DE19746427A1 - Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fahrzeuges - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fahrzeuges

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Posi­ tion eines Fahrzeuges durch kombinierten Einsatz einer Routen- Datenbank und einer Satellitenmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung der Position eines Zuges unter Verwendung einer Gleisrouten-Datenbank und von GPS-Satelliten erhaltenen Positionsdaten.
Die Fähigkeit, Züge in einem weitläufigen Gebiet zu lokalisie­ ren, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Begrenzungen von Ressourcen, die jeder Eisenbahnanlage innewohnen, wie die Anzahl und Verfügbarkeit von Bahnsteigen, Ladern, Entladern, Schaltern und Personal, erheben den intelligenten Einsatz solcher Ressourcen zu äußerster Bedeutung. Diese Ressourcen werden am be­ sten durch effizienten Verkehr von Zügen zu und von solchen Ressourcen genutzt. Ein effizienter Verkehr kann aber nur be­ werkstelligt werden, wenn die Positionen der verschiedenen Züge in dem System genau bekannt sind.
Das Global Positioning-System (GPS) und andere auf Satelliten basierende Positionsbestimmungs-Systeme sind seit einer Anzahl von Jahren verfügbar und in Gebrauch (die im folgenden benutz­ te Abkürzung GPS soll jedes verfügbare Positionsbestimmungs­ system bezeichnen, welches Satelliten einsetzt und ähnliche Fähigkeiten wie das bekannte GPS-System aufweist). Es ist be­ kannt, GPS-Systeme in einer Vielzahl von Fahrzeugen, ein­ schließlich Zügen einzusetzen. Dabei sind auch die Grenzen des Einsatzes von GPS-Systemen bekannt.
Eine genaue Positionsbestimmung mit Hilfe von GPS erfordert einen GPS-Empfänger zum Empfangen von Signalen von vier ver­ schiedenen GPS-Satelliten. Ein Zug oder ein anderes Fahrzeug können leicht Signale von den vier erforderlichen Satelliten empfangen, wenn das Fahrzeug in einem offenen Gebiet operiert, das frei von Signalhindernissen ist. Aus diesem Grunde sind Schiffe auf offener See und Flugzeuge im Flug zum vollen Ein­ satz von GPS wohlpositioniert, um genau deren Position bestim­ men zu können. Ein in einem offenen Gebiet befindlicher Zug kann in ähnlicher Weise Signale von den vier erforderlichen Satelliten erhalten. Züge sind jedoch nicht immer so bequem lokalisierbar.
Die eigentliche Natur des Verkehrs liegt darin, daß Züge an Orten operieren können, wo sie nicht leicht Signale von vier Satelliten empfangen können. Züge fahren nahe großen, den Si­ gnalempfang störenden oder verhindernden Strukturen sowohl natürlicher Art als auch von durch Menschen errichteter Art. Züge fahren durch Schluchten oder Canyons und andere Gebiete, welche den Signalempfang stören. Somit befinden sich Züge oft in einer Situation, die von anderen Formen des Personen- und Frachtverkehrs sich grundsätzlich dahingehend unterscheidet, daß sie Signale von weniger als den erforderlichen vier Satel­ liten empfangen können und häufig Signale nur von zwei Satel­ liten empfangen können.
Es sind andere Methoden zum Positionsbestimmen eines Fahrzeu­ ges bekannt. Insbesondere ist es im Eisenbahnverkehr möglich, Zugang zu einer Informationsdatenbank zu haben, welche Gleis­ routen betrifft, wobei deren Verlauf festliegt und bekannt ist. Solch eine Datenbank kann dazu eingesetzt werden, einen zurückgelegten Abstand von einem bekannten Ausgangs- oder Nullpunkt aus längs einer bekannten Route in eine Position mit zwei- oder dreidimensionalen Koordinaten umzuwandeln.
Ein solches System ist besonders aufgrund der Tatsache für gleisgebundene Fahrzeuge geeignet, weil solche Fahrzeuge nicht von ihren festgelegten und bekannten Gleisrouten abweichen können. Die Vorteile eines solchen Systems sind jedoch durch ihre Logistik begrenzt. Um den zurückgelegten Abstand ausge­ hend von einem Ausgangspunkt zu kennen, muß eine Wegstrecken­ messung vorgenommen werden. Solch eine Messung wird gewöhnlich durch Zählen der Anzahl von Laufradumdrehungen genommen, was mit Ungenauigkeiten behaftet ist: Räder gleiten auf Gleisen insbesondere während Beschleunigungs- und Bremsvorgängen; der Laufraddurchmesser verändert sich mit der Zeit aufgrund des Radverschleißes und bildet flache Stellen; jedes Raddrehzahl­ miß- und Berechnungsverfahren arbeitet zumindest teilweise mechanisch und ist somit mechanischen Problemen ausgesetzt; alle derartigen Messungen gründen auf eine korrekte Rückstel­ lung eines Zählers auf einen bezeichneten Nullpunkt, von dem aus die Messungen vorgenommen werden, was nicht leicht durch­ führbar ist; unabhängig von der Fähigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke zu messen, beruht das gesamte System auf der Genau­ igkeit der anfänglich angelegten Datenbank, auf welcher die endgültige Positionsbestimmung basiert.
Es ist wünschenswert, die besten Eigenschaften der satelliten­ gestützten und der wegstreckenmessungsgestützten Bestimmungs­ verfahren miteinander zu verknüpfen. Ein derartiges System könnte die Positionsbestimmung eines gleisgebundenen Fahrzeu­ ges basierend auf einer Routendatenbank innerhalb eines Feh­ lerbereiches approximieren. Diese Schätzung könnte als Basis für eine satellitengestützte Messung dienen, welche nicht nur die geschätzte Position des gleisgebundenen Fahrzeuges in Be­ tracht zieht sondern auch die relative Position von nahegele­ genen geosynchron umlaufenden Satelliten. Solch ein System muß nicht Zugang zu den normalerweise erforderlichen vier Satelli­ ten haben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Posi­ tionsbestimmung eines Fahrzeuges zu schaffen, dessen Bewegung auf eine Route beschränkt ist, deren Verlauf festgelegt und bekannt ist, wodurch die beschriebenen Schwierigkeiten des Standes der Technik vermieden werden sollen.
Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fahrzeuges längs einer festgelegten Route zu schaffen, bei dem die Fahrzeugposition mit Hilfe einer Da­ tenbank für Routenpositionen in Verbindung mit Positionsinfor­ mationen von nur zwei Satelliten eines GPS-Systemes bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe ist durch Anspruch 1 und spezieller durch An­ spruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnun­ gen mit weiteren Einzelheiten an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Baugruppen eines Positionsbestimmungssystems gemäß der Er­ findung;
Fig. 2 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse eines Fahrzeuges, das mit einem GPS-Empfänger ausgestattet ist, zu zwei oberhalb davon ange­ ordneten Satelliten.
Gemäß der Erfindung kann ein Fahrzeug, dessen Bewegung auf eine festgelegte und bekannte Route beschränkt ist, mit einer Routen-Datenbank ausgerüstet sein. Solch eine Routen-Datenbank kann Mittel zum Umwandeln der zurückgelegten Wegstrecke von einem bekannten Ausgangspunkt längs der Route zu einem ge­ schätzten Punkt in zwei oder drei Dimensionen aufweisen. Diese Schätzung kann auch zum Schätzen der Pseudoabstände von nahe­ gelegenen Satelliten dienen. Diese Satellitenabstandsschätzung kann dazu eingesetzt werden, genau die Fahrzeugposition unter Einsatz von nur zwei Satelliten zu bestimmen.
Die Beziehung zwischen der Position jedes Satelliten und eines Fahrzeuges kann ausgedrückt werden als:
ρi = [(Xi-Xl)2 + (Yi-Yl)2 + (Zi-Zl)2]1/2 + Bc, i = 1, . . ., n
worin
Xi, Yi, Zi die Position jedes Satelliten i in drei Dimensionen;
Xl, Yl, Zl die Position des Fahrzeuges in drei Dimensionen;
B das Empfängertaktmaß (mit c als bekannter oder bestimmbarer Konstante);
ρi den Pseudoabstand des Satellitenempfängers im Fahrzeug vom Satelliten i und
n die Anzahl der in der Lösung verwendeten Satelliten bedeu­ ten, welche größer oder gleich vier ist, sofern Xl, Yl, Zl und B unbekannt sind.
Wenn l, l, l und l die beste Schätzung dieser Parameter dar­ stellen, dann gilt:
Xl = l + ΔXl
Yl = l + ΔYl
Zl = l + ΔZl
B = + ΔB
ρi = i + Δρi
Ersetzen dieser Parameter in der oben genannten Gleichung und Linearisieren ergibt:
worin,
und bi die Abweichung im Satellitentakt ist.
Diese linearisierten Gleichungen können in Matrixform wie folgt dargestellt werden:
Dieses sind die "normalen" linierisierten Gleichungen, welche zum Erhalten einer GPS-Lösung iteriert werden.
Unter der Voraussetzung, daß eine sehr genaue Routen-Datenbank vorliegt, ist es evident, daß die Fahrzeugposition Xl, Yl und Zl in Form der Wegstrecke längs der Route "s" parameterisiert werden kann. Es werden also
Xl = Xl(s), Yl = Yl(s), und Zl = Zl(s)
Folglich gilt:
Durch Einsetzen dieser Werte in die linearisierten Gleichungen erhält man:
Im folgenden sind Einheitsvektoren in Richtung von der Route zu den Satelliten wie folgt angegeben:
Das Innenprodukt dieser beiden Vektoren ergibt
was den Kosinus des Winkels zwischen den beiden Vektoren re­ präsentiert. Die vereinfachte Gleichung, welche zum Bestimmen der Fahrzeugposition benutzt wird, wird somit zu:
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß durch Redu­ zieren der Anzahl der Unbekannten auf zwei (Δs und ΔB) die Anzahl der zur Positionsbestimmung erforderlichen Satelliten auf zwei reduziert wird, vorausgesetzt, daß das Fahrzeug sich auf der Route befindet.
Um die Genauigkeit zu gewährleisten, welche bei Einsatz dieses Verfahrens erzielbar ist, zeigt eine einfache Rechnung, daß die Verringerung der Genauigkeit in drei Dimensionen (PDOP) längs der Route gegeben ist durch
worin n die Anzahl der Satelliten bezeichnet, welche bei die­ ser Lösung eingesetzt sind. Um PDOP zu minimieren, ist am be­ sten, wenn die beiden Satelliten vor und hinter dem Zug gele­ gen sind.
Gemäß Fig. 1 kann die Erfindung ein übliches Koppel-Naviga­ tionssystem einsetzen, bei dem ein Kalman-Filter eingesitzt wird, um eine geschätzte Fahrzeugposition auf einer festgeleg­ ten und bekannten Route anzugeben (wobei die Fahrzeugbewegung auf eine festgelegte und bekannte Route beschränkt ist). Das Koppel-Navigationssystem kann ein Trägheits-Navigationssystem (INS) 10 oder einen Wegstreckenmesser 12 umfassen, der mit einem Rad 14 verbunden ist, welches längs der Route abrollt, oder ein anderes System zum Ermitteln einer Wegstrecke längs der Route. Der Wegstreckenmesseer 12 kann die Anzahl der Umdre­ hungen des Fahrzeugrades 14 zählen und die Anzahl dieser Um­ drehungen in einen zurückgelegten Abstand ausgehend von dem letzten Ausgangs- oder Nullpunkt längs der Route wandeln. Die von dem Koppel-Navigationssystem geschätzte Position längs der Route kann in einen Computer 16 eingespeist werden.
Ein herkömmlicher Datenspeicher 18 kann eine Datenbank aus zwei- oder dreidimensionalen Koordinaten für Fahrzeugpositio­ nen längs der Route enthalten, die basierend aus der vom Kop­ pel-Navigationssystem gelieferten Informationen (d. h. der zurückgelegten Wegstrecke ab dem letzten Ausgangspunkt) abruf­ bar sind. Der Datenspeicher 18 kann ferner Informationen be­ treffend die Positionen von GPS-Satelliten enthalten (obgleich die Erfindung nicht auf das GPS-System beschränkt ist). Dir Datenspeicher 18 kann am oder im Computer 16 oder davon ent­ fernt angeordnet sein und über ein Radiosystem oder ein ande­ res herkömmliches Datenübermittlungssystem angeschlossen sein. Ein Satellitenempfänger 20 kann Übertragungen von mehreren Satelliten 22 empfangen und Informationen für die Übertragung zum Computer 16 bereitstellen.
Der Computer 16 kann dazu eingesetzt werden, die momentane Fahrzeugposition genau zu bestimmen. Auf Anforderung durch einen Überwacher oder automatisch (beispielsweise periodisch in vorbestimmten Zeitabständen) kann der Computer 16 die ge­ schätzte Position aus dem Koppel-Navigationssystem auslesen und Koordinaten für diese Position aus der Datenbank 18 erhal­ ten. Unter Einsatz der Koordinaten der geschätzten Fahrzeug­ position längs der Route kann der Computer 16 den Satelliten­ empfänger 20 nach Positionsinformation abfragen, welche auf von nur zwei Satelliten 22 empfangenen Signalen basiert. Unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen kann der Compu­ ter 16 dann eine sehr genaue Schätzung der momentanen Fahr­ zeugposition herleiten und sie auf dem Computer 16 abbilden und/oder sie zu einer zentralen Stelle weiterleiten, an wel­ cher die Fahrzeugposition längs der Route überwacht und/oder gesteuert wird.
Gemäß der bevorzugten Ausführung nach Fig. 2 kann nach Schät­ zung der Position (l, l, 1) einer Lokomotive 30 auf einem Gleis 32 mittels des Koppel-Navigationssystems der das Gleis 32 an der geschätzten Stelle tangierende Vektor ebenso berech­ net werden wie jeder Abstands-Einheitsvektor zu jedem Satelli­ ten. Die Winkel θi zwischen dem tangierenden Routen-Einheits­ vektor und dem zu jedem Satelliten führenden Abstands-Ein­ heitsvektor können dann bestimmt werden. Nachfolgend kann der geschätzte Pseudoabstand (ρi) basierend auf der geschätzten Position der Lokomotive bestimmt werden, und der gemessene Pseudoabstand (ρi) des Satellitenempfängers von jedem Satelli­ ten kann ermittelt werden. Die Abweichung des Pseudoabstandes (δρi) kann durch Subtrahieren des geschätzten vom gemessenen Pseudoabstand ermittelt werden. Somit können nach Bekanntsein von θi und δρi für beide Satelliten die Größen Δs und ΔB unter Verwenden der oben angegebenen vereinfachten Gleichung berech­ net werden, wie im folgenden für nur zwei Satelliten darge­ stellt ist:
Die Ergebnisse können dann angenommen werden, wenn die Norm des Ausdruckes [ΔsΔB]T kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert oder zurückgewiesen werden, worauf das Verfahren erneut durchgeführt wird, wenn die Norm den Schwellwert über­ schreitet.
Vorzugsweise liegt einer der beiden Satelliten in Bewegungs­ richtung der Lokomotive vor dieser, während der andere Satel­ lit hinter der Lokomotive gelegen ist. Die beiden Satelliten sollten nicht in einer Ebene liegen, welche die Lokomotive auch enthält und senkrecht zum Gleis steht.
Bei einer weiteren Ausführung kann das beschriebene System zum Überwachen der Position zum Ende eines Zuges benutzt werden, indem das System zusätzlich oder anstatt in der ziehenden Lo­ komotive am rückwärtigen Ende eines Zuges installiert wird.
Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in belie­ biger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fahrzeuges, das sich längs einer bekannten, festgelegten Route bewegt und einen GPS-Empfänger aufweist, ge­ kennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • (a) Schätzen der Fahrzeugposition unter Verwenden von In­ formation über die bekannte Route und über die Bewe­ gung des Fahrzeugs und
  • (b) Verbessern der Genauigkeit des geschätzten Fahrzeug­ position durch Korrigieren der geschätzten Fahrzeug­ position unter Einsatz von Daten, die am GPS-Empfänger von nur zwei GPS-Satelliten empfangen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den weiteren Schritt des Auswählens eines in Bewegungsrichtung des Fahrzeuges vor dem Fahrzeug gelegenen GPS-Satelliten und eines hinter dem Fahrzeug gelegenen GPS-Satelliten als die beiden GPS-Satel­ liten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schritt (a) unter Einsatz eines Koppel-Navigationssystems durchgeführt wird, um eine Fahrzeugposition längs der Route zu schätzen.
4. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges, dessen Bewegung auf eine Route beschränkt ist, deren Ver­ lauf fixiert und bekannt ist, umfassend die folgenden Schritte:
  • (a) Setzen der Fahrzeugposition längs der Route;
  • (b) Empfangen von Signalen von zwei GPS-Satelliten;
  • (c) Bestimmen jeweils der Winkellage eines Vektors von der Tangente an die Route an der geschätzten Fahrzeugposi­ tion zu jedem der beiden GPS-Satelliten;
  • (d) Bestimmen einer Abstandsabweichung zwischen einem ge­ schätzten Abstand von der geschätzten Fahrzeugposition zu dem jeweiligen GPS-Satelliten und einem gemessenen Abstand vom Fahrzeug zum GPS-Satelliten;
  • (i) Einsetzen der gefundenen Winkel und Abstandsabweichun­ gen für die nur zwei GPS-Satelliten zum Bestimmen ei­ ner Abstandsabweichung der geschätzten Fahrzeugposi­ tion längs der Route und
  • (f) Kombinieren der Abstandsabweichung mit dem geschätzten Fahrzeugort zum Gewinnen eines bestimmten Fahrzeugor­ tes des Fahrzeugs längs der Route.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es (d) das Lösen der folgen­ den Gleichung umfaßt, in welcher die Abstandsabweichung Δs, die Winkel θi, die bestimmten Abstandsabweichungen δρi, c eine Konstante und ΔB eine Unbekannte sind:
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Bestimmen der Norm von [Δs ΔB]T der bestimmten Ab­ standsabweichung, wenn die bestimmte Norm kleiner als ein Schwellwert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Routen-Einheitsvektor berechnet wird, der die Route am Ort der geschätzten Fahrzeugposition tangiert, und daß Einheits-Abstandsvekto­ ren zu jedem der beiden GPS-Satelliten von der geschätzten Fahrzeugposition berechnet werden, wobei die bestimmten Winkel zwischen dem Routen-Einheitsvektor und den jeweili­ gen Abstandsvektoren ausgespannt sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug die Lokomo­ tive eines Zuges mit einem GPS-Empfänger ist und daß die Route ein Gleis für die Lokomotive ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug an einem Ende eines Zuges angeordnet ist und einen GPS-Empfänger aufweist, und daß die Route ein Gleis für den Zug ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bestimmte Position des Fahrzeuges bzw. der Lokomotive einem Zugüberwacher entfernt von dem Fahrzeug oder der Lokomotive gemeldet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch:
Bestimmen eines Winkels zwischen einem die Route an dem geschätzten Ort tangierenden Vektor und jedem der beiden Satelliten durch Berechnen eines Routeneinheitsvektors, welcher die Route an dem geschätzten Fahrzeugort tangiert, und Berechnen von Abstands-Einheitsvektoren von dem ge­ schätzten Fahrzeugort zu jedem der beiden GPS-Satelliten, wobei die bestimmten Winkel zwischen dem Routeneinheits­ vektor und den jeweiligen Abstands-Einheitsvektoren ausge­ spannt sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Bestimmen einer Abstandsabweichung zwischen einem geschätzten Abstand von der geschätzten Fahrzeugposition zum jeweiligen GPS-Satelliten und einem gemessenen Abstand vom Fahrzeug zum jeweiligen GPS-Satelliten für beide GPS-Satel­ liten.
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