DE19946168A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Abstandes zwischen zwei Fahrzeugen - Google Patents

Abstract

Durch die Anwendung eines Sekundärradars für eine Zugvollständigkeitsüberwachung wird das Signal/Rauschverhältnis einer Zug-Vollständigkeitsüberwachung zwar gegenüber einem reinen Reflexionsradar verbessert, es können jedoch immer noch viele Reflexionen auftreten, die das Meßergebnis verfälschen können. DOLLAR A Das Meßergebnis soll dadurch störunempfindlich gemacht werden, indem die Antwort-HF-Signale vor dem Zurücksenden an den die Abfrage-HF-Signale auslösenden Sender/Empfänger in einer Reflektoreinheit um einen definierten Zeitversatz verzögert werden. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich neben der Vollständigkeitsüberwachung von Zügen oder Fahrzeugkolonnen auch zur Abstandsbestimmung zwischen zwei Zügen oder anderen Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ab­ standes zwischen zwei Fahrzeugen durch Messen der Laufzeiten von Abfrage- und Antwort-HF-Signalen zwischen Sende- und Emp­ fangseinrichtungen der Fahrzeuge sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens; unter dem Begriff "Fahrzeug" werden nachfolgend sowohl Einzelfahrzeuge als auch Fahrzeug­ verbände (Züge) verstanden.

Zur Verhinderung von Zugkollisionen ist die Kenntnis der ak­ tuellen Gleisbelegung durch Schienenfahrzeuge notwendig. Da­ bei muß insbesondere sichergestellt werden, daß Gleisbeset­ zungen infolge Zugtrennung, d. h., wenn ein oder mehrere Wa­ gen auf der Strecke verloren wurden, sicher erkannt werden.

Ein Verfahren zu einer solchen Vollständigkeitsüberwachung eines Zuges ist bereits aus der DE 31 24 884 A1 bekannt. Dort wird zwischen dem Leitfahrzeug und dem Schlußfahrzeug eines Zuges eine Strahlung ausgetauscht und auf Laufzeitunterschie­ de hin überwacht. Die Strahlung kann durch ein FMCW-Radar realisiert werden, d. h., daß das von einem Sender/Empfänger ausgesandte Signal dreiecksförmig frequenzmoduliert wird. Das empfangene, am Zugende reflektierte Signal wird mit dem aus­ gesendeten Signal verglichen, wobei die Frequenzdifferenz zwischen Sende- und Empfangsfrequenz der Signallaufzeit für Hin- und Rücklauf zwischen dem Leitfahrzeug und dem Schluß­ fahrzeug und damit der Entfernung zwischen diesen beiden pro­ portional ist. Das Radar soll darüber hinaus als Sekundärra­ dar ausgebildet sein, am Zugende soll also ein Transponder angeordnet sein, der die Strahlung vom Sender am Kopf des Zu­ ges empfängt und sie verstärkt wieder zurücksendet.

Ein weiteres Sekundärradar ist für den genannten Zweck auch aus der DE 44 36 983 A1 bekannt. Nach dieser Lösung werden aus den Abfrage- und Anwortimpulsen zeitexpandierte Signale erzeugt und empfangsseitig komplementär wieder Impulse gebil­ det. Damit wird die Sendeenergie auf einen größeren Zeitin­ tervall verteilt, wodurch die nötige Sendeimpulsleistung ver­ ringert werden soll.

Durch die Anwendung eines Sekundärradars wird das Si­ gnal/Rauschverhältnis einer Zug-Vollständigkeitsüberwachung zwar gegenüber einem reinen Reflexionsradar verbessert; be­ dingt durch den Zug als Meßobjekt mit bereits vielen Refle­ xionspunkten sowie die mögliche Umgebung mit Tunnelwänden, Strom- und Signalmasten u. ä. können jedoch immer noch viele Reflexionen auftreten, die das Meßergebnis verfälschen kön­ nen. Fehler entstehen insbesondere dann, wenn die Störrefle­ xionen aus einer ähnlichen Entfernung stammen wie die Zug­ schlußsignale.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzuge­ ben, die weitgehend störsignalunempfindlich sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 in Verbindung mit dem jeweiligen Ober­ begriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Dadurch, daß die Antwortsignale vor dem Zurücksenden um einen definierten Zeitversatz verzögert werden, fallen Reflexionen nicht in das erwartete Zeitfenster des Echos und werden somit ausgefiltert.

Zusätzlich können die Antwortsignale eine Modulation erhal­ ten, mit der eine weitere Minderung des Problems von Större­ flexionen erreicht wird. Die Modulation kann außerdem auch für die Übermittlung einer Kennung der jeweiligen Reflek­ toreinheit oder zur Übertragung weiterer Daten dienen. Schließlich ist eine Frequenzmodulation dann ohnehin nötig, wenn die Messung mit dem FMCW-Verfahren durchgeführt wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Prinzipdarstellung der Anordnung eines Radars zur Vollständigkeitsüberwachung eines Zuges,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Radars,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Reflektoreinheit des Ra­ dars mit verzögertem Antwortsignal,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Reflektoreinheit mit der Möglichkeit zusätzlicher Datenübertragung,

Fig. 5 die elektronischen Komponenten eines Radarsender/- empängers in einem Funktionsschema,

Fig. 6 die elektronischen Komponenten einer Reflektorein­ heit in einem Funktionsschema und

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung des Radars zur Abstandsmes­ sung zwischen zwei Zügen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Triebfahrzeug T eines Zuges mit N Waggons und einer Zuglänge L mit einem Radarsen­ der/-empfänger RS ausgerüstet. Der letzte Waggon WN ist mit einer Reflektoreinheit AKR zur aktiven Kommunikation und Re­ flexion versehen. Die Entfernung zwischen dem Triebwagen T und dem letzten Waggon WN wird nach dem Radarprinzip gemes­ sen. Vergrößert sich die Entfernung auf ein nicht plausibles Maß, also z. B. auf ein Maß, das länger ist als die Zuglänge L auf einem geraden Gleisabschnitt, so wird eine Zugtrennung angezeigt. Ein sich stetig mit der Zeit vergrößernder Entfer­ nungsmeßwert oder eine gänzlich fehlende Reflexion werden ebenfalls als Zugtrennung gewertet.

In der Reflektoreinheit AKR wird das empfangene Signal ver­ stärkt und zurückgesendet. Das Signal, das der Radarsender/- empfänger RS von der Reflektoreinheit AKR empfängt, ist folg­ lich im allgemeinen stärker als eventuelle Störreflexionen. Zum anderen kann das Problem der Störreflexionen weiter ge­ mindert werden, indem mindestens das Signal der Reflektorein­ heit AKR moduliert wird. Der Radarsender/-empfänger RS ist in diesem Fall dahingehend zu modifizieren, daß er das durch die Reflektoreinheit AKR modulierte Antwortsignal wieder demodu­ lieren kann bzw. bei der Gewinnung der Entfernungsinformation die Modulation des reflektierten Signals berücksichtigt.

Eine mögliche Ausführungsform einer modulierenden Reflek­ toreinheit AKR zeigt Fig. 2. Das Radarsignal wird mit Hilfe eines Signalgenerators SGEN erzeugt. Über einen Richtkoppler RK wird das generierte Signal über eine Antenne A1 in Rich­ tung der Reflektoreinheit AKR abgestrahlt, dort von einer An­ tenne A2 empfangen und in einem Modulator MOD moduliert. An­ schließend wird es in einem Verstärker AMP verstärkt und über eine weitere Antenne A3 zurückgesendet. Die Reflektoreinheit AKR weist einen Mischerbaustein MIX auf, der das eintreffende Signal mit einem Referenzsignal, das in einem Frequenzgenera­ tor FS generiert wird, mit der Modulationsfrequenz f_mod mischt. Dabei kann es sich um einen Ein- oder Zweiseitenband­ mischer handeln. Zur Änderung der Modulation dient ein Pro­ zessor PAR. Durch den Mischerbaustein MIX werden die empfan­ genen Radarsignale in das Basisband heruntergemischt. Zur Entkopplung von Sende- und Empfangssignal enthält der Radar­ sender/-empfänger RS den Richtkoppler RK. In einer Filter- und Demodulationseinheit FLTM wird das empfangene Signal dann gefiltert und nach einer AD-Wandlung in einem AD-Wandler ADC in einem Prozessor PRS demoduliert und in bekannter Weise in einen Entfernungswert umgerechnet. Das Ergebnis wird an ein Zugsteuerungssystem ZLS übertragen.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, werden die Signale in der Re­ flektoreinheit AKR erfindungsgemäß um einen definierten Zeit­ versatz verzögert. Die Zeitverzögerung ist so zu wählen, daß Störsignale, verursacht durch Reflexionen an Gegenständen im Meßbereich, durch die Ausbreitungsdämpfung im Freiraum wei­ testgehend abgeklungen sind bzw. in einem anderen Entfer­ nungsbereich als das erwartete Echo der Reflektoreinheit AKR auftreten.

Vorteilhaft wird das Signal nicht analog über eine Laufstrec­ ke, sondern wie im gezeigten Beispiel digital verzögert. Hierzu wird das vom Radarsender/-empfänger RS gesendete Si­ gnal in der Reflektoreinheit AKR mit einem AD-Wandler A/D di­ gitalisiert und nach einer definierten Verzögerungszeit τ mittels eines DA-Wandlers D/A zurückgesendet. Die Verzögerung erfolgt mittels eines Speichers MEM und eines Prozessors P. Mit dem Prozessor P werden gleichzeitig Störsignale von den Nutzsignalanteilen getrennt, so daß nur die Nutzsignale ver­ stärkt werden. Zweckmäßig wird ein völlig neues Signal, ba­ sierend auf Parametern des empfangenen Signals, generiert. Abgesehen von Ungenauigkeiten, mit denen diese Parameter be­ stimmt wurden, ist das Signal dann völlig frei von Störungen.

Der Radarsender/-empfänger RS sendet z. B. wie bei einem nor­ malen FMCW-Radar zu einem Zeitpunkt t_s ein linear frequenzmo­ duliertes Signal einer definierten Sweep-Dauer aus. Die Unsi­ cherheitszeit Δt_s, mit der die Reflektoreinheit AKR den Sen­ dezeitpunkt des Radarsender/-empfängers RS kennt, sollte deutlich kleiner sein als die Sweep-Dauer. Die Zeitsynchroni­ sation kann über Echtzeituhren oder durch eine anderweitige Funk-Kommunikation erfolgen. Zum Zeitpunkt t_s + Δt_s wird in der Reflektoreinheit AKR ein gleichartiges Sweep-Signal generiert und auf einen Mischerbaustein gegeben. Mit diesem Mischer wird das vom Radarsender/-empfängers RS gesendete Signal nach dem Empfang in der Reflektoreinheit AKR heruntergemischt. Es entsteht so ein sehr schmalbandiges, im Idealfall monofrequentes Restsignal. Mit der Bandbreitenre­ duktion geht ein erheblicher Signal/Rauschverhältnis-Gewinn einher; zudem verringern sich die Anforderungen an den AD- Wandler A/D deutlich, da nur noch das Restsignal digitali­ siert werden muß. Die Mittenfrequenz des Restsignals richtet sich nach der Unsicherheitszeit Δt_s. Je nach der Größe des Bereiches, in dem die Unsicherheitszeit Δt_s schwanken kann, und in Abhängigkeit von den Sweepparametern ist die Bandbrei­ te des AD-Wandlers A/D auszulegen. Die bei unbekannter Unsi­ cherheitszeit Δt_s zunächst nicht bekannte Frequenz f_R des Restsignals kann im Prozessor P berechnet werden, z. B. mit einer Fourier-Transformation. Nun wird ein Signal mit eben dieser Frequenz f_R mit dem DA-Wandler D/A synthetisiert und mit einem Mischer, mit dem gleichen Signal, mit dem das Meß­ signal heruntergemischt wurde, hochgemischt. Diese so erzeug­ te Signal wird zum Zeitpunkt t_s + Δt_s + τ zum Radarsender/- empfänger RS zurückgesendet. Das erzeugte Signal ist ein gleichartiges, rauschfreies, um die Verzögerungszeit τ verzö­ gertes Abbild des Empfangssignals. Die Signalauswertung er­ folgt wie bei dem bekannten FMCW-Verfahren.

Sind die beiden Sweepsignale im Radarsender/-empfänger RS und Reflektoreinheit AKR nicht exakt gleich, so empfiehlt es sich, das Restsignal mit einem Bandpaßfilter auf eine Min­ destbandbreite einzuschränken und es daraufhin ansonsten un­ verändert mit einem DA-Wandler wieder auszugeben und hochzu­ mischen.

Neben der linearen FM-Modulation können natürlich auch andere bekannte Modulationsarten verwendet werden.

Mit dem Vorhandensein des Modulators MOD in der Reflektorein­ heit AKR bietet es sich auch an, weitere Informationsdaten zum Radarsender/-empfänger RS zu übertragen. Die Information kann darin bestehen, daß jede Reflektoreinheit AKR eine spe­ zifische Modulation aufweist oder eine andere Kennung, z. B. mit einer Identnummer, erhält, die sie von Reflektoreinheiten anderer Züge unterscheidet. Zweckmäßig wird eine Identnummer für jede Reflektoreinheit AKR bereits werksseitig vorgegeben.

Für eine noch leistungsfähigere Kommunikation wird die Re­ flektoreinheit AKR, wie in Fig. 4 dargestellt, durch einen eigenen Signalgenerator SGEN und eine Demodulationseinheit DEMOD erweitert, so daß sie selbständig Daten zum Radarsen­ der/-empfänger RS übertragen und empfangen kann. Solche Daten können z. B. Zustandsdaten der Reflektoreinheit AKR sein, so etwa der Ladezustand einer Batterie, wenn die Reflektorein­ heit AKR mit einer solchen betrieben wird. Über die Schalter S1, S2, S3, die vom Prozessor PAR gesteuert werden, wird festgelegt, ob die Reflektoreinheit AKR im Reflexionsmodus zur Entfernungsmessung, im Datenempfangsmodus oder im Daten­ übertragungsmodus betrieben wird.

Der Radarsender/-empfänger RS wird am Triebfahrzeug T orts­ fest montiert, wobei die Antenne A1 vorzugsweise auf dem Dach des Triebfahrzeugs T angebracht wird. Die Reflektoreinheit AKR wird nach Zusammenstellen des Zugverbandes am letzten Waggon WN angebracht. Das System wird beispielsweise durch Einsetzen eines Akkumulators initialisiert. Eine Ladestation für die Akkumulatoren kann sich im Triebfahrzeug T befinden.

Die Reflektoreinheit AKR kann auch so betrieben werden, daß sie unter Bekanntgabe ihrer Identnummer in regelmäßigen Zeit­ abständen den Distanzmeßvorgang initialisiert und sich dabei selbsttätig für einen definierten Zeitraum in den Antwortmo­ dus schaltet. Der Radarsender/-empfänger RS reagiert dann nur auf Anforderungen der Reflektoreinheit AKR und beginnt den Distanzmeßvorgang. Hierbei sendet es ein im Zeit- und Fre­ quenzbereich moduliertes Signal aus, welches von der Reflek­ toreinheit AKR empfangen und nach Verzögerung, Verstärkung und gegebenenfalls Frequenzverschiebung wieder zurückgesendet wird.

Fig. 5 zeigt die elektronischen Komponenten eines möglichen Radarsender/-empfängers RS in einer Funktionsdarstellung. Zur Initialisierung wird die Identnummer der Reflektoreinheit AKR über eine Tastatur eingegeben. Das Gerät befindet sich nach dem Einschalten im Empfangsmodus. Wird die vereinbarte Ident­ nummer der zugehörigen Reflektoreinheit AKR empfangen, sendet der Radarsender/-empfänger RS ein Signal zur Zuglängenmessung aus. Zur weiteren Befehlsbearbeitung ist eine Schnittstelle zum Fahrzeugrechner vorgesehen.

Fig. 6 zeigt eine analoge Darstellung der Reflektoreinheit AKR. Kernstück ist ein Prozessor, der sich die meiste Zeit in einem stromsparenden Schlafmodus befindet und in festgelegten Intervallen, z. B. alle 30 Sekunden, aktiviert wird. Im Sen­ defall steuert er die Modulation des Sendesignals und den Ab­ lauf der Datenübertragung.

Die Reflektoreinheit AKR wird zweckmäßig am Zughaken des letzten Waggons WN so befestigt, daß kein weiterer Waggon an­ gekoppelt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß sich die Reflektoreinheit AKR stets am Zugende befindet. Erfolgt die Anbringung an einer anderweitigen Halterung, so kann über eine zusätzliche Sensorik, z. B. ein Abstandsradar, -sonar, -lidar oder ein Kamerasystem, sichergestellt werden, daß sich die Reflektoreinheit AKR am Zugende befindet.

Für den Fall, daß ein Güterzug so zusammengestellt ist, daß sich eine Lok sowohl am Anfang als auch am Ende des Zuges be­ findet, kann vorgesehen sein, daß zwei Radarsender/-empfänger RS miteinander kommunizieren, die zu diesem Zweck dann auch die Funktionen einer Reflektoreinheit aufweisen müssen.

Als Übertragungsfrequenzbereich wird z. B. das ISM-Band zwi­ schen 2.400 MHz und 2.483 MHz genutzt.

Neben der Vollständigkeitsüberwachung eignet sich das System auch zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Fahrzeugen bzw. Fahrzeugverbänden. Eine Ausführung ist in Fig. 7 schema­ tisch dargestellt. Beide Fahrzeuge F1 und F2 sind mit einem aus Radarsender/-empfänger RS und Reflektoreinheit AKR kombi­ nierten Gerät ausgerüstet. Sie sind also gegenseitig zur Di­ stanzmessung und Kommunikation fähig. Sollen die Fahrzeuge F1 und F2 sich in einem festen Abstand dicht hintereinander her bewegen, mißt eines der Fahrzeuge F1, F2 den Abstand zum an­ deren. Basierend auf dem gemessenen Entfernungswert kann die Geschwindigkeit des nachfolgenden Fahrzeugs ständig angepaßt werden. Vorteilhaft ist hierbei die Kommunikationsfähigkeit, da weitere Informationen wechselseitig ausgetauscht werden können. Das Meßprinzip erlaubt auch die ungestörte Messung, wenn mehr als zwei Fahrzeuge im Abstand voneinander bewegt werden, was insbesondere für Kraftfahrzeugkolonnen von Bedeu­ tung sein kann.

Claims (13)

1. Verfahren zum Bestimmen des Abstandes zwischen zwei Fahr­ zeugen durch Messen der Laufzeiten von Abfrage- und Antwort- HF-Signalen zwischen Sende- und Empfangseinrichtungen der Fahrzeuge oder den Fahrzeugpunkten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antwort-HF-Signale vor dem Zurücksenden an den die Abfrage-HF-Signale auslösenden Sender/Empfänger in einer Reflektoreinheit um einen definierten Zeitversatz ver­ zögert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens die von der Reflektoreinheit zurückge­ sendeten Antwort-HF-Signale mit einer Modulation versehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflektoreinheit zur zusätzlichen Da­ tenübergabe und/oder Datenempfang mittels modulierter HF- Signale benutzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von der Reflektoreinheit zurück­ gesendeten Antwort-HF-Signale mit einer die jeweilige Reflek­ toreinheit repräsentierenden Kennung versehen werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von der Reflektoreinheit empfan­ genen Abfrage-HF-Signale nach AD-Wandlung als digitale Signa­ le gespeichert und diese nach DA-Wandlung verzögert an den Sender/Empfänger zurückgesendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abfrage-HF-Signal nach dem Empfang in der Re­ flektoreinheit auf ein Restsignal heruntergemischt, digitali­ siert, verzögert und mit der Hauptfrequenz des Restsignals ein Antwortsignal synthetisiert und mit der gleichen Fre­ quenz, mit der das empfangene Abfrage-HF-Signal herunterge­ mischt wurde oder einer Frequenz mit bekanntem Bezug zur "Herunter-Mischfrequenz", hochgemischt und an den Sen­ der/Empfänger zurückgesendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Messung durch die Reflektoreinheit initiali­ siert wird.

8. Einrichtung zum Bestimmen des Abstandes zwischen zwei Fahrzeugen mit Hilfe von Sende- und Empfangseinrichtungen für Abfrage- und Antwort-HF-Signale, deren Laufzeiten zwischen den Fahrzeugen oder zwei Punkten eines Fahrzeugs deren Ab­ stand voneinander repräsentieren, zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine die Abfrage-HF-Signale empfangende Re­ flektoreinheit (AKR) eine Empfangsantenne (A2), einen Ver­ stärker (AMP), ein Verzögerungsglied und eine Sendeantenne (A3) enthält.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verzögerungsglied in Oberflächenwellen- Technik ausgeführt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verzögerungsglied durch einen AD- Wandler (A/D), einen von einem Prozessor (P) angesteuerten Speicher (MEM) und einen DA-Wandler (D/A) gebildet wird.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (AKR) mit ei­ nem ihre Ausgangssignale modulierenden Modulator (MOD) ausge­ rüstet ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsantenne (A2, A3) zu einer Antenne zusammengefaßt und mit einem Richt­ koppler verbunden sind.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (AKR) so mit dem Schlußhaken des Waggons eines Zuges verbunden ist, daß das Ankoppeln eines weiteren Waggons verhindert ist.