DE2635952A1

DE2635952A1 - Wegmessystem fuer streckengebundene fahrzeuge unter verwendung eines doppler- radargeraetes

Info

Publication number: DE2635952A1
Application number: DE19762635952
Authority: DE
Inventors: Friedbert Dipl Ing Becker; Diethard Dr Pfab; Jan Dr Steinkamp; Kurt Dr Wiedemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-08-10
Filing date: 1976-08-10
Publication date: 1978-02-16
Also published as: ATA526877A; CH616240A5; DE2635952B2; FR2361669A1; AT361045B; FR2361669B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser ZeiStife Berlin und München VPA 7S P 6 6 9 6 BRD

Wegmeßsystem für streckengebundene Fahrzeuge unter .Verwendung eines Doppler-Radargerätes.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wegmeßsystem für streckengebundene Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, unter Verwendung eines mit einem Doppler-Radargerät arbeitenden Wegmessers, wobei im Empfangszweig aus dem reflektierten Signal die Dopplerfrequenz bestimmt und daraus durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg bestimmt wird.

Aus der DT-OS 2 201 387 ist es bekannt, daß ein Fahrzeug mit einem Doppler-Radargerät versehen werden kann, wobei die Antenne des Radargerätes einen Sendestrahl schräg auf das zu überfahrende Gelände richtet. Die reflektierten-Empfangssignale haben eine von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abhängige Doppler-Verschiebung, die in entsprechenden Schaltungen ausgefiltert und durch Frequenzmessung bestimmt werden kann. Aus dem so erhaltenen Viert der Doppler-Verschiebung läßt sich durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg ermitteln. Derartige mit Integration über die Zeit arbeitende Wegmeßeinrichtungen unter Verwendung eines Radargerätes bringen Jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich, welche bei Messungen über eine längere Zeit zu erheblichen Meßfehlern führen können. Dies liegt darin begründet, daß ein etwaiger Meßfehler durch die Integration

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einen zeitabhängig zunehmenden Betrag als Meßfehler ergibt, so daß die nach einer längeren Zeit gemessene Wegstrecke mit erheblichen Ungenauigkeiten belastet ist. Damit kann die Forderung, eine möglichst genaue Wegmessung auch über eine längere Zeit durchzuführen, nicht ohne weiteres eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Meßgenauigkeit bei derartigen Wegmeßsystemen zu verbessern. Gemäß der Erfindung, welche sich auf ein Wegmeßsystem der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß mindestens eine scharf bündelnde Antenne vorgesehen ist, die unter einem bestimmten Winkel zur Fahrtrichtung geneigt angeordnet ist, wobei aus dem Empfangssignal die Dopplerfrequenz ermittelt und durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg als erster Meßwert bestimmt wird, und daß längs der zurückzulegenden Wegstrecke in vorbekannten Abständen Antwortbaken angeordnet sind, die beim überfahren ein besonderes Signal bei der Wegmeßeinrichtung auslösen, das auf Grund der bekannten Abstände zur Korrektur der durch die Doppler-Frequenzbestimmung im Wegmesser als erster Meßwert ermittelten Wegstrecke benutzt wird.

Durch die Korrektur mittels der Antwortbaken wird verhindert, daß der Weg-Meßfehler über eine vorgegebene Grenze anwachsen kann, so daß hohe Genauigkeiten bei relativ geringem Aufwand erzielt werden können.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft das Problem, daß die Dopplerfrequenz vom cos cc abhängig ist (α = Winkel zwischen Antennen-Hauptstrahlrichtung und Fahrtrichtung) . Wenn nun das Fahrzeug infolge z.B. von Schlingeroder Nickbewegungen eine Änderung dieses Winkels α verursacht,

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so ergibt sich auch eine Beeinflussung der Doppler-Frequenz, welche im Radarempfänger gemessen wird. Wenn diese Änderung des Winkels cc über eine längere Zeit anhält, so wird auch die gemessene Doppler-Frequenz über eine längere Zeit mit einem Fehler behaftet sein und das Endergebnis ist entsprechend verfälscht. Ein Beispiel für einen derartigen größeren Fehler durch Änderung des Winkels cc besteht beispielsweise bei Lokomotiven im Bereich der Anfahr- oder Bremszone, weil dort die Lokomotive mehr oder weniger in Längsrichtung geneigt bewegt wird. Dieses Problem wird gemäß der Weiterbildung so gelöst, daß zwei scharf bündelnde Antennen vorgesehen sind, von denen eine unter einem bestimmten Winkel in die Fahrtrichtung strahlend geneigt und die zweite unter einem, vorzugsweise gleichen, Winkel gegen die Fahrtrichtung strahlend geneigt angeordnet ist und beide in ihrer gegenseitigen Zuordnung fixiert fest am Fahrzeug angebracht sind, daß beide Antennen von einem gemeinsamen Hochfrequenzsender gespeist sind und für die reflektierten, jeweils von den zugehörigen Antennen aufgenommenen Empfangssignale zwei getrennte Mischer vorgesehen sind, denen ein gemeinsamer Überlagerungsoszillator zugeordnet ist, daß nach den Mischern die beiden Doppler-Frequenzen der beiden Empfangssignale getrennt bestimmt werden und aus beiden ein Mittelwert hergeleitet ist, aus dem fortlaufend durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg als erster Meßwert bestimmt wird, und daß dieser Meßwert durch die Signale der in vorbelcannten Abständen angeordneten Antwortbaken korrigiert is*t. · ·

j50 Durch die Verwendung zweier Antennen, von denen die eine schräg in Fahrtrichtung die andere schräg entgegengesetzt zur Fahrtrichtung angeordnet ist, ergibt sieh eine Kompensation von Fehlern, welche durch eine Veränderung des Anstellwinkels cc während des Fahrbetriebs hervorgerufen sein könnten.

Da bei einer Schrägstellung des die Radaranordnung tragenden

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Fahrzeuges der eine Anstellwinkel·vergrößert und der andere Anstellwinkel verkleinert wird, erhält man durch die Mittelwertbildung eine weitgehende Eliminierung der so auftretenden Fehler und die über lange Zeit gemessene Doppler-Frequenz ist weitgehend unabhängig von dieser Schrägstellung. Daneben treten auch durch die Verwendung zweier Antennen mögliche andere Störerscheinungen weniger in Erscheinung, so z.B. periodisch wiederkehrende Reflexionsstellen wie Schraubenköpfe und Schwellen. Der Aufwand für den Einsatz zweier getrennter Antennen ist nicht sehr groß, weil der Sendeteil nur einmal vorhanden sein muß und auch nur ein gemeinsamer Überlagerungsoszillator für beide Empfangsmischer benötigt wird. Gegebenenfalls kann auch der Sendeoszillator hierfür mit verwendet werden. Der trotz der wesentlich verbesserten Genauigkeit der Frequenzmessung noch verbleibende, durch Integration entstehende Fehler wird schließlich dadurch in seinem Einfluß stark begrenzt, daß länge der zurückzulegenden Wegstrecke in vprbekannten Abständen die Antwortbaken angeordnet sind. Diese Antwortbaken werden mit dem Radarsignal beaufschlagt und geben aktiv oder passiv, vorzugsweise ein codiertes Signal a.b. Die Äntwortbaken ergeben die Möglichkeit, den gemessenen Wert der zurückgelegten Wegstrecke genau zu korrigieren, so daß der insgesamt mögliche Fehler in Grenzen gehalten werden kann. Dies gilt auch dann, wenn das Fahrzeug eine sehr große Strecke in einer sehr großen Zeit zurücklegt. Je genauer die erste Wegmessung ist, desto weniger Antwortbaken werden benötigt.

Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Blockschaltbild,
Fig. 2 eine Gleisanordnung in Draufsicht,

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Pig. 3 die Anordnung der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung an einer Lokomotive, Flg. 4 einen Streckenverlauf mit Antwortbaken, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit gewobbelter Sendefrequenz,

Fig. 6 im Zeitdiagramm den Frequenzverlauf für die Anordnung nach Fig. 5>

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit selektiver Identifizierung der Antwortbaken. 10

Bei dem Blockschaltbild nach Figur 1 ist der Hochfrequenzsender des Radargerätes mit SE bezeichnet. Die am Ausgang des Senders erhaltenen Signale werden zwei scharf bündelnden Richtantennen, bevorzugt Hörnstrahlern, A1 und A2, zugeführt. Die reflektierten Signale gelangen über entsprechende richtungsabhängige Koppeleinrichtungen zum Empfangszweig. Im vorliegenden Beispiel sind die Koppeleinrichtungen des Empfangszweiges als Rlchtkoppler K1 (zur Antenne A1 gehörend) und K2 (zur Antenne A2 gehörend) dargestellt. Es ist aber auch möglich, andere richtungsselektive Koppelelemente z.B. Zirkulatoren oder dergleichen.zu verwenden. Die so erhaltenen dopplerverschobenen Empfangssignale gelangen zu zwei getrennten Mischern M1 und M2. Die Überlagerungsfrequenz dieser Mischer wird 'zweckmäßig aus der Sendefrequenz des Radarsenders SE hergeleitet bzw. die Sendefrequenz direkt als Überlagerungsfrequenz benutzt. Nach der Umsetzung ergeben sich Überlagerungsfrequenzen, welche am Ausgang des .Mischers M1 die Doppler-Frequenz fd1, am Ausgang des Mischers M2 die Doppler-Frequenz fd2 enthalten. Da eine der Antennen in die Fahrtrichtung FR, die andere entgegengesetzt zu der Fahrtrichtung FR schräg unter dem Winkel α bzw. α 2 ist, ist eine der Doppler-Frequenzen im Empfangssignal, also vor dem jeweiligen Mischer dadurch zu erkennen, daß sie über der Sendefrequenz des Senders SE liegt, während die andere bei gleicher winkelraäßiger Ausrichtung (al = cc2) der An-

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tennen Α1, Α2 um den gleichen Betrag darunter liegt. Die so nach der Umsetzung erhaltenen Doppler-Frequenzen fd1 und fd2 werden in entsprechenden Meßeinrichtungen, bevorzugt in Frequenzzählern Z1 und Z2, gemessen und einer gemeinsamen Mittelwertstufe MW zugeführt. In dieser Mittelwertstufe wird aus den beiden gemessenen Doppler-Frequenzen fd1 und fd2 der Mittelwert fdm gebildet und einer Multiplikationsstufe MS zugeführt. Diese Multiplikationsstufe MS ist mit einer Uhr U, bevorzugt in Form eines in sehr kleinen Zeitschritten arbeitenden Zählers verbunden. Die so durch die Multiplikation gebildeten Zeitquanten des jeweiligen Doppler-Frequenzwertes werden einem Wegzähler WZ zugeführt, der diese aufaddiert. Durch diesen Integrationsvorgang ist in dem Wegzähler WZ der vom Startpunkt aus zurückgelegte Weg enthalten. Der Wegzähler wird zweckmäßigerweise so eingestellt, daß eine Ortsbestimmung mit der gewünschten Genauigkeit durchführbar ist. So kann dieser z.B. bei einem Zug beim Abfahren auf dem jeweiligen Anfangsbahnhof auf Null zurückgestellt werden und beginnt dann fortlaufend zu zählen, bis das gewünschte Ziel erreicht ist.

Da die Messung des Wertes der Doppler-Frequenzen fd1 und fd2 mit gewissen Fehlern behaftet ist, welche auch durch die Mittelwertbildung nicht völlig ausgeschaltet werden kön- »en, ergibt sich nach einer längeren Fahrzeit ein entsprechend großer Absolutwert des gemessenen Fehlers im Wegzähler WZ. Deshalb hat dieser "i/egzähler ¥Z einen Korrektureingang, welcher mit KE bezeichnet ist. Dieser Korrektureingang ermöglicht es, in einer später zu beschreibenden Art und Weise den jeweiligen Meßwert im Wegzähler WZ zu korrigieren und dadurch zu verhindern, daß der Absolutwert des Fehlers ein vorbestimmtes Maß überschreitet. Im einzelnen wird der Korrekturwert hergeleitet aus Antwortbaken, welche in vorgegebenen, beim Fahrzeug bekannten Abständen längs der Strecke angeordnet

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sind. Diese Antwortbaken lösen bei der Wegmeßeinrichtung beim Überfahren ein spezielles Signal aus, welches anzeigt, daß nunmehr eine bestimmte Strecke durchfahren worden ist. Ist beispielsweise die Antwortbake im Abstand von 50 lon vom Anfangsbahnhof entfernt, und hat der Wegzähler in der Zwischenzeit den Weg 50,01 km ermittelt, so wird durch das von der Antwortbake gebildete Signal über den Korrektureingang KE der Wegzähler WZ auf den genauen Wert 50 km zurückgestellt, das heißt korrigiert.

Nur die mit dicken Linien gezeichneten Bauteile und Verbindungsleitungen (A1, K1, SE, M1, Z1, MS, WZ und U) werden dann benötigt, wenn lediglich mit einer Antenne, also A1 gearbeitet wird und dementsprechend die Wegmessung auf die Doppler-Frequenz fd1 abgestellt wird. Die Auswerteeinrichtungen für die Antwortsignale (z.B. RE und FB) sind an M1 anzuschalten. In Figur 2 ist zur weiteren Erläuterung in Draufsicht eine Eisenbahnschiene ES dargestellt, wobei die zugehörigen Schwellen mit EQ bezeichnet sind. Die von den beiden scharf bündelnden.Antennen A1 und A2 erzeugten Strahlungskeulen treffen schräg auf die Schiene bzw. den Schienenfuß auf und sind gestrichelt angedeutet. Die Anstrahlung der Schiene bzw. des Schienenfußes durch den Sendestrahl der beiden Antennen A1 und A2 ist deshalb zweckmäßig, weil dann der Abstand zwischen den Antennen A1 und der Reflektionsfläche konstant gehalten werden kann. Dies ist in vielen Fällen zweckmäßig um weitere Fehlermöglichkeiten auszuschließen. Außerdem hat die Schiene im Gegensatz zu dem übrigen Untergrund ein sehr gutes Reflektionsverhalten.

Einflüsse, z.B. aifgrund der die Schiene haltenden Befestigungsschrauben können zwar auftreten; ihre resultierende Wirkung wird jedoch dadurch herabgesetzt bzw. ganz ausgeschaltet, daß der von ihnen erzeugte eventuell störende Frequenzsprung bei der Doppler-Verschiebung bei den beiden

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Antennen Α1 und A2 gegenläufig auftritt. Bei der Bildung des Mittelwertes in der Stufe MW nach Fig.1 kann somit dieser störende Einfluß weitgehend beseitigt werden.

In Fig.3 ist eine Lokomotive LO schematisch dargestellt, bei der -zwischen den beiden Drehgestellen das Doppler-Radargerät DR milden beiden Antennen A1 und A2 angeordnet ist. Die beiden Antennen A1 und A2 schließen mit der Bewegungsrichtung FR bzw. den Schienen ES einen Winkel von cd (Antenne A1) bzw. oc2 (Antenne A2) ein. Diese Winkel oc1 und oc2 sind zweckmäßig gleich gewählt. Dadurch ergibt sich dann bei einer Bewegung der Lokomotive LO für beide Empfangssignale der gleiche Betrag der Doppler-Verschiebung, und zwar symmetrisch zur Sendefrequenz. Die Größe der Doppier-Frequenzverschiebung ist proportional der Geschwindigkeit der Lokomotive LO und darüber hinaus proportional dem cos cd (für die Empfangssignale der Antenne A1) bzw. dem cos oc2 (für die Empfangssignale der Antenne A2). Eine Veränderung der Lage der Lokomotive LO bezüglich der Schiene ES in Form einer Schrägstellung, wie sie durch den Winkel Δß angedeutet ist, bringt entsprechend dem vorliegenden Beispiel eine Verringerung der Größe von cc2 und eine Vergrößerung des Viertes von <x1. Dadurch wird die Doppler-Verschiebung bei der Antenne A2 entsprechend der angegebenen Cosinus-Beziehung kleiner, die Doppler-Verschiebung bei den EmpfangsSignalen der Antenne A1 dagegen entsprechend größer. Bei den kleinen Winkelwerten.Δβ, um welche diese Schrägstellung auftreten kann, läßt sich mi^ ausreichender Genauigkeit davon ausgehen, daß sich bei der Mittelwertbildung in der Stufe MVf nach Fig.1 beide Störeinflüsse gegenseitig kompensieren, so daß der Mittelwert fdm der Doppler-Frequenz von derartigen Vorgängen weitgehend unbeeinflußt bleibt.

In Fig.4 ist eine Strecke dargestellt, auf welcher das mit dem Doppler-Radar ausgestattete Fahrzeug sich bewegen kann. Die Strekke ist mit einzelnen Antwortbaken versehen, welche hier mit KB 11, KB 12, KB 13 und KB 14 bezeichnet sind. Es sind grundsätzlich zwei verschiedene Ortungsverfahren realisierbar, nämlich die relative Ortung (bei der die Antwortbaken vorgegebene feste

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Abstände aufweisen) und die absolute Ortung (bei der die Abstände der Antwortbaken beliebig wählbar sind, jedoch jede Antwortbake eine spezielle Kennung aufweist

Bei der zunächst behandelten relativen'Ortung sind die Antwortbaken KB 11, KB 12, KB 13 und KB 14 in festen Abständen angeordnet, z.B. alle 50 km. In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Antwortbaken spezielle Kennungen aufweisen. Es genügt das Überfahren einer derartigen Bake durch ein Signal im Eingangsteil des Radarempfängers festzustellen und dementsprechend ein Korrektursignal beim Wegzähler WZ auszulösen. In Fig.1 ist hierzu gestrichelt eine Ergänzungsschaltung angedeutet, welche vom Ausgang des Mischers M2 abgezweigt ist. Dies bedeutet, daß im Ausgangssignal des Mischers M2 enthaltene spezielle Signalantei-Ie, welche durch das Filter FB am Ausgang des Mischers M2 ausgefiltert werden, einem Rechner RE zuzuführen sind. Dieser Rechner RE stellt dann fest, daß dies z.B. der n-te Korrekturwert ist, das heißt, daß die n-te Antwortbake überfahren worden ist. Der hierauf vom Rechner RE ausgegebene Korrekturwert entspricht somit der (n-i)-fachen vorgegebenen Entfernung zwischen den Antwortbaken, also entsprechend dem gewählten Beispiel dem Wert von (η-ΐ)·50 km. Der ■ Wegzähl er WZ wird daraufhin entsprechend korrigiert. Beim Überfahren, z.B. der dritten Antwortbake KB 13, weiß der Rechner RE, daß nunmehr die doppelte Einheitsstrecke, also entsprephend dem Beispiel 100 km zurückgelegt ist und dementsprechend¹ der Wegzähler WZ auf 100 km gestellt werden muß. Die Anwendung von derartigen gleichmäßig im vorgegebenen Abstand verteilton Antwortbake^ führt zu besonders einfachen Systemen vor allem auch bei der Auswertung der Bakensignale am Eingang der Rechner RE. Bei abzv/eigenden Strecken, wie z.B. durch die Bake KB angedeutet, muß die jeweilige Entfernung auf die letzte vorangegangene Bake, z*B. KB 12 der Hauptstrecke, bezogen werden.

Bei dieser Korrektur ist zu berücksichtigen, daß die erste Antwortbake, z.B. KB 11, um eine bestimmte Strecke nach dem Startpunkt liegt. Beginnt z.B. die Fahrstrecke bei km 0 und liegt die erste Antwortbake bei km 1,3» so ist dieser (möglichst kleine)

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erste Wert vom Wegzähler WZ zum Rechner RE zu übertragen, weil dort die Korrekturwerte daraufhin entsprechend dem gewählten Eeispiel auf 51,3» 101,3; 151,3 usw. km eingestellt werden müssen.

Wird dagegen jede der einzelnen Antwortbaken KB im Sinne einer absoluten Ortung mit einer speziellen Kennung versehen, so kann der Rechner RE nach Fig.1 aufgrund der jeweils empfangenen Kennung der gerade überfahrenen Antv/ortbake feststellen, welcher Weg seit der letzten überfahrenen Antv/ortbake zurückgelegt worden ist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Abstände aller Antwortbaken einem bestimmten vorgegebenen Wert entsprechen und ggf. untereinander gleich sind, sondern diese Antwortbaken können entsprechend den örtlichen Gegebenheiten beliebig verteilt werden. So können beispielsweise jeweils an bestimmten Bahnhöfen derartige Antwortbaken angeordnet sein, was in einfacher Weise die Verwendung von aktiven Antwortbaken ermöglicht, weil dann die Stromversorgung für diese Antwortbaken leicht zu realisieren ist. Wie im einzelnen die Kennung von Antwortbaken durchgeführt werden kann, wird anhand von späteren Figuren näher erläutert. Zunächst bleibt festzuhalten, daß der Rechner RE einerseits die verschiedenen Kennungen der einzelnen Antwortbaken eingespeichert hat und andererseits dem Rechner bekannt sein muß, wie groß der Abstand aufeinanderfolgender Antwortbaken ist. Dementsprechend kann er in einfacher Weise bei Erreichen jeweils der nächsten Antwort-SS bake den genauen, inzwischen zurückgelegten Weg bestimmen und den Wegzähler WZ entsprechend korrigieren. Die Korrektur aufgrund der Antwortbaken hat außerdem den Vorteil, daß spezielle Wegfehler, welche bsicpiclsv/eioe durch Rangieren, Umsetzen odex* dergleichen bei einer gefahrenen Strecke auftreten würden, wieder eliminiert werden. Somit kann bei einem Fahrzeug an praktisch jeder beliebigen Stelle der jeweilige Standort aufgrund des angezeigten Wegwertes beim Wegzähler WZ mit einer hohen Genauigkeit festgehalten werden und die Betriebsüberwachung wird dementsprechend vereinfacht.
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Bei der Anordnung nach Fig.5 ist das Dopplerradar-Wegmeßgerät nach Fig.1 dadurch abgeändert, daß der Sender SE in seiner Fre-

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quenz durchstimmbar ausgebildet ist. Diese Durchstimniung wird von einem Sägezahngenerator SG in bevorzugt periodischer Weise durchgeführt. Da die Mischer M1 und M2 ebenfalls von den gewobbelten Sendesignalen mit der Überlagerungsfreqμenz versorgt werden, fällt der Einfluß dieser Frequenzmodulation des Sendesignals bei der Bildung des Überlagerungssignals (abgesehen von einem laufzeitbedingten festen Differenzwert, der leicht zu eliminieren ist) praktisch wieder heraus. Es ergeben sich somit an den Ausgängen der Mischer M1 und M2 wiederum die Dopplerfrequenzen fd1 und fd2 entsprechend dem Dauerstrichradar nach Fig.1.

Nähere Einzelheiten hierzu zeigt Fig.6. Dort ist die dreieckförmig gewobbelte Sendefrequenz in Abhängigkeit von der Zeit mit SF bezeichnet und als ausgezogene Linie dargestellt. Geht man zunächst davon aus, daß sich das Fahrzeug, auf dem die Antennen A1 und A2 angebracht sind, nicht bewegt, also die Dopplerfrequenz Nu3J ist, so hat das gestrichelt dargestellte reflektierte Signal RF eine feste Frequenzverschiebung fk gegenüber dem Sendesignal, welche durch die Laufzeit des Sendesignals bis zur Reflexionsstelle und die Rücklaufzeit von der Reflexionsstelle bis zur Antennenanordnung gegeben ist. Bei einer Mischung des Sendesignals entsprechend dem Sägezahn SF und dem demgegenüber um einen konstanten, aus der Geometrie vorgegebenen Wert verschobenen Sägezahn RF ergibt sich somit eine konstante Differenzfrequenz, welche auch bei nicht bewegtem Fahrzeug am Ausgang der Mischer M1 und M2 vorhanden wäre. Darüber hinaus tritt bei einer Bewegung des Fahrzeugs bei der reflektierten Schwingung.eine Frequenzverschiebung durch die Dopplerfrequenzen fd1 und fd2 auf, wie sie in Fig.6 . durch die senkrecht nach oben (fd1) und senkrecht nach unten (fd2) gerichteten Pfeile angedeutet ist. Beide Pfeile sind, wenn die Winkel ocj und a.^ gleich groß sind, ebenfalls gleich lang. Dadurch ergeben sich zwei punktiert angedeutete, ebenfalls sägezahnförmig verlaufende Linien, welche die Frequenzlage der beiden Empfangsfrequenzen angeben. Nach der Mischung mit der zugehörigen Sende- frequenz SF in den Mischern M1 und M2 ist zwar entsprechend dem vorliegenden Beispiel der Wert fd1 um den Wert fk kleiner, dafür ist aber der Wert fd2 entsprechend um fk größer, wobei die so er-

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haltenen Dopplerfrequenzwerte der Länge der Pfeile oberhalb der Linie SF (für fdi) bzw. unterhalb von SF (für fd2) entsprechen. Bei der Hittelwertbildung in der Stufe MW in Fig.1 ergibt sich wiederum der genaue Frequenzwert, wie er ohne eine derartige Frequenzmodulation bei Aussendung einer CW-Radarschwingung mit konstanter Frequenz erhalten worden wäre. Die Frequenzmodulation entsprechend der Fig«5 und Fig.6 bietet jedoch eine Reihe von Vorteilen, die es geraten sein lassen, die Sendefrequenz entsprechend gleichmäßig periodisch in der Frequenz zu modulieren. Ein erster Vorteil liegt darin, daß in diesem Falle auch mit passiven Antv/ortbaken codierte Ant\irortsignale erzeugt werden können. Bei Verwendung von mit frequenzbestimmenden Teilen arbeitenden, d.h. hinsichtlich der Resonanzfrequenzen codierten Antwortbaken, wird nämlich die jeweilige Codierung durch das gewobbelte Sendesignal erregt und es wird ein frequenz-codiertes Antwortsignal erzeugt, welches für die Einspeisung in den Rechner RE nach Fig.1 zu benutzen ist. Außerdem treten als weiterer Vorteil bei Verwendung von periodisch in der Frequenz modulierten Sendesignalen andersartige Störungen weniger in Erscheinung. Dies gilt sowohl für die

!0 Dopplerfrequenzmessung als auch für die Informationsübertragung von der Antwortbake zum Radargerät.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß durch den Einbau von Dioden in passiven Antwortbaken Harmonische, gegebenenfalls Subharmoni-

!5 sehe, erzeugt werden können, welche die Auswertung (Frequenztrennung) der Antwortsignale erleichtern. Durch eine zusätzlich vom Sender SE auszustrahlende Festfrequenz kann für die Antwort signale durch eine Mischung im Bereich der Antwortbake eine Frequenzumsetzung der Antwortsignale und damit eine besonders ein- fache Trennung von Antwortsignalen und den der Dopplerauswertung dienenden reflektierten Signalen erzielt werden.

In Fig.7 ist in Abänderung der Schaltungsanordnung nach Fig.1 bzw. Fig.4 ein Ausführungsbeispiel dafür dargestellt, wie eine >5 Auswertung bei frequenzselektiven Antwortbaken durchgeführt werden kann. An einer bestimmten Stelle in der Nähe der Eisenbahnschiene BS aber noch im Strahlungsbereich der Antennen A1 und A2 ist

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eine Antwortbake KBF angeordnet, welche eine bestimmte Frequenzcodierung aufweist. Im folgenden Beispiel ist angenommen, daß von z.B. zehn möglichen Frequenzen f1 bis f10 (Normalfrequenzraster) die Frequenzen f1, f3 und f7 vorgesehen sind. Sie können bevorzugt durch Resonatoren erzeugt v/erden, welche im Anschluß an eine Hornantonne KA in einem entsprechenden Resonanzraum angebracht sind. Beispiele für die Ausgestaltung derartiger passiver Resonatoren sind vor allem in der deutschen Patentschrift 1 279 78: sowie den Zusatzpatenten 1 591 452, 1 591 453, 1 541 582 und 1 541 583 beschrieben. Wenn während der Überstreichungszeit, d.h. beim Überfahren der Antwortbake KBF, durch den Sägezahngenerator SG die Seridefrequenz des Senders SE des Radargerätes so verändert.wird, daß der Frequenzbereich zum Beispiel von f1 bis f1O überstrichen wird, innerhalb dessen die jeweiligen spe- .

ziellen Frequenzen f1, f3 und f7 liegen, so ist sichergestellt, daß durch die Resonatoren ein diese Frequenzen besonders stark enthaltendes Antwortsignal ausgelöst wird. Dieses Antwortsignal mit den besonders ausgeprägten Frequenzbestandteilen f1, f3 und f7 gelangt (zusammen mit der Dopplerverschiebung des Sendesignals) zu dem Mischer M2 und wird dort in eine Basisbandlage umgesetzt. Da die Dopplerfrequenz von Null (Geschwindigkeit Null) bis zu einem Grenzwert, zum Beispiel von 2 kHz, reichen kann, ist es zv/eckmäßig, die Resonanzfrequenzen f 1, f3 und f7 der frequenzselektiven Antwortbaken KBF z.B. durch Umsetzung oder Heran-Ziehung Harmonischer oder Subharmonischer frequenzmäßig gegen die reflektierten Signale zu versetzen, beispielsweise auf J?requenzen, die nach der Umsetzung am Ausgang des Mischers M2 Werte zwischen 5 und 10 kHz ergeben. Kittels des Tiefpasses TP2, v/elcher dem Ausgang des Mischers M2 nachgeschaltet wird, kann der eigentliche Dopplerfrequenzbereich ausgesiebt und in der bereits beschriebenen Weise dem Zähler WZ zugeführt werden. Darüber hinaus muß die Auswertung der Antwortsignale der frequenzselektiven Ant~ wortbake KBF gewährleistet sein. Hierzu ist ein weiteres Filter, im vorliegenden Beispiel ein Hochpaßfilter HP, am Ausgang des Mischers 142 vorgesehen. Dieses Hochpaßfilter ist in seiner Grenzfrequenz so ausgelegt, daß es die Dopplerfrequenzen des Tiefpasses TP2 nicht durchläßt, so daß im oberen Teil der Schaltung nur

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die Resonanzfrequenzanteile der frequenzselektiven Antwortbaken KBF vorliegen. Zur Auswertung ist eine Filterbank von einzelnen Bandpaßfiltern BP1 bis BPn vorgesehen, denen die Ausgangssignale des Hochpaßfilters HP parallel zugeführt v/erden. Die Zahl η entspricht dabei der maximal möglichen Zahl von Resonatorfrequenzen (Normfrequenzraster). Je nach der Art der jeweiliger, frequenzselektiven Antwortbake KBF liegt an den Ausgängen der Bandpaßfilter BP1 bis BPn eine bestimmte 0,1-Verteilung vor, welche der Codierung der jeweiligen frequenzselektiven Antwortbake KBF entspricht. Die Auswertelogik LK tastet die gegebenenfalls gespeicherten Ausgangssignale der Bandpaßfilter nacheinander ab und stellt dabei die spezielle Verteilung fest. Bei einer Verteilung entsprechend dem Beispiel nach Fig.7 mit f1, f3 und f? als Antwort würde bei n=10 die Verteilung heißen:

1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0.

Diese Codeverteilung wird dem Rechner RE zugeführt, welcher mit einem Codespeicher CS verbunden .ist. In dem Codespeicher CS sind die verschiedenen Codierungen der über die jeweilige Strecke verteilten frequenzselektiven Antwortbaken KBF gespeichert. Außerdem ist die jeweilige Entfernung zu der benachbarten Antv/ortbake in dem Codespeicher CS enthalten. Der Rechner RE kann somit feststellen, wie groß der durchfahrene Entfernungsbereich ist, wenn zum Beispiel die vorangegangene letzte Bake die Frequenzverteilung f4, f5 und f8 gehabt hat, während die neue Antwortbake, wie dargestellt, die Verteilung f1, f3 und f7 hat. Nach Erhalt des so gewonnenen neuen Viertes für die zurückgelegte Wegestrecke wird das Kontrollsignal KE dem Wegezähler WZ zugeführt und dieser korrigiert.

Anstelle einer passiv antwortenden Antwortbake KBF können auch aktive Antwortbaken vorgesehen sein, bei denen entsprechende Sendeeinrichtungen vorgesehen sind, welche die zur Codierung benötigten Frequenzen erzeugen. Im vorliegenden Beispiel würde somit die frequenzselektive Antv/ortbake KBF die Frequenz f 1, f3 und f7 erzeugen und ausstrahlen. Diese Frequenzen würden von der Antenne A2 aufgenommen und, wie bereits bei der passiven Antwortbake beschrieben, ausgewertet und für die Korrektur des Wegezählers WZ herange-

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zogen. Im Fall der Verwendung aktiver Antwortbaken, welche von sich aus bestimmte Frequenzen ausstrahlen, wäre es nicht erforderlich, das Sendesignal des Senders SE wegen seiner Frequenz durch den Sägezahngenerator zu wobbeln. Außerdem besteht die 148glichkeit, bei Verwendung aktiver frequenz selektiver Antwortbaken einen wesentlich größeren und vor allen· beliebigen Ereqiaenzversatz zu dem Sendesignal SE zu erzielen und dadurch gegebenenfalls die Entkopplung gegenüber den Frequenzen der Dopplerschmngungen zu verbessern.

Wenn die gewünschte Entkopplung zwischen reflektiertem Signal und Antwortsignal nicht oder nur mit zu großem Aufwand möglich ist, besteht eine einfache Abhilfe darin, daß bei Auftreten eines Antwortsignals kurzzeitig die Auswertung der Dopplerfrequenzen fd1 und fd2 gesperrt wird, um hier Fehler zu vermeiden. Sollte der dabei auftretende Meßfehler auch noch beseitigt werden, so kann die kurz vorher gemessene Dopplerfrequenz fdia während der Sperrung der Auswertung von fd1 und fd2 beim Überfahren der Antwortbake als Ersatzwert weiter benutzt werden.. Da in dieser Zeit die .Änderung der Geschwindigkeit vernachlässigbar ist, wird auch praktisch kein Fehler bei der Wegmessung erzeugt. Diese Überlegung hinsichtlich einer kurzzeitigen Sperrung der Dopplerauswertung von fdi und fd2 und Einführung eines vorher gemessenen Ersatzwertes während dieser Sperrung gilt auch für die Vermeidung anderer Störungen, die während des Betriebes auftreten können.

Vor allem bei aktiven Antwortstationen ist es zweckmäßig, die Aktivierung ^öss Ant'.vortsignals erst bei Bedarf durchzuführen. Hier- - zu sind in Einern-bestimmten Abstand zu der frequenzselektiven Antwortbake KBF passive Sensoren SS1 und SS2 vorgesehen. Diese Sensoren SS1 und SS2 liegen im Strahlungsbereich der Antennen A1 bzw. A2. Beim Überfahren der Sensoren SS1 und SS2 wird in. diesen Sensoren durch die Energie des Sendesignals ein Impuls ausgelöst, welcher zur Einschaltung der Frequenzen f1, f3, f7 der Antwortbake EBF dient. Bis die entsprechende Antenne A2 des Radargerätes diese Antwortbake erreicht hat, sind somit die Frequenzen f1, f3 und Ti bereits im eingeschwungenen Zustand zur Abstrahliang an der

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zugehörigen Antenne KA vorhanden und werden von der Antenne A2 aufgenommen und weiter verarbeitet. Nach Erreichen des zweiten Sensors SS2, d.h. bei vollständiger Überfahrung, werden die Sendefrequenzen f 1, f3, f7 der aktiven Antwortbake KBF abgeschaltet und bleiben solange inaktiv bis erneut ein Fahrzeug mit einer, entsprechenden dtrahlenden Antenneneinrichtung vorbeikommt. Wenn eine Frequenzcodierung der Antwortsignale vermieden werden soll, kann auch mit andersartigen, z.B. impulscodierten Antwortsignalen gearbeitet werden. In diesem Fall sind in den bevorzugt aktiven Antwortbaken Datengeneratoren vorzusehen.

17 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

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Patentansprüche *\ r» ο c q c 9

( 1. Vegmeß system für streckengebundene Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, unter Verwendung eines mit einem Doppier-Radargerät arbeitenden Wegmessers, wobei im Empfangszweig aus dem reflektierten Signal die Dopplerfrequenz bestimmt und daraus durch Integration über die Zeit der zurückgelegte ¥eg bestimmt wird, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß mindestens eine scharf bündelnde Antenne (z.B. A1) vorgesehen ist, die unter einem bestimmten Winkel (z.B. al) zur Fahrtrichtung geneigt angeordnet ist, wobei aus dem Empfangssignal die Dopplerfrequenz (z.B. fd1) ermittelt und durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg als erster Meßwert bestimmt wird, und daß längs der zurückzulegenden Wegstrecke in vorbekannten Abständen Antwortbaken (KB 11, KB 12, ... KB 14, KB 21) angeordnet sind, die beim Überfahren ein besonderes Signal bei der Wegmeßeinrichtung auslösen, das aufgrund der bekannten Abstände zur Korrektur der durch die Dopplerfrequenzbestimmung im Wegmesser als erster Meßwert ermittelten Wegstrecke benutzt wird.
2. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch g.ekennze i chn e t , daß zwei scharf bündelnde Antennen (A1,A2) vorgesehen sind, von denen eine unter einem bestimmten Winkel (<x1) fn die Fahrtrichtung strahlend geneigt und die zweite unter einem, vorzugsweise gleichen Winkel gegen die Fahrtrichtung strahlend geneigt angeordnet ist und beide in ihrer gegenseitigen Zuordnung fixiert fest am Fahrzeug angebracht sind, daß beide Antennen (Ä1,A2) von einem gemeinsamen Hochfrequenzsender (SE) gespeist sind und für die reflektierten, jeweils von den zugehörigen Antennen (A1>A2) aufgenommenen Empfangssignale zwei getrennte Mischer (MI,M2) vorgesehen sind, denen ein gemeinsamer Überlagerungsoszillator zugeordnet ist, daß nach den Mischern (M1,M2) die beiden Dopplerfrequenzen (fd1, fd2) der beiden Empfangssignale getrennt bestimmt werden und aus beiden ein Mittelwert (fdm) hergeleitet ist, aus dem fortlaufend durch Integration über die Zeit der zurückgelegte Weg

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ORIGINAL IMSRECTED

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als erster Meßwert bestimmt winl, uffd^vaaT5 dieser Meßwert durch die Signale der in vorbekannten Abständen angeordneten Antwortbaken korrigiert ist.
3. Vie gmeß system nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppier-Radargerät (DR) als Dauerstrichradar ausgebildet ist.
4. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Doppler-Radargerätes (DR) zeitabhängig, vorzugsweise periodisch, verändert ist.
5. Wegmeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenzänderung des Doppler-Radargerätes (DR) sägezahnförmig erfolgt.
6. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortbaken (KB 11,KB 12...) nichtlineare Elemente enthalten, die eine Antwort auf einer Harmonischen oder Subharmonischen der Sendefrequenz erzeugen.
7. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortbaken (KB 11,KB 12...) passiv aufgebaut sind.
8. YJegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Antwortbaken (KB 11, KB 12...) aktiv aufgebaut sind und verstärkende und/oder frequenzumsetzende Elemente enthalten.
9. Wegmeßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß Sensoren (SS1,SS2) vorgesehen sind, welche in einem entsprechenden Abstand vor und hinter der Antwortbake (KBF) angeordnet sind, und daß diese Sensoren (SS1, SS2) auf das Sendesignal des Doppler-Radargerätes (DR) anspre-

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chen uiid die jeweilige Antwortbake (KBF) nur "bei Annäherung des Fahrzeuges (LO) einschalten und nach dem Überfahren wieder abschalten.
10. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Sendesignal des Doppler-Radargerätes (DR) eine demgegenüber in der Frequenz versetzte Festfrequenz ausgestrahlt wird, die in der Antwortbake zu einer Frequenzumsetzung bei der Erzeugung des Antwortsignals benutzt ist.
11. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortbaken (KB 11,KB 12...) zur Erzielung einer relativen Ortung uncodierte Antwortsignale abgeben und die Korrektur des ersten Meßwertes aufgrund der vorzugsweise als feste Werte ausgelegten, bekannten Entfernungen der Antwortbaken (KB 11,KB 12...) vorgenommen ist.
12. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Antwortbaken (KB 11, KB 12...) codierte Antwortsignale erzeugen, und daß in einem im Fahrzeug angeordneten Rechner (RE) die verschiedenen Codierungen und die zugehörigen Entfernungswerte der einzelnen Antwortbaken (KB 11,KB 12...) eingespeichert sind, aus denen dann der Rechner (RE) aufgrund der Codierung die seit der letzten Antwortbake zurückgelegte Entfernung bestimmt, die zur Korrektur des ersten Meßwertes benutzt wird.
13. Wegmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortbaken (KB 11,KB 12...) frequenzcodierte (z.B. f1,f3,f7) Antwortsignale erzeugen.
14. Wegmeßsystem nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die zur Frequenzcodierung benutzten Frequenzen (z.B. f1,f3,f7) der Antwortsignale .so gewählt sind, daß im Empfangsteil durch Weichenschaltungen (z.B. TP2,HP) eine

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Trennung der dopplerverschobenen Empfangssignale (z.B. fd2) und der frequenzcodierten Antwortsignale (z.B. f1_tf3,f7) erzielbar ist.
15. Wegmeßsystein nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung der codierten Antwortsignale ein Datengenerator in den Antwortbaken (KB 11,KB 12) vorgesehen ist.
16. Wegmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überfahren einer Antwortbake (KB 11,KB 12...) kurzzeitig die Auswertung der Dopplerfrequenz unterbrochen ist.
17. Wegmeßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß während der Unterbrechung ein Ersatzwert der Dopplerfrequenz, vorzugsweise der kurz vorher gemessene Wert, für diese Zeit zur Integration herangezogen ist.

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