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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff
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des Anspruchs 1. Zur sicheren Führung von Eisenbahnfahrzeugen ist
es erforderlich, daß dem Lokführer nicht nur mit Hilfe von Signalen den jeweiligen
Streckenzustand (belegt oder frei) anzeigende Vorrichtungen als Informationsmittel
zur V@rfügung stehen sondern darüber hinaus braucht er fortlaufend Informationen
über den Streckenverlauf. Er muß beispielsweise vor dtrn Einfahren j. eine Kurvc
oder in einen Bahnhof oder vor dem Überfahren einer Weiche die Geschwindigkeit drosseln
und nachher den Zug wieder auf cine vorgegebene Reisegeschwindigkeit beschleinigen,
um den Fahrplan einzuhalten. Dem Lokführer steht hierführt ein mit entsprechenden
Geschwindigkeitsangaben versehener Streckenplan zur Verfügung, anhand dessen er
die Fahrweise steuert. Hierzu ist es erforderlich, daß er fortlaufend seinen jeweiligen
Statidort kennt. Diese ständige Standortüberwachung erforderlich ein hohes Maß an
Aufmerksamkeit und ist insbesondere bei Dunkelheit oder schlechter Sicht schwierig
und anstrengend.
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Für die schlupfreie Messung der Fahrtgeschwindigkeit sowie des zurückgelegten
Weges ist bei. spielsweise aus DT-OS 22 01 387 die Verwendung eines bordeigenen
Doppler-Radargerätes bekannt. Aus dieser Weginformation kann der Lokführer anhand
des Streckenplanes seinen jeweiligen Standort bestimmen. Fr benötigt jedoch zusatzlich
noch Informationen über vor ihm liegende Kurven, Weichen, Bahnloöfe und dergl. Hierzu
kann man Induktionsschleifen in Form zwischen den Schienen verlegter Kabel vorsehen,
welche jedoch beim Gleisstopfen leicht beschädigt werden und ggf. auch einer mutwilligen
Beschädigung schutzlos ausgesetzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, dem Lokführer fortlaufend das
Auftauchen und die bedeutung längs des Fahrweges angeordneter Standortzeichen -
im folgenden "Meilensteine"
genannt - zu übermitteln, so daß er
unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit und den Wetterverhältnissen diese von ihm
für die Führung des Zuges benötigten Informationen fortlaufend zur Verfügung hat.
Diese Informationen können im Bedarfs fall auch zur selbsttätigen Führung des Zuges
mit Hilfe einer zugeigenen Fahrprogrammsteuerung ausgenutzt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete
Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Sie
hat den Vorteil, daß längs der Gleistrasse keine freiliegenden Kabel vorhanden sind,
eine Störung durch externe Signalquellen und Fehlidentifizierungen infolge hoher
Zuggeschwindigkeit ausgeschlossen sind und die Anordnung sowohl als Kontrollsystem
mit Ouitticrung der einzelnen Meilensteine durch den Lokführer, als auch für die
selbstttitige Zugsteuerung eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert. Dieses zeichnet sich in besonders vorteilhafter
Weise dadurch aus, daß ein bordeigenes Radargerät, welches in bekannter Weise der
achsunabhängigen Fahrweg- und/oder Geschwindiglveitsmessung dient zugleich als Sender/Empfänger
für die Standorderkennung ausgenutzt wird. Es zeigt Fig. 1 schematisch das Blockschaltbild
einer solchen Anordnung mit dem auf dem Triebfahrzeug angeordneten Radargerät sowie
zwei längsdes Fahrweges vorgesehenen Standortzeichen; die Fig. 2a und 2b je eine
an einen Reflektor anschließbare Steuerschaltung zur Erzeugung einer pseudostochastischen,
die Ausgangsimpedanz des Reflektors umschaltenden Impulsfolge; Fig. 3 eine empfängerseitige
Auswerteschaltung für die von den Reflektoren im Takt ihrer Kennung zurückgeworfenen
Signale;
Fig. 4 verschiedene Ausführungsformen 5-stufiger Schieberegister
zur Erzeugung pseudostochastischer Binärfolgen.
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Die Verwendung pseudostochastischer Binärfolgen als Kennung für die
einzelnen Reflektoren ist deshalb besonders vorteilhaft, weil das Austreten solcher
Folgen in externen Störsignalen so@ gut wie ausgeschlossen ist und weil sie sich
mit rückgekoppelten Schieberegistern in besonders einfacher und raum- sowie stromsparender
Weise leicht erzeugen lassen. Die Erfindung ist sowohl bei Schienenfahrzeugen als
auch bei Straßenfahrzeugen anwendbar.
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In Fig. 1 bewegt sich in Richtung des Geschwindigkeitsverktors v ein
Fahrzeug 1' beispielsweise ein Schienentriebfahrzeug,auf einer Fahrbahn, im vorliegenden
Fall auf einer Gleistrasse 2. Das Fahrzeug führt ein der achsunabhängigen tweg-
und/oder Geschwindig keitsnessung dienendes Doppier-Radargerät mit, dessen Antenne
3 unter einem Winkel oC auf die Fahrbahn 4, beispielsweise den zwischen den Gleisen
befindlichen Schotter gerichtet ist. Über einen Zirkulator 5 ist die Antenne 3 einerseits
an einen im Dauerstrichbetrieb (CtV) arbeitenden Mikrowellenoszillator 6 und andererseits
an einen Detektor 7 angeschlossen, welcher an seinem Ausgang die der Fahrzeuggeschwindigkeit
proportionale Dopplerfrequenz D liefert. DSc Dopplerfrequenz liegt im Bereich zwischen
O (Stillstand) und beispielsweise 15kHz. Sie gelangt über ein Tiefpaßfilter 8 und
eine Doppler-Auswerteschaltung 9 zu einem Frequenz- und Ereignis-Zähler 10, an welche
Anzeigevorrichtungen für die Geschwindigkeit und den zurückgelegten Weg angeschlossen
sind. Insoweit ist der Aufbau des Doppler-Radargerätes beispielsweise aus Fig. 1
der DT-PS 23 24 271 an sich bekannt.
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Längs der Fahrbahn 2 sind mehrere hier als Meilensteine A und IB bezeichnete
Standortkennzeichen angcordnet, vorzugsweise in den Gleisoberbau eingegraben. Sie
weisen jeweils eine Antenne 21 einen die Absclilußimpedanz der Antenne steuernden
Diodenntodulator 22, einen eine pseudostochastische ninärfolge erzeugenden
Generator
23 sowie eine vorzugsweise auswechselbare Stromversorgungsbatterie 24 auf. Der Diodenmodulator
22 besteht aus einer an den Reflektor 21 angeschlossenen, im Sperrbereich betriebenen
Diode, deren Sperrschichkapazität im Rhythmus der pseudostochastichen Binärfolge
umgeschaltet wird. Besonders geeignet hierfür sind wegen der Möglichkeit einer leistungslosen
Austeuerung sogenannte Varaktordioden.
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Zur Lr zcugung der die Sperrschichtkapazität der Diode modulierenden
Binärfolge dient eine Logikschaltung in komplementärer MOS-Technik, wolche sich
ebenfalls durch eine äußerst niedrige Stromaufnahme auszeichnet. Ausführungsbeispiele
geeigneter Generatoren 23 werden später anhand der Figuren 2 und 4 erläutert.
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Die Speisung der Standortkennzeichen erfolgt aus einer Batterie 24
homer Lagerfähigkeit, beispielsweise einer Lithiumbattcrie.
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Diese wird von Zeit zu Zeit und zwar vorzugsweise dann, wenn der Gleisoberbau
ohnehin ausgebessert wird, ausgewechselt.
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Die beim Überfahren eines Meilensteins von der Antenne 3 abgestrahlte
kontinuierliche Mikrowellenstrahlung in der Größenordnung von beispielsweise 10
oder 35 GHz wird von dem Reflektor 21 des Meilensteins im Takt der ihn kennzeichnenden
Binärfolge reflektiert bzw. unterbrochen. Die Binärfolgc schaltet den Reflektor
zwischen einem die Strahlung reflektierenden Zustand und einem die Strahlung absorbierenden
Zustand im Rhythmus dieser Binärfolge um. Folglich erreicht die Antenne 3 eine mit
der Kennung des Meilensteins modulierte Mikrowellenschwingung, welche über den Zirkulator
5 zum Detektor 7 gelangt, weicher hieraus und aus der angelegten Oszillatorschwingung
eine in der gleichen Weise modulierte Dopplerfrequenz ableitet. Die Taktfrequenz
der den Reflektor 21 modulierenden Binärfolge liegt in der Größenordnung von 100
kliz bis 1 Mliz. Diese Modulationsfrequenz kann das Tiefpaßfilter 8 nicht durchlaufen,
weil dieses nur für die Dopplerfrequenz in der Größenordnung zwischen 0 und 1 5
kHz durchlässig ist. Stattdessen gelangt die mit der Binärfolge modulicrte Doppierfrequenz
über das Hochpaßfiiter 12 zu einer Gruppe Linearer Suchfilter 13A, 13B usw., deren
Aufbau später
anhand von Fig. 3 im einzelnen beschrieben wird. Zeigt
das von der Antenne 3 aufgenommene Signal eine Rechteckmodulation entsprechend der
Binärfolge des Meilensteins A, si entsteht am Ausgang des Filters 13A und zwar nur
am Ausgang dieses Filters ein logisches Signal, welches das Überfahren des Meilensteins
A anzeigt. Dementsprechend spricht beim Überfahren des Meilensteins F das Suchfilter
13n an und liefert ein entsprechendes Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignale können
zur Betäti gung einer Standort-Anzeigevorrichtung dienen oder als etandortmeldesignalc
in eine auf dem Triebfahrzeug vorgesehene Fahrprogrammsteuereinrichtung eingcgehen
werden. Auch ist ihre Übertragung an einen ortsfestcii Streckenrechner im Leitbahnhof
zwecks Standortverfolgung des Zuges möglich. Erfolgt lediglich eine Anzeige im Führerstand
der Lok, so kann bei nicht erfolgter Löschung der Anzeige mittels Quittungstaste
durch den Lokführer ein selbsttätiger Bremsvorgang ausge]öst erden.
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Die Unterscheidung der einzelnen Meilensteine untereinander kann auf
verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann man den einzelnen Meilensteinen
unterschiedliche Modulationsfrequenzen zuordnen und im bordeigenen Empfänger entsprechende
Frequenzfilter vorsehen. Um hierbei eine Störung durch externe Signalc zu vermeiden,
empfiehlt es sich, jedem Meilenstein wenigstens zwei Frequenzen zuzuordnen, welche
den Diodenmodulator entweder simultan, also überlagert steuern oder hintereinander
beaufschlagen, indem erst die eine Frequenz und hiernach die zweite Frequenz den
Reflektor in ihrem Rhythmus umschaltet. Uber Verzögerungsglieder in der Empfangsschaltung
des bordeigenen Radargerätes lassen sich diese Frequenzen in Anzeigesignale umwandeln,
welche nur dann auftreten, wenn beide Frequenzen entweder glcichzeitig oder im anderen
Falle nacheinander empfangen werden.
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von Eine andere Möglichkeit, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Gebrauch gemacht wird, ist die Modulation des Reflektors mit
einer
für den betreffenden Meilenstein charakteristischen pseudostochastischen Impulsfolge.
Solche Impulsfolge lassen sich in einfacher Weise mit Hilfe von Schieberegistern
erzeuyen, weiche über eir1 oder mehrere Antivalenz-Gatter (Exklusiv-ODER-Gatter)
rückgekoppelt sind. Die Figuren 2a und 2b zeigen jc ein dreistufiges Schieberegister
dieser Art, piit dessen Hilfe die daruntcr aufgezeigte Impulsfolge erzeugt wird,
wenn den Takteingängen T der einzelnen Flip-Flop-Stufen ein Taktsignal im zeitlichen
stand t zugeführt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a sind der Ausgang der
ersten Schieberegisterstufe 31 und der Ausgang der dritten Schieberegisterstufe
33 an die Eingänge des Exklusiv-ODER-Gatters 30 zuriickgeführt, so daß am Ausgang
der Stufe 33 die unterhalb des Schaltbilds dargestellte Impulsfolge 34 entsteht.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2b erfolgt die Rückführung einerseits vom Ausgang
der zweiten Schieberegisterstufe 37 und andererseits vom Ausgang der dritten Schieberegisterstufe
38 zu den beiden Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters 35, dessen Ausgang an den Eingang
der ersten Schieberegisterstufe 36 angeschlossen ist. Man erhält die unterhalb des
Schaltbilds dargestellte Binärfolge 39.
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Je nachdem, ob der Sleilenstein A oder der Meilenstein B überfahren
wird, gelangt eine dieser beiden Impulsfolgen zum Ausgang des llochpaßfilters 12.
An dieses ist zur Auswertung und Identifizierung dieser Impulsfolgen beispielsweise
eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 angeschlossen. Indaaus den Schieberegisterstufen
41 bis 47 bestehende Schieberegister wird die ankommende Impulsfolge schrittweise
eingegeben. Haben die Schieberegister der Standortkennzeichen eine Anzahl n von
Stufen, so weist das Schieberegister des Empfängers eine Anzahl von 2n-1 Stufen
auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Schieberegister der fiinrfolgcgeeratorcn
23 jeweils 3 Stufen, so daß das Empfängerschieberegister 7 Stufen ausweist. An die
Ausgänge der einzelnen Schieberegisterstufen 41 bis 47 sind über Bewertungswiderstände
die Eingänge von
Summierverstärkern 48A, 48B usw. angeschlossen,
welche den einzelnen Meilensteinen A und B bzw. deren Kennung zugeordnet sind. Die
Binärfolge 34 gemäß Fig. 2a gehört beispielsweise zum Meilenstein A. Diese Binärfolge
besteht zunächst aus drei Impulsen "1" gefolgt von einem Impuls "0" auschließend
einem weiteren Impuls "1" und schließlich zwei weiteren Impulein sen "0". Um diese
Binärfolge zu decodieren und nur bei deren Auftreten erscheinendes Ausgangssignal
am Ausgang 49A des Verstärkers 4£A zu erhalten, sind die nicht invertierenden Ausgänge
Q der ersten drei Schieberegisterstufen 41 bis 43 an den Minuseingang,der Ausgang
der vierten Stufe 44 an den Pluscingang, der Ausgang der fünften Stufe 45 wiederum
an den Minuseingang und schließlich die Ausgänge der letzten beiden Stufen 46 und
47 erneut an den Pluseingang des Verstärkcrs 48A angeschlossen. Somit entsteht ein
maximales Ausgangssignal nur dann am Ausgang 49A, wenn die Impulsfolgc 34 im Schieberegister
41 bis 47 steht und zwar in der mit Fig. 2a übereinstimmenden Position. Man erhält
dann ein Ausgangssignal des Verstärkers 48A von Beispielsweise -10V. Steht im Schieberegister
eine andere Binärfolge oder ist ihre Lage gegenüber der optimalen Lage entsprechend
der Anschaltung der einzelnen Schieberegisterstufen an die beiden Verstärkereingänge
in Ubereinstimmung mit der Darstellung in Fig. 2a verschoben, so tritt am Ausgang
49A eine wesentliche geringere Spannung von beispielsweise i 2V auf, so daß mit
Hilfe einer beispielsweise auf -8V eingestellten Schwellwertschaltung das nur bei
Korrelation auftretende Maximalsignal leicht von anderen Signalzuständen unterschieden
werden kann. Nur wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 48A den Schwellwert überschreitet,
erfolgt eine Anzeige. Das Suchfilter, bestehend aus Schieberegister, Bewertungswiderständen
und Summierverstärker mit nachgeschaltetem Schwellwertschalter hat die gesuchte
Binärfolge gefunden. Vom Ausgang 49A kann das Signal statt zur Anzeige auch für
Steucr- oder Kontrollvorgänge ausgenutzt werden.
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Das dem Meilenstein B zugeordnete Suchfilter soll die Binärfolge 39
gemäß Fig. 2b auffinden. Es besteht wiederum zunächst aus drei Impulsen "1", gefolgt
von zwei Impulsen "O", , en cie sich ein Impuls "1" und ein letzter Impuls "O" anschließen.
Dementsprechend sind die Ausgänge der ersten drei Schieberegisterstufen 41 bis 43
an den Minuseingang, die Ausgänge der Schieberegisterstufen 44 und 45 an den Pluseingang,
der Ausgang der Schieberegisterstufe 46 wiederum an den Minuseingang und der Ausgang
der letzten Stufe 47 erneut an den Pluseingang des zweiten Summierverstärkers 48B
angeschlossen.
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Zwischen die Ausgänge der Schieberegisterstufen und die Verstärkereingänge
sind Bewertungswiderstände 41A, 41B bis 47A, 47n eingeschaltet, welche im vorliegenden
Fall jeweils den gleichen Widerstandwert haben. Anstatt die Ausgänge der Schieberegisterstufen
je nach Polarität des Impulses der Binärfolge mit Verstärkereingängen unterschiedlicher
Polarität zu verbinden kann man auch die Ausgangssignale der Schieberegisterstufen
je nach Polarität des Dinarfolgeimpulses entweder vom nicht-invertierenden oder
vom invertierenden Ausgang abnehmen und dann sämtliche Bewertungswiderstände an
den gleichen Verstärkereingang anschließen.
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Die Frequenz der in den einzelnen Meilensteinen erzeugten Binär folgen
wird beispielsweise mittels eines Quarzoszillators 2S ueber lange Zeiträume auf
der gleichen Frequenz von beispielsweise 1 tHz konstant gehalten. Folglich liegt
auch die das Schieberegister 41 bis 47 im Empfänger fortschaltendc Taktimpulsfolge
bei der gleichen Frequenz. Da jedoch die Phasen lage des Taktgenerators im Empfänger
im Vergleich zu 25A,25B den Taktgeneratoren der Meilensteine nicht festliegt, könnte
es vorkommen, daß die Abfrage der in den Schieberegisterstufen 41 bis 47 gespeicherten
Impulse nicht in deren Mitte, sondern näher im Bereich einer der Impulsflanken erfolgt,
wodurch die Zuverlässigkeit beeinträchtigt werden könnte.
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Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, der Taktfrequenz des Empfängers
eine geringfügige Frequenzablage zu geben, damit die Phasenlage kontinuierlich durch
sämtliche Wcrte zwischen 0 und + 900 hindurclnft und somit sichergestellt ist, daß
eine der empfangenen Binärfolgen in der optimalen Phasenlage im Schieberegister
abgefragt wird. Bei einer Taktfrequenz der Reflektoren von 1 MHz kann die Taktfrequenz
im Empfänger beispielsweise 1 MHz + 100 liz betragen. Eine andere Möglichkeit bestünde
in einer Synchronisierung des Empfänger-Taktgebers beim Eintreffen von empfangenen
Binärfolgen.
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Jedem Meilenstein ist ein über Bewertungswiderstände 41 und 42 an
das Schieberegister 41 bis 47 angeschlossener Summierverstärker 48 mit nachgeschalteter
Schwellwertstufe zugeordnet. Da diese Suchfilter und Verstärker ohne Schwierigkeiten
in integrierter Schaltungsbauweise herstellbar sind, ist ihr Platzbedarf gering.
Die Bewertungswiderstände können entweder mitintegriert oder in Form einer verbindenden
Dickschichtschaltung ebenfalls platzsparend angeordnet sein.
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Fig. 5 zeigt sechs Ausführungsformen von jeweils fünfstufigen Schieberegistern,
mit denen 25-1 = 31 verschiedene Taktzustände erzeugt werden können. In der Zeichnung
ist jeweils links der Aufbau des Schieberegisters und rechts daneben die sich hieraus
ergebende pseudostochastische Binärfolge dargestellt. Die Schieberegister sind über
ein oder mehrere Exklusiv-ODER-Gatter rückgekoppelt. Ihre Wirkungsweise ergibt sich
ohne weiteres aus dem Schaltungsaufbau. Geht man von einer Taktfrequenz von 1 MHz
aus, so beträgt die Dauer eines Binärimpulses 1 µs. liat die Fseudostochastische
Impulsfolge eine Periode max. Länge von 31 Taktzuständen, so -werden fUr deren Durchlauf
bis zum Korrelationsmaximum höchstens etwa 1 ms benötigt. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit
von 300 km/h befindet sich der Strahlungskegel der Empfangsantenne 3 etwa für 20
ms im Bereich eines Reflektors 21.
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Somit gelangen sclbst beim Ueberfahren eines l4eilensteins mit Höchstgeschwindigkei-t,
etwa 20 Korrelationsmaxima zum Empfänger, so daß dieser mit Sicherheit: in der Lage
ist, eines dieser Maxima zu erkennen.
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Ist eine Erkennung der Meilensteine nur aus einer Fahrtrichtung erforderlich
oder vorgesehen, so wird man die Reflektoren wic in Fig. 1 angedeutet schärfer bündeln
und auf die Sende/ Empfangsantenne des Fahrzeugs ausrichten. Soll die Erkennung
aus beiden Fahrtrichtungen möglich sein, so kann man die Reflektoren entweder als
in beiden Fahrtrichtungen wirksame Doppelre-lektoren ausbilden oder bei genügend
großem Cffnungswinkel des Reflektors die öffnung der Antenne senkrecht nach oben
richten.
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Die Verwendung an sich passiver Reflektoren, deren Ausgangsimpedanz
im Rhythmus einer charakteristischen Impulsfolge umgeschaltet wird, hat gegenüber
aktiven die Kennung fortlaufend oder auch nur bei Annäherung eines Fahrzeuges abstrahlenden
Standortzeichen den Vorteil, daß keine den übrigen Funkverkehr störende Strahlung
entsteht und der Strombedarf der einzelnen Meilensteine äußerst gering ist. Hierdurch
wird es möglich, die Meilensteine über mehrere Jahre hindurch aus einer eingehauten
Batterie zu speisen, welche dann bei einer Überholung des Gleisoberbaus mit ausgewechselt
werden kann. Damit entfallen nicht nur kostspielige Stromversorgungsleitungen längs
der Fahrstrecke, sondern auch die Gefahr der Zerstörung beim Gleisbau.
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L e e r s e i t e