DE19707341A1 - Verfahren zur Eigenortung von spurgebundenen Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für die Steuerung des Schiffsverkehrs insbesondere auf dem offenen Meer gibt es eine Reihe von speziell für diesen Zweck vorgesehenen Langwellensendern, sogenannte Loran-C-Sender, die es den Schiffen gestatten, den Abstand zu einem oder meh­ reren dieser Sender zu bestimmen und hieraus Informationen über ihren jeweiligen Fahrort zu ermitteln. Die Abstandsbe­ stimmung geschieht dabei durch Laufzeitmessung der Langwel­ len-Sendesignale. Langwellensender haben den großen Vorteil einer außerordentlichen Reichweite, weil sich der Verlauf ih­ rer Sendesignale der Krümmung der Erdoberfläche anpaßt; diese Langwellensignale sind daher quasi überall auf See zu empfan­ gen.

Derartige Langwellensender können prinzipiell auch für Or­ tungsaufgaben auf dem Lande eingesetzt werden, denn auch hier folgen ihre Signale mindestens grob den Konturen der Land­ schaft, so daß sie auch in Tälern und sogar in Tunnels zu empfangen sind. Allerdings sind die auf Land durch Laufzeit­ messungen erzielbaren Ortungsergebnisse relativ ungenau, eben weil die Langwellensignale durch die Topographie der Land­ schaft ungünstig beeinflußt werden; es kommt zu Reflexionen und Mehrwegeausbreitungen, die zu Ortungsfehlern führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, die es gestatten, die Vor­ teile insbesondere von Langwellensendern für die Eigenortung von Landfahrzeugen nutzbar zu machen, ohne dabei aber deren systembedingte Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und/oder des Anspruches 2. Sie macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß zwar jede auf Laufzeitmessung beruhende Abstandsangabe relativ ungenau ist (Pseudoabstände), daß aber wegen der Spurführung der ortenden Fahrzeuge mindestens über längere Zeiten für jeden Fahrort die Störgrößen konstant sind. Das bedeutet, daß die Abstandsfehler fahrortbezogen reproduzier­ bar sind und damit durch Korrelation auf die gemessenen Pseu­ doabstände der jeweilige Fahrort relativ genau zu bestimmen ist.

Anstelle einer Korrelation auf die Pseudoabstände ist es auch möglich, eine recht genaue Eigenortung durch Korrelation auf fahrortspezifische Empfangsamplituden oder Empfangsamplitu­ denabweichungen durchzuführen oder beide Korrelationsverfah­ ren gemeinsam anzuwenden, wie es im Anspruch 3 vorgeschlagen ist.

Obgleich die erfindungsgemäßen Ortungsverfahren prinzipiell unabhängig sind von der für die Signalübertragung verwendeten Frequenz, ist es doch besonders vorteilhaft, für die Bestim­ mung der Pseudoabstände und gegebenenfalls der Empfangsampli­ tuden gemäß Anspruch 4 Funksignale im Langwellenbereich zu verwenden. Der besondere Vorteil liegt darin, daß Funksignale im Langwellenbereich auch in abgeschatteten Bereichen zu emp­ fangen sind und daß die topographieabhängigen Abstandsfehler und Amplitudenabweichungen gerade bei Verwendung von Lang­ wellen besonders ausgeprägt sind; aus diesem Grunde sind auch die auf diesen Störeinflüssen beruhenden Korrelationsergeb­ nisse besonders ausgeprägt, was sich auf die Zuverlässigkeit der Ortungsergebnisse positiv auswirkt.

Für die gemäß Anspruch 1 oder 2 vorgesehene Zuordnung von Pseudoabständen und Empfangsamplituden bzw. -amplitudenände­ rungen zu absoluten Ortspositionen ist nach der Lehre des An­ spruchs 5 vorgesehen, diese mittels eines Satellitennavigati­ onssystems vorzugeben; die absoluten Ortspositionen sind wäh­ rend der Meßfahrten an jeder Stelle der Strecke, mit Ausnahme von Tunnelbereichen und unter Brücken, hinreichend genau zu bestimmen.

Für die Fahrortermittlung wird zweckmäßigerweise aber nicht auf die absolute Ortung durch die Satellitennavigation zu­ rückgegriffen, sondern gemäß Anspruch 6 in vorteilhafter Wei­ se auf die Streckenkilometrierung, deren Werte bei der Pseu­ doabstandsermittlung bzw. der Ermittlung der Empfangsamplitu­ den den absoluten Ortspositionen des Satellitennavigationssystems zuzuordnen sind. Die Zuordnung der Korrelationsgrößen zu den relativen Ortspositionen erleichtert es den Fahrzeu­ gen, ihren jeweiligen Fahrort im Streckennetz zu bestimmen.

Für die Bestimmung der Abstandswerte zwischen den Fahrzeugen und dem für die Ortung verwendeten Sender soll nach der Lehre des Anspruches 7 in bekannter Weise das Verfahren der Satel­ litenortung verwendet sein, wobei der Ortungssender die Funk­ tion eines ortsfesten Satelliten ausübt, der allerdings an­ ders als die Satelliten vorzugsweise im Langwellenbereich ar­ beitet. Eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens macht es möglich, für die Abstandsbestimmung die gleichen Verarbeitungsprozeduren vorzusehen, die auch für die Satellitenortung angewendet werden und damit auf eine bereits vorhandene Technik zurückzugreifen.

Wenn der für die Ortung verwendete Sender nicht selbst über Atomuhren verfügt, so müßte er gemäß Anspruch 8 sein Zeitnor­ mal in an sich bekannter Weise auf die Normalzeit eines Sa­ tellitenortungssystems synchronisieren.

Auf den so synchronisierten terrestrischen Sender oder aber auf die Normalzeit eines Satellitenortungssystems hat sich dann gemäß Anspruch 9 auch das Fahrzeug mit seinem Zeitnormal zu synchronisieren, um eine exakte Laufzeitmessung vornehmen zu können.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. Die Zeichnung zeigt in der Draufsicht eine Strecke S als Teil eines Streckennetzes, das von nicht dargestellten Fahrzeugen befahrbar ist. Bei der Strecke handelt es sich insbesondere um ein- oder zweispurige Bahngleise für Schie­ nenfahrzeuge; es kann sich jedoch bei der Strecke auch z. B. um eine Autobahn handeln oder um einen Binnenschiffahrtska­ nal, der von Wasserfahrzeugen zu befahren ist. In vorzugswei­ se großer Entfernung zu der dargestellten Strecke S ist ein für die Eigenortung der Fahrzeuge vorgesehener Sender LWS an­ geordnet, der vorzugsweise als Langwellensender ausgebildet ist. Derartige Langwellensender sind zur Steuerung des Schiffsverkehrs auf dem offenen Meer bekannt. Für die Positi­ onsbestimmung bestimmen die Fahrzeuge die Laufzeiten der von einem oder mehreren derartiger Langwellensender ausgesandten Sendesignale und nehmen wenigstens dann, wenn sie nicht zu einer genügenden Anzahl derartiger Sender Verbindung haben, gegebenenfalls auch Peilungen auf den Sender vor.

Wie in der Beschreibungseinleitung bereits erläutert, können die Sendesignale von Langwellensendern auch auf dem Land fast überall gut empfangen werden, allerdings mit dem Nachteil, daß die Abstandsmessungen wegen der Beeinflussung der Sende­ signale durch die Topographie relativ ungenau sind. Dies wird in der Zeichnung verdeutlicht für einen bestimmten Fahrort F0, an dem mit der Laufzeitbewertung ein zu kurzer Abstands­ wert A1, ein sogenannter Pseudo-Abstandswert, ermittelt wird. Der tatsächliche Abstand des Fahrortes F0 vom Langwellensen­ der ist um einen Abstandsfehler ΔA1 größer als der gemessene Abstandswert A1; die für die einzelnen Fahrorte geltenden Ab­ standsfehler ΔA sind in der Zeichnung durch ihre Umhüllende angegeben.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Abstandsfehler fahrort­ bezogen über längere Zeit konstant sind, d. h. daß sie bei jeder Fahrt reproduziert werden.

Die Erfindung nutzt diese Reproduzierbarkeit eines ansonsten bei Ortungssystemen überhaupt nicht geschätzten Fehlers als Grundlage für den Ortungsvorgang. Die Erfindung besteht dar­ in, die fehlerbehafteten Pseudoabstände zu ermitteln und ortsbezogen abzulegen und bei späteren Fahrten auf diese Pseudoabstände zu korrelieren. Damit wird es möglich, den je­ weiligen Fahrort der nachfolgenden Fahrzeuge auf der Strecke relativ genau zu bestimmen und für die Fahrzeugsteuerung zu verwenden.

Das oder die Meßfahrzeuge, die während der Meßfahrten die Pseudoabstände bestimmen sollen, machen dies dadurch, daß sie in einem vorgegebenen Raster für aufeinanderfolgende Fahrorte die jeweiligen Pseudo-Abstandswerte durch Laufzeitmessung zu vorzugsweise mehreren stationären Ortungssendern bestimmen und diese Pseudo-Abstände den jeweiligen Fahrorten zuordnen. Hierzu bestimmen das oder die Meßfahrzeuge die absoluten Ortspositionen der einzelnen Fahrorte beispielsweise mittels DGPS oder Entnahme des Streckenverlaufs aus einem bereits an­ gefertigten Streckenatlas/digitalen Karte und speichern diese Positionen in Zuordnung zu den gemessenen Pseudo-Abständen ab. In vorteilhafter Weise sind den absoluten Ortspositionen auch die relativen Ortspositionen der Fahrorte in Form der Streckenkilometrierung zugeordnet; dies erleich­ tert die relative Ortung der Fahrzeuge im Streckennetz. Die Zuordnung absoluter Ortspositionen zu den einzelnen Fahrorten ist keine zwingende Voraussetzung zur Realisierung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Die von einem Meßfahrzeug beim ein- oder mehrmaligen Abfahren der Strecke für die einzelnen Fahrorte ermittelten Abstands­ werte sind nach ihrer Abspeicherung und Zuordnung zu den ent­ sprechenden absoluten und relativen Ortspositionen auch für andere die Strecke befahrenden Fahrzeuge verwendbar. Ist ein solches anderes Fahrzeug mit den entsprechenden Angaben ver­ sargt, was durch Duplizierung und Übertragung der entspre­ chenden Daten geschieht, so kann das Fahrzeug aus der Korre­ lation der von ihm laufend ermittelten Pseudoabstände mit den in seinem Speicher abgelegten Pseudoabständen ständig seinen aktuellen Fahrort im Streckennetz bestimmen und diesem die in seinem Speicher abgelegten absoluten oder relativen Ortsposi­ tionen zuordnen. Damit weiß das Fahrzeug jederzeit sehr genau um den von ihm befahrenen Fahrort, obwohl es selbst nicht in der Lage ist, diesen Fahrort durch Eigenmessung selektiv zu bestimmten. Die selektive Eigenortung wird möglich durch die Kombination eines reproduzierbar ungenauen Abstands mit einer diesem Abstand zuvor zugeordneten hochgenauen Ortsposition.

Die Positionsbestimmung des für den Ortungsvorgang verwende­ ten Ortungssenders kann in gleicher Weise wie die Positions­ bestimmung der einzelnen Fahrorte erfolgen, nämlich bei­ spielsweise durch Anwendung der Satellitennavigation, insbe­ sondere durch Anwendung eines DGPS.

Für die Steuerung des Schiffsverkehrs auf offener See durch Laufzeitbewertung von Langwellensendesignalen bedient sich das hierfür verwendete Loran-C-System eines spezielles Ver­ fahrens zur Laufzeitbestimmung. Dieses Verfahren kann auch für die Ortung spurgebundener Landfahrzeuge verwendet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Laufzeitbestimmung auf andere Art und Weise vorzunehmen, nämlich beispielsweise dergestalt, daß der terrestrische Langwellensender mit mindestens einem hochgenauen Zeitnormal versehen ist, auf das sich die Zeit­ normale der die Strecke befahrenden Fahrzeuge zur Laufzeitbe­ stimmung synchronisieren. Dies kann in bekannter Weise durch das Einrasten fahrzeugseitiger Pseudocodes auf entsprechende Codes des Ortungssenders geschehen.

Ein hochgenaues Zeitnormal für den Ortungssender läßt sich dadurch erreichen, daß dieser ein weniger genaues Zeitnormal auf die hochgenauen Zeitnormale eines Satellitenortungssystems synchronisiert. Für diesen Fall können sich dann die Fahrzeu­ ge entweder auf das Zeitnormal des Langwellensenders oder auf das Zeitnormal des Satellitenortungssystems oder auf beide synchronisieren.

Bei dem vorstehend näher erläuterten Ausführungsbeispiel kor­ relieren die Fahrzeuge auf die von ihnen bestimmten Pseudoab­ stände zu einem Langwellensender. Ein anderes Verfahren zur Eigenortung spurgebundener Fahrzeuge sieht eine Korrelation auf Signalamplituden vor. Dazu ermitteln Meßfahrzeuge beim Abfahren der Strecke die an den einzelnen Fahrorten einfal­ lenden Signalamplituden des Ortungssenders. Der Ortungssender ist vorzugsweise wiederum als Langwellensender ausgebildet. Die an den einzelnen Fahrorten verfügbaren Signalamplituden dieses Senders variieren topographiebedingt; sie liegen stets unterhalb eines vorgegebenen Maximalpegels, wobei dieser Ma­ ximalpegel mit zunehmendem Abstand zum Ortungssender abnimmt. Ähnlich wie die Pseudoabstände bei der zuvor erläuterten Aus­ führungsform der Erfindung werden zur Korrelation auf die un­ terschiedlichen Signalamplituden die Werte der Signalamplitu­ den fahrortbezogen aufgezeichnet und zwar in Zuordnung zu ab­ soluten oder relativen Ortspositionen des Fahrortes. Bei spä­ teren Fahrten kann ein Fahrzeug, das mit dem Ortungsdatenbe­ stand der Meßfahrzeuge versehen ist, aus den korrelieren Signalamplituden jeweils auf seinen Fahrort und damit auf dessen absolute oder relative Position schließen. Weil die Empfangsamplitude niemals größer sein kann als die Sende­ amplitude und die Sendeamplitude eine konstante Größe ist, kann anstelle von auf die Empfangsamplituden auch auf die Empfangsamplitudenänderungen gegenüber einer vorgebbaren ma­ ximalen Empfangsamplitude korreliert werden; das setzt die ortsspezifische Abspeicherung entsprechender Fehlerwerte vor­ aus. Auch eine gemeinsame Korrelation sowohl auf Pseudoab­ standswerte als auch auf Signalamplituden oder -amplitudenänderungen ist denkbar und macht das Ortungsergeb­ nis möglicherweise zuverlässiger als wenn nur auf eine dieser fahrortspezifischen Größen korreliert wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Eigenortung von spurgebundenen Fahrzeugen in einem Streckennetz durch Korrelation von streckenspezifischen Meßgrößen auf entsprechende Referenzgrößen, dadurch gekennzeichnet,
daß im Rahmen mindestens einer Meßfahrt mindestens eines Fahrzeugs über die Strecke (S) durch Laufzeitbewertung der Sendesignale mindestens eines terrestrischen Senders (LWS) fortlaufend Pseudo-Abstandswerte (A1) zu diesem Sender be­ stimmt und fahrortbezogen abgelegt werden,
und daß bei Folgefahrten auf die jeweils gemessenen Pseudo-Abstände korreliert und für einen dabei erkannten Fahrort (F0) als Ortungsergebnis die für diesen hinterlegte absolute Ortsposition oder eine dieser zugeordnete relative Ortsposi­ tion abgerufen wird.

2. Verfahren zur Eigenortung von spurgebundenen Fahrzeugen in einem Streckennetz durch Korrelation von streckenspezifischen Meßgrößen auf entsprechende Referenzgrößen, dadurch gekennzeichnet,
daß im Rahmen mindestens einer Meßfahrt mindestens eines Fahrzeugs über die Strecke durch Amplitudenbewertung eines terrestrischen Senders die für die einzelnen Fahrorte gelten­ den Empfangsamplituden oder -amplitudenabweichungen der Emp­ fangssignale gegenüber einer maximalen Amplitude bestimmt und fahrortbezogen abgelegt werden,
und daß bei Folgefahrten jeweils auf die Empfangsamplituden oder -amplitudenabweichungen korreliert und für einen dabei erkannten Fahrort als Ortungsergebnis die für diesen hinter­ legte absolute Ortsposition oder eine dieser zugeordnete re­ lative Ortsposition abgerufen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf die Pseudo-Abstände als auch auf die Empfangs­ amplituden oder -amplitudenabweichungen korreliert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Pseudo-Abstände und/oder der Emp­ fangsamplituden bzw. -amplitudenabweichungen Funksignale im Langwellenbereich verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der absoluten Ortspositionen minde­ stens mittelbar Satellitenortung oder eine digitale Karte verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Ortspositionen durch die Streckenkilome­ trierung definiert sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Pseudo-Abstandswerte das Verfahren der Satellitenortung verwendet wird, wobei der terrestrische Sender die Funktion eines ortsfesten Satelliten ausübt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitnormal des terrestrischen Senders durch zeitliche Verschiebung eines Pseudocodes auf die Normalzeit eines Sa­ telliten des Satellitenortungssystems synchronisiert wird oder auf einen vorgegebenen zeitlichen Versatz dazu.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitnormal des Fahrzeugs durch zeitliche Verschiebung eines Pseudocodes auf die Normalzeit eines Satelliten des Sa­ tellitennavigationssystems oder eines mit dessen Normalzeit synchronisierten terrestrischen Senders synchronisiert wird.