des großen Satellitenabstandes von 20.000 km in dem betrachteten Areal als Ebene, sozusagen als Hilfsebene betrachtet werden kann. In Fig. 2, die die in Wirk lichkeit dreidimensionalen Verhältnisse in vereinfachter zweidimensionaler Darstellung wiedergibt, ist die Hilfsebene mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die Kugeloberfläche 6 wird aufgrund der zweidimensionalen Darstellung zu einem Kreisum fang. Die der vorbezeichneten Abschätzungsmethode zugrunde liegende geometrische Operation besteht darin, daß der Diffe renzvektor D an die Spitze 8 des Vektors V2 angesetzt und auf den Vektor V2 projiziert wird. Die Projektion bzw. die Länge des entsprechenden Projektionsvektors PV2 entspricht dann der tatsächlichen Differenz R2-R3 in Gleichung 6. Folglich läßt sich aus dieser Gleichung die Differenz der an den Antennen A2, A3 auftretenden lokalen Ausbreitungsfehler ermitteln.

Allerdings entspricht aufgrund der oben genannten Vereinfa chungen der auf diese Weise ermittelte Projektionsvektor PV2 noch nicht ganz der tatsächlichen Differenz R2-R3. Die eine der beiden vorgenommenen Vereinfachungen, nämlich die Annah me, daß die Vektoren V2 und V3 parallel zueinander verlaufen, macht sich auf die Genauigkeit der Berechnung nur unwesent lich bemerkbar; die Abweichung 9 der Winkelstellung des tat sächlichen Vektors V3' vom angenommenen Vektor V3 ist nämlich nur äußerst gering. Sie kann aber dennoch, falls dies für die Genauigkeit der Berechnung erforderlich ist, berücksichtigt werden.

Ein sich stärker auf den Betrag des Projektionsvektors 9 aus wirkender Fehler wird durch die Betrachtung der Kugeloberflä che 6 als Hilfsebene 7 verursacht. Dieser Fehler 10 ist in Fig. 2 aus Gründen der besseren Erkennbarkeit übertrieben dar gestellt. Er läßt sich ebenfalls berechnen und bei der Be stimmung des Projektionsvektors PV bzw. der tatsächlichen Abstandsdifferenz R2-R3 berücksichtigen.

Die vorgenannte Positionsabschätzungsmethode kann selbstver ständlich unter Zuhilfenahme ggf. aller sichtbarer Satelliten durchgeführt werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn durch Bahndämme, Häuserfronten etc. mit vorübergehenden Abschattungen einzelner Satelliten zu rechnen ist.

Mit der oben geschilderten Positionsabschätzungsmethode sind lokale Fehler an einer Antenne, etwa infolge einer Mehrwege ausbreitung, erkennbar. Im folgenden wird zur Vereinfachung stets von Mehrwegeausbreitungen ausgegangen. Der durch Mehr wegeausbreitung verursachte Fehler nimmt in dem Maße zu, in dem eine Antenne in den Wirkungsbereich der Mehrwegeausbrei tung gelangt. In dem Diagramm gemäß Fig. 4 ist der absolute Fehler in der Ordinate und die Strecke S längs der Raumkurve in der Abszisse aufgetragen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet sich die Antenne A2 an der Stelle x1 und die Antenne A3 an der Stelle x2. Der jeweilige absolute Fehler ist unter schiedlich, so daß sich zwischen den Positionswerten der An tenne A2 und der Antenne A3 eine Fehlerdifferenz 11 ergibt. Je mehr die Antenne A3 nach Erreichen der Stelle x1 in den Einflußbereich der Mehrwegeausbreitung gelangt, desto stärker wird die Drift des Positionswertes für die Antenne A3. Es wird nun zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß ein Ausschluß eines Positionswertes dann vorgenommen wird, wenn ein be stimmter Schwellenwert, etwa der in Fig. 4 exemplarisch darge stellte Schwellenwert F_s, überschritten worden ist. Auf die geschilderte Art und Weise lassen sich demnach lokale Aus breitungsfehler erkennen und eliminieren, und zwar ohne daß mehrere Satelliten benötigt werden, wie dies bei herkömm lichen Systemen mit in der Regel einer einzigen Antenne der Fall ist. Wenn nämlich nur eine Antenne verwendet wird, so können Mehrwegeausbreitungen bisher nur durch Konsistenzprü fungen erkannt und durch anschließende Untermengenprüfungen isoliert werden, wenn gleichzeitig Pseudoabstandsmessungen zu diesen mehreren Satelliten vorliegen. Der erforderliche Rechenaufwand ist beträchtlich.

Bei nahe beieinander, etwa auf einem Triebkopf eines Zuges angeordneten Antennen A4, A5 kann die oben geschilderte Methode nicht angewendet werden, weil ein lokaler Fehler beide Antennen praktisch gleichzeitig trifft. Wie dennoch eine Positionsabschätzung vorgenommen werden kann, wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 4-6 erläutert:
An den Enden eines Triebkopfes ist je eine Antenne A4 bzw. A5 angeordnet. Wie anhand von Fig. 4 ersichtlich ist, ist bei einer derartigen Antennenanordnung praktisch im gesamten Wirkbereich einer lokalen Ausbreitungsstörung die Fehlerdif ferenz 13 im Vergleich zur Fehlerdifferenz 11 bei weitem An tennenabstand gering. Sie liegt unterhalb des Schwellenwertes F_g bzw. dem Rauschen der Positionsdifferenzen. Ein überlager ter Driftausfall bleibt daher bei kleinen Antennenabständen unerkannt. Es ist jedoch eine Bestimmung des absoluten Feh lers möglich, wenn die gemäß Gleichung 6 ermittelten Diffe renzen, ausgehend von einem fehlerfreien Zustand, über die Strecke S integriert werden. Dieses Integrationsverfahren ist schematisch in den Diagrammen gemäß Fig. 5 und Fig. 6 darge stellt, in denen der absolute Fehler F durch lokale Fehler über der Strecke S längs der Raumkurve aufgetragen ist. Diese Integrationsmethode funktioniert nur, wenn die Differenzmes sungen längs der Strecke örtlich hintereinander nahtlos fort gesetzt werden. Wegen der Zeitvarianz der lokalen Fehler darf nur ein nicht zu großer Zeitraum zwischen ortsgleichen Mes sungen der beiden Antennen liegen. Die Antennen müssen daher einen sich aus aktueller Zuggeschwindigkeit und Ortungsfre quenz der Empfänger ergebenden Abstand haben:

Unter Ortungsfrequenz des Empfängers f_E ist dabei die Fre quenz zu verstehen, mit der ein Empfänger die von ihm berech nete Position ausgibt. Bei einer maximalen Geschwindigkeit v_zug von 500 km/h und einer Ortungsfrequenz des Empfängers von 12 Hz ergibt sich ein maximaler Antennenabstand von 11,57 m. Mit anderen Worten darf die in dem Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Empfängerlösungs-Ausgaben vom Zug durch fahrene Strecke nicht größer sein als 11,57 m. Bei geringeren Geschwindigkeiten muß entweder die Ortungsfrequenz des Empfängers oder der Antennenabstand beispielsweise durch Ver fahren einer der beiden Antennen angepaßt werden. Diese Si tuation ist in Fig. 6 schematisch verdeutlicht: Der Verlauf zwischen den Meßpunkten 14 und 14' bzw. 15 und 15' ist unbe kannt. Es werden deshalb falsche Ergebnisse erzielt, wenn die Differenzintervalle nicht nahtlos und möglichst kurzzeitig hintereinander fortgesetzt werden. Läge beispielsweise der Meßpunkt 15 erst an der Stelle des Meßpunktes 14', so wäre der zwischen den Meßpunkten 14 und 14' aufgetretene Fehler F_L unerkannt geblieben, mit der Folge, daß alle fortfolgenden Integrationen zu falschen Ergebnissen führen würden.

Das vorbeschriebene Verfahren wäre theoretisch zur Fehlerer kennung denkbar, hätte jedoch wegen der Zeitvarianz der loka len Fehler und den möglicherweise nicht immer nahtlos anein andergereihten Differenzintervallen (Antennenabstand!) eine starke Drift. Als Ausfallerkennung bei starken Änderungen der integrierten Differenzen kann das Verfahren über kurze Strecken oder Zeiträume angewendet werden, um den absoluten Fehler zu bestimmen. Dazu werden die genannten Differenzen fahrtbegleitend ständig integriert und gespeichert. Bei Über schreiten eines bestimmten Grenzwertes des absoluten Fehlers wird der Wert des Integrals an einer bereits durchfahrenen, nach abgelaufener Ausfalloffenbarungszeit als unbeeinflußt eingestuften Stelle der Strecke zu Null gesetzt und der aktu elle, absolute Fehler durch Addition der gespeicherten Diffe renzen ermittelt. Dadurch wird vermieden, daß ein Pseudoab stand in die Positionsberechnung einbezogen wird, der eine über eine Strecke hin konstante Mehrwegeausbreitung enthält. Wegen der starken Drift ist das Verfahren nur über eine be stimmte Strecke oder einen bestimmten Zeitraum (Zeitvarianz) hin gültig.

Beim Eindringen eines Fahrzeugs in einen Streckenabschnitt mit Mehrwegeausbreitung wird für die in Fahrrichtung vordere Antenne stets ein zu großer Abstand zu dem in den Ortungsvor gang einbezogenen Satelliten bestimmt. Die Position dieser Antenne läßt sich allerdings mit meist hinreichender Genauig keit bestimmen, indem vor der als fehlerhaft erkannten Orts position der Antenne der für die lokale Fehlererkennung her angezogene Schwellwert bzw. das Integral der Abstandsdiffe renzwerte vektoriell entsprechend der jeweiligen Streckenfüh rung abgezogen wird. Von der so gefundenen Ortsposition kann für die folgenden Positionsbestimmungen ausgegangen werden.

Welche Satelliten an welchen Fahrorten für den Ortungsvorgang zweckmäßig heranzuziehen sind, kann bei Meßfahrten ermittelt und dann in einen Streckenatlas oder dergleichen eingetragen werden, aus dem die Züge entnehmen, welche Satelliten zu den genauesten Ortungsergebnissen führen; auch ein automatisches Umschalten auf den augenblicklich günstigsten Satelliten beim Erkennen unzulässiger lokaler Fehler ist möglich.

Claims

1. Einrichtung zum Erkennen von lokalen Fehlern in einem sa tellitengestützten Navigationssystem zur Eigenortung eines spurgeführten Fahrzeugs,
wobei auf dem Fahrzeug oder Fahrzeugverband wenigstens zwei Antennen (A2, A3) zum Empfang mindestens eines ortungsrele vanten Satellitensignals in einem Abstand (3) zueinander an geordnet sind, der so groß ist, daß der lokale Ortungsfehler eines Satellitensignals nicht beide Antennen gleichzeitig be trifft,
wobei das Fahrzeug aufgrund des aus dem einen Antennensignal abgeleiteten Ortungsergebnisses und der Kenntnis der von ihm befahrenen Raumkurve sowie dem Abstand der beiden Antennen voneinander die Position der anderen Antenne (A3) bestimmt und dieses Ortungsergebnis vergleicht mit dem aus dem einen Antennensignal abgeleiteten Ortungsergebnis
und wobei das Fahrzeug das Ortungsergebnis mindestens der in Fahrrichtung vorderen Antenne verwirft, wenn die Differenz aus den für die gleiche Antenne ermittelten Ortungsergebnis sen um einen Betrag oder Anteil abweicht, der gleich oder größer ist als ein vorgegebener Schwellwert.

2. Einrichtung zum Erkennen von lokalen Fehlern in einem sa tellitengestützten Navigationssystem zur Eigenortung eines spurgeführten Fahrzeugs,
wobei auf dem Fahrzeug oder Fahrzeugverband wenigstens zwei Antennen (A2, A3) zum Empfang mindestens eines ortungsrele vanten Satellitensignals in einem Abstand zueinander angeord net sind, der dem Quotienten aus Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und Ausgabefrequenz der Ortungsangaben entspricht,
wobei das Fahrzeug aufgrund des aus dem einen Antennensignal abgeleiteten Ortungsergebnisses und der Kenntnis der von ihm befahrenen Raumkurve sowie dem Abstand (3) der beiden Anten nen voneinander die Position der anderen Antenne (A3) be stimmt und dieses Ortungsergebnis vergleicht mit dem aus dem einen Antennensignal abgeleiteten Ortungsergebnis
und wobei das Fahrzeug mindestens das über die in Fahrrich tung vordere Antenne ermittelte Ortungsergebnis verwirft, wenn das Integral über die bei aufeinanderfolgenden Ortungs vorgängen festgestellten Ortungsdifferenzen seit dem Passie ren eines hinsichtlich seiner Position bekannten Strecken punktes einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder über steigt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ortungsergebnis die Position einer Antenne in der Raumkurve oder ihren Abstand zu einem Satelliten beinhaltet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei den zwei Antennen ein gemeinsamer Empfänger zugeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Antenne (A2, A3) ein eigener Empfänger (E2, E3) zugeordnet ist und die Empfänger baugleich und über eine Kom munikationsverbindung miteinander verbunden sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationsverbindung aus einem fahrzeugseitigen Lichtleiterkabel gebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Raumkurve in digitalisierter Form, z. B. als Strec kenatlas, zur Verfügung steht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Fahrzeug mit dem Erkennen einer unzulässigen Or tungsabweichung seinen Fahrort aus der aktuellen Antennenpo sition durch vektorielle Subtraktion des Schwellwertes bzw. des Abstandsdifferenzintegrals nach Maßgabe der jeweiligen Raumkurve bestimmt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antennen (A2, A3) an dem einen und dem anderen Ende des Fahrzeugs, insbesondere auf den Triebköpfen (1, 2) eines Zuges, angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Antennen nahe beieinander, insbesondere auf demsel ben Triebkopf eines Zuges, angeordnet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 10, wobei der Abstand (3) zwischen den Antennen (A2, A3) in Ab hängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit variierbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die Antennen zur Abstandsveränderung verfahrbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Fahrzeug in einen fahrzeugseitigen oder strecken seitigen Streckenatlas Angaben über das Auftreten von auf lo kalen Fehlern beruhenden Ortungsfehlern und über den für die Ortung jeweils verwendeten Satelliten oder Angaben über die in den einzelnen Streckenbereichen für die Ortung zu verwen denden Satelliten hinterlegt, bei deren Abstandsmessungen es nicht zu unzulässigen lokalen Ortungsfehlern kommt.