DE60118501T2

DE60118501T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortung eines Fahrzeuges auf einem Gleis

Info

Publication number: DE60118501T2
Application number: DE60118501T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Alacoque; Mazen Alamir
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP2002240719A; TW534884B; US20020109049A1; EP1211152A1; US6498969B2; CA2364116C; JP3877055B2; FR2817527B1; FR2817527A1; CA2364116A1; DE60118501D1; EP1211152B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg und insbesondere eines Schienenfahrzeugs auf einem Schienenweg, das ausgehend von der näherungsweisen Messung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Messung einer einzigen Trägheitsgröße an Bord des Fahrzeugs das Erzielen einer großen Genauigkeit bezüglich der Position des Fahrzeugs ermöglicht. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Lokalisierungsvorrichtung, die ein solches Verfahren ausführt und insbesondere für die Steuerung von gesteuerten Elementen, die dazu vorgesehen sind, den Komfort der Passagiere zu verbessern, verwendet werden kann.
Die einfachste Technik, die gewöhnlich zum Lokalisieren eines Schienenfahrzeugs auf einem Schienenweg angewandt wird, besteht darin, die auf dem Weg ab einem Ausgangspunkt nach Kilometern zurückgelegte Strecke durch Integration der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu messen. Jedoch wird die Messung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs gewöhnlich durchgeführt, indem die Umdrehungsgeschwindigkeit der Achsen gemessen wird. Nun führen aber die Abnahme des Durchmessers der Räder mit der Abnutzung und das Durchdrehen der Räder bei geringer Haftung und hohem Antriebsdrehmoment bei der Integration der Geschwindigkeit nach einigen dutzend Kilometern zu großen Abweichungen zwischen der gemessenen Position und der wirklichen Position des Fahrzeugs.
Eine weitere für das Lokalisieren eines Fahrzeugs bekannte Technik besteht darin, die Schienenwege mit Baken auszustatten, die das genaue Lokalisieren des Schienenfahrzeugs auf dem Weg, auf dem es fährt, ermöglichen. Diese Technik besitzt jedoch den Nachteil, dass sie das Aufstellen von Baken längs sämtlicher Schienenwege eine Eisenbahnnetzes und folglich unerschwingliche Kosten erfordert. Die Technik, die darin besteht, ein Fahrzeug durch ein GPS-System zu lokalisieren, weist ihrerseits den Nachteil auf, keine Lokalisierung des Fahrzeugs in Schattenzonen wie etwa in Tunnels zu ermöglichen.
Aus der Patentanmeldung FR-99 07 435, eingereicht durch die Anmelderin, ist bekannt, diese Nachteile dadurch zu beseitigen, dass ein Schienenfahrzeug auf einem Schienenweg durch Korrelation eines Wegeprofils, das an hand von mehreren an Bord des Fahrzeugs angeordneten Trägheitssensoren berechnet wird, mit einer Karte der Eisenbahnstrecke, die bei einem vorhergehenden Durchgang im Voraus registriert worden ist, lokalisiert wird. Jedoch erfordert eine solche Lokalisierungstechnik das Vorhandensein mehrerer Trägheitssensoren, die den Nachteil aufweisen, die Kosten des Schienenfahrzeugs zu erhöhen. Zudem garantiert die Lokalisierung durch ein solches Verfahren nicht zwangsläufig eine permanente Lokalisierung, da sie auf der Recherche einer Korrelation zwischen Messwerten und einem aufgezeichneten Wegeprofil in einer Datenbank basiert. Auch das Dokument FR-88 07 419 beschreibt ein Eisenbahnlokalisierungsverfahren durch Korrelation.
Das Ziel der Erfindung ist das Beseitigen dieser Nachteile, indem sie ein Verfahren vorschlägt, das durch fortlaufende Konvergenz das genaue Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg ermöglicht, und zwar ohne eine Zusatzeinrichtung des Weges zu benötigen und unter Verwendung nur eines einzigen Trägheitssensors, um einfach und wirtschaftlich durchführbar zu sein.
Die Erfindung hat folglich ein Lokalisierungsverfahren zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Messen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch Mittel, die einen ungefähren Wert der wirklichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs liefern;
– Messen einer Trägheitsgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Hilfe eines einzigen Trägheitssensors, der an Bord des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die Trägheitsgröße so gewählt ist, dass sie ausschließlich von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und von einem dem Weg eigentümlichen geometrischen Merkmal wie etwa der Kurvenüberhöhung oder des Krümmungsradius abhängt;
– Berechnen der Abszisse des Fahrzeugs auf dem Weg mittels eines konvergenten algorithmischen Verfahrens auf der Grundlage eines nicht linearen Beobachters anhand der Kenntnis der Messungen der ungefähren Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie der Messungen der Trägheitsgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor dem Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug lokalisiert werden soll, und anhand einer Datenbank, in der das dem Weg eigentümliche geometrische Merkmal und seine räumliche Ableitung für unterschiedliche krummlinige Abszissen gespeichert sind, wobei die Datenbank durch vorheriges Lernen erhalten wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens:

– wird die Messung der Geschwindigkeit Vm des Fahrzeugs in konstanten Zeitintervallen DT₀ ausgeführt, wobei die Messungen der Geschwindigkeit Vm(t_i) zu den Zeitpunkten t_i, i ∈ [1, N], eines zeitlichen Beobachtungsfensters T₀, das dem Messzeitpunkt t_N vorhergeht, zu dem das Fahrzeug lokalisiert werden soll, ausgeführt und in einem Speicher gespeichert werden;
– werden die Messungen der Trägheitsgröße y(t_i), die an Bord des Fahrzeugs zu den unterschiedlichen Zeitpunkten t_i ausgeführt werden, in einem Speicher gespeichert; und
– wird durch sukzessive Iterationen eine geschätzte krummlinige Abszisse s ~_N des Fahrzeugs zum Zeitpunkt t_N berechnet, wobei jeder neue Messzeitpunkt t_N eine neue Berechnungsiteration erzeugt, für die das Beobachtungsfenster T₀ um ein Intervall DT₀ versetzt ist, so dass der Ausgangspunkt i = 0 des neuen Beobachtungsfensters T₀ der Abszisse des Messpunkts i = 1 des Beobachtungsfensters T₀ der vorhergehenden Iteration entspricht, wobei die geschätzte krummlinige Abszisse s ~_N mit Hilfe der folgenden Beziehung berechnet wird:
wobei V ~_i die korrigierte Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu jedem Zeitpunkt t_i des Beobachtungsfensters T₀ ist, e(s ^₀) der relative Fehler der Geschwindigkeit ist und s ^₀ die korrigierte krummlinige Abszisse des Ausgangspunkts des Beobachtungsfensters T₀ ist, wobei e(s ^₀) und (s ~₀) in der vorhergehenden Iteration durch das konvergente algorithmische Verfahren, das auf einem nicht linearen Beobachter basiert, anhand der Messungen der Geschwindigkeit Vm(t_i), der einzigen Trägheitsgröße y(t_i) zu jedem Zeitpunkt t_i und des geometrischen Merkmals RO(s ~_i) und seiner räumlichen Ableitung DRO(s ~_i) auf Höhe der krummlinigen Abszisse s ~_i die durch
geschätzt wird, erhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– die Datenbank enthält Tripletts (s_j, RO_j, DRO_j), die durch Messen der Trägheitsgröße y(t_j) an unterschiedlichen Abszissen s_j bei einem vorherigen Durchgang eines Fahrzeugs längs des Wegs unter Betriebsbedingungen, die eine präzise Kenntnis der Daten der Tripletts gewährleisten, erhalten werden;
– an einer beliebigen geschätzten Abszisse s ~_i des Weges werden die Werte der geometrischen Merkmale RO(s ~_i) und der räumlichen Ableitung DRO(s ~_i) durch Interpolation zwischen zwei Tripletts (s_j, RO_j, DRO_j), die in der Datenbank gespeichert sind, berechnet;
– die Trägheitssensor ist ein Gierkreisel;
– der Trägheitssensor ist ein Rollkreisel;
– das Fahrzeug ist ein Schienenfahrzeug, das längs eines Schienenwegs fährt;
– das Lokalisierungsverfahren wird in einem Steuerverfahren verwendet, das dazu dient, gesteuerte Elemente des Schienenfahrzeugs zu steuern, die eine phasengleiche Steuerung in Bezug auf die Geometrie des Weges wie etwa Pendelelemente, eine aktive transversale Aufhängung, automatische Meldungen an die Passagiere oder aber ein dem Fahrzeug auferlegtes Geschwindigkeitsprofil erfordern.

Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg zum Gegenstand, die das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren ausführt und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:

– Messmittel, die die ungefähre Geschwindigkeit des Fahrzeugs angeben;
– einen einzigen Trägheitssensor;
– eine Datenbank, in der ein dem Weg eigentümliches geometrisches Merkmal und seine räumliche Ableitung für verschiedene krummlinige Abszissen des Weges gespeichert sind; und
– einen Rechner, der die Informationen der Geschwindigkeitsmessmittel und des Trägheitssensors empfängt, wobei der Rechner mit der Datenbank verbunden ist, um die Abszisse des Fahrzeugs auf dem Weg zu berechnen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens hervor, das lediglich beispielhalber gegeben wird und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erstellt worden ist, worin:
1 eine schematische Darstellung ist, die das Prinzip des Beobachtungszeitfensters, das in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens verwendet wird, veranschaulicht;
2 ein Blockschaltplan ist, der die Struktur einer erfindungsgemäßen Lokalisierungsvorrichtung zeigt; und
3 ein Ablaufplan ist, der die Hauptbetriebsphasen des erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens zeigt.
1 zeigt ein Schienenfahrzeug, das sich auf einem Schienenweg bewegt, wobei das Schienenfahrzeug einen Trägheitssensor 12, der vorteilhaft aus einem Gierkreisel gebildet ist, und Mittel 13 zum näherungsweisen Messen der wirklichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die gewöhnlich an Bord eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind und sich auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Achsen stützen, aufweist. In einer Ausführungsvariante des Lokalisierungsverfahrens könnte der Trägheitssensor 12 aus einem Rollkreisel oder einem Querbeschleunigungssensor gebildet sein.
In 2 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung zum Lokalisieren eines Schienenfahrzeugs, die das genaue Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Schienenweg ermöglicht, gezeigt. Wie in dieser Figur zu erkennen ist, weist die Lokalisierungsvorrichtung einen Rechner 14 auf, der mit dem Gierkreisel 12 und den Mitteln 13 zum näherungsweisen Messen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden ist. Der Rechner 14 ist einer Datenbank 16 zugeordnet, in der in Form von Tripletts (s_j, RO_j, DRO_j) ein dem Weg eigentümliches geometrisches Merkmal RO_j sowie seine räumliche Ableitung DRO_j für verschiedene Abszissen s_j des Weges gespeichert sind. Das in der Datenbank 16 gespeicherte geometrische Merkmal ist von dem verwendeten Trägheitssensor 12 abhängig und muss in Kombination mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs das Berechnen eines theoretischen Wertes der von dem Sensor 12 gelieferten Messung ermöglichen.
So ist das im Fall der Verwendung des Gierkreisels 12 in der Datenbank 16 enthaltene Merkmal RO die Krümmung des Weges. Da sich die Krümmung ρ(s) eines Schienenweges in Abhängigkeit von der Abszisse s innerhalb einer Kurve nur sehr langsam verändert, lässt sich nämlich der von einem Gierkreisel gelieferte Messwert y(t) als y(t) ≈ ρ(s)·V(s) schreiben, wobei ρ(s) die Krümmung des Weges bei der Abszisse s ist und V(s) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
Im Fall der Verwendung eines Rollkreisels als Trägheitssensor 12 ist das in der Datenbank 16 enthaltene Merkmal RO der Gradient der Kurvenüberhöhung. Da die Kurvenüberhöhung von Wegen bzw. Geleisen D(s) im Allgemeinen gering im Verhältnis zum Abstand L der Geleise ist, lässt sich der von dem Rollkreisel gelieferte Messwert y(t) wie folgt schreiben:
Die Tripletts (RO_j, DRO_j, s_j) der Datenbank 16 werden durch vorheriges Lernen erhalten, indem ein Schienenfahrzeug auf den Schienenwegen fahren gelassen wird und für verschiedene Abszissen s_j, die durch Integration der Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhalten werden, die Trägheitsgröße mit Hilfe der Trägheitsmessmittel 12 gemessen wird. Selbstverständlich sind bei diesem Fahren des Fahrzeugs für das Lehren der Datenbank 16 die Mittel zum Messen der Geschwindigkeit 13 geeicht und die Fahrbedingungen so gewählt, dass kein Schlupf zwischen den Rädern und den Schienen eintritt, damit ein genauer Wert der gemessenen Geschwindigkeit und folglich der Abszisse des Weges erhalten wird. Die Berechnung des geometrischen Merkmals des Weges sowie jene des Gradienten werden zeitverzögert durch inverse Anwendung einer der vorhergehenden Formeln und dann durch Ableitung als Funktion der Abszisse erhalten.
Wie nun mit Bezug auf 3 beschrieben wird, die einen die allgemeine Funktionsweise der Lokalisierungsvorrichtung beschreibenden Ablaufplan zeigt, verfährt der Rechner 14 ausgehend von Werten, die durch den Gierkreisel 12 und die Geschwindigkeitsmessmittel 13 in einem in 1 gezeigten Beobachtungszeitfenster der Breite T₀ gemessen werden, durch sukzessive Wiederholungen einer Folge von Rechenschritten.
Wie nun mit Bezug auf 3 beschrieben wird, die einen die allgemeine Funktionsweise der Lokalisierungsvorrichtung beschreibenden Ablaufplan zeigt, führt der Rechner 14 in einem Beobachtungszeitfenster der Breite T₀, in dem zu unterschiedlichen Zeitpunkten t_i, i ∈ [1, N], die einer krummlinigen Abszisse s ^_i des Fahrzeugs entsprechen, die durch den Gierkreisel 12 gelieferten Werte y(t_i) und die durch die Geschwindigkeitsmessmittel 13 gelieferten Werte Vm(t_i) gespeichert werden, wobei die unterschiedlichen Zeitpunkte t_i durch eine feste Periode DT₀ getrennt sind, iterativ eine Folge von Rechenschritten aus. Gemäß 1, in der das Beobachtungsfenster T₀ der vorhergehenden Iteration gestrichelt gezeigt ist, ist das Beobachtungsfenster T₀ bei jeder neuen Iteration um das Zeitintervall DT₀ versetzt, so dass die dem Ausgangspunkt des neuen Beobachtungsfensters entsprechende neue Abszisse s ^₀ der Abszisse s ^₁ des bei der vorhergehenden Iteration verwendeten Beobachtungsfensters entspricht.
Zum Vereinfachen der Berechnungen wird in dem besonderen Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen Lokalisierungsverfahrens vorgeschlagen, die Geschwindigkeit als langsam veränderlich anzunehmen, so dass die Ableitung e .(s ^₀) des relativen Fehlers der gemessenen Geschwindigkeit in dem Beobachtungsfenster T₀ null ist. Nachstehend wird eine Folge von Rechenschritten beschrieben, die von dem Rechner 14 bei jeder Iteration, d. h. jedes Mal, wenn das Beobachtungsfenster um DT₀ zeitlich versetzt wird, ausgeführt werden, wobei der letzte Punkt t_N dem letzten abgewickelten Messpunkt entspricht.
In einem ersten Schritt 18 empfängt und speichert der Rechner 14 in einem Speicher den N-ten Wert y(t_N) und den N-ten Wert Vm(t_N), die von dem Gierkreisel 12 bzw. den Geschwindigkeitsmessmitteln 13 geliefert und im Speicher jenen Messwerten hinzugefügt werden, die zu unterschiedlichen, in dem Beobachtungszeitfenster der Breite T₀ liegenden Zeitpunkten, die dem aktuellen Zeitpunkt t_N, zu dem das Fahrzeug lokalisiert werden soll, vorhergehen, erhalten worden sind.
Bei diesem ersten Schritt 18 empfängt der Rechner 14 außerdem die beobachtete krummlinige Abszisse s ^₀und den bei der vorhergehenden Iteration durch den Rechner 14 berechneten relativen Fehler e(s ^₀) der Geschwindigkeit, wobei die Abszisse s ^₀dem Ausgangspunkt des neuen Beobachtungsfensters entspricht. Zum Einleiten des Rechenverfahrens wird bei dem gesamten ersten Rechenschritt, obwohl zuvor keinerlei Rechenschritt ausgeführt wurde, angenommen, dass die krummlinige Ausgangsabszisse s ^₀ näherungsweise bekannt ist und dass beispielsweise e(s ^₀) null ist.
Anhand dieser Daten nimmt der Rechner 14 die Berechnung der korrigierten Geschwindigkeit V ~(t_i) für jeden Zeitpunkt t_i des Beobachtungsfensters T₀ vor, wobei er von der folgenden Beziehung ausgeht: V(ti) = (1 + e(s ^0))·Vm·(ti).
Bei dem nachfolgenden Schritt 20 nimmt der Rechner 14 die Berechnung eines Schätzwertes s ~_i jeder krummlinige Abszisse durch zeitliche Integration der korrigierten Geschwindigkeit V ~(t_i) in dem Beobachtungsfenster T₀ vor, nämlich:
Somit ist am Ende des Schrittes 20 für i = N der Schätzwert der Position des Fahrzeugs zum aktuellen Zeitpunkt t_N durch die Beziehung:
bekannt, wobei diese Abszisse der durch das Lokalisierungsverfahren erhaltenen korrigierten Position des Schienenfahrzeugs auf dem Schienenweg entspricht.
Die folgenden Rechenschritte entsprechen der Berechnung der korrigierten Abszisse (s ^₁) des Punktes 1 des Beobachtungsfensters T₀ sowie der Berech nung des relativen Fehlers e(s ^₁) der auf Höhe desselben Punktes 1 beobachteten Geschwindigkeit, wobei diese Werte s ^₁ und e(s ^₁) jeweils als Referenzdaten s ^₀ und e(s ^₀) für die Berechnung der korrigierten Position des Fahrzeugs bei der nachfolgenden Berechnungsiteration dienen.
In einer ersten Zeit im Verlauf des Schrittes 22 nimmt der Rechner 14 die Berechnung der Werte des Krümmungsradius RO(s ~_i) und seiner räumlichen Ableitung DRO(s ~_i) für jede beim Schritt 22 geschätzte krummlinige Abszisse s ~_i vor. Diese Werte RO(s ~_i) und DRO(s ~_i) werden durch lineare Interpolation zwischen zwei der Datenbank 16 entnommenen benachbarten Tripletts (RO_j, DRO_j, s_j) berechnet.
Bei diesem zweiten Schritt 22 wird mit Hilfe der Beziehung y ~(s ~i) = RO(s ~i)·V ~(ti)eine Schätzung y ~(s ~_i) des Trägheitsmesswertes an jeder geschätzten krummlinigen Abszisse s ~_i ausgeführt.
Bei dem nachfolgenden Schritt 24 nimmt der Rechner 14 nach dem mathematischen Verfahren der Zustandsbeobachter bei gleitendem Horizont, dessen Theorie in dem Artikel von Mazen ALAMIR, veröffentlicht in der Zeitschrift "International Journal of Control", 1999, Bd. 72, Nr. 13, S. 1204 bis 1217, beschrieben ist, eine Berechnung der Ableitung der beobachteten Abszisse s .(s ^₁) und der Ableitung des relativen Fehlers e .(s ^₁) der auf Höhe des Punktes 1 des Beobachtungsfensters T₀ gemessenen Geschwindigkeit vor.
Die Berechnung von s .(s ^₁) und e .(s ^₁) wird anhand der folgenden, durch Anwendung des oben definierten mathematischen Verfahrens auf die Lokalisierung des Schienenfahrzeugs erhaltenen Beziehungen

ausgeführt, wobei die Zwischenvariablen χ_1i und χ_2i durch die Beziehungen χ1i = 2·(RO(s ~i)· V ~(ti) – y(ti))·V ~(ti)·(s ~i), χ2i = 2·(RO(s ~i)· V ~(ti) – y(ti))·VVm(ti)·RO(s ~i),bestimmt sind, wobei k und α Parameter sind und beispielhalber
um zu garantieren, dass der Beobachter bei minimalem Fehler eine Schätzung ausführt, und α = 1, um eine Stabilität in der Geraden zu garantieren, sein können.
Die Berechnung von s .(s ^₁) und e .(s ^₁) ermöglicht anschließend durch zeitliche Integration das Erhalten des korrigierten Wertes von s ^₁ sowie des Wertes e(s ^₁), die der korrigierten Abszisse bzw. dem relativen Fehler der Geschwindigkeit auf Höhe des Punktes 1 des Beobachtungsfensters T₀ entsprechen.
Diese Werte s ^₁ und e(s ^₁), die dem Schritt 24 entnommen werden, gehen anschließend wieder in den ersten Rechenschritt 18 ein, um im Zuge der folgenden Berechnungsiteration verwendet zu werden, wobei die so erhaltenen Werte den Werten von s ^₀ und e(s ^₀) entsprechen, die bei der neuen Berechnungsiteration, für die das Beobachtungsfenster T₀ so versetzt worden ist, das der Ausgangspunkt i = 0 des neuen Beobachtungsfensters mit dem Punkt i = 1 des vorhergehenden Beobachtungsfenster übereinstimmt, verwendet werden.
Ein solches Lokalisierungsverfahren bietet den Vorteil, das Schienenfahrzeug zu jedem Messzeitpunkt t_N mit guter Genauigkeit zu lokalisieren.
Das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren kann vorteilhaft in einem Steuerverfahren verwendet werden, das dazu dient, gesteuerte Elemente des Schienenfahrzeugs zu steuern, die eine phasengleiche Steuerung in Bezug auf die Geometrie des Schienenwegs wie etwa Pendelelemente, eine aktive transversale Aufhängung oder aber dem Fahrzeug auferlegte Ge schwindigkeitsprofile erfordern.
Es ist deutlich geworden, dass sie soeben beschriebene Erfindung den Vorteil bietet, wirtschaftlich durchzuführen zu sein, da sie nur einen einzigen Trägheitssensor an Bord des Fahrzeugs, die ungefähre Geschwindigkeit des Fahrzeugs und eine Datenbank, die ein dem Weg eigentümliches geometrisches Merkmal enthält, benötigt.
Selbstverständlich ist die Erfindung keinesfalls auf das oben beschriebene Beispiel begrenzt, bei dem lediglich zur Vereinfachung der Berechnungen angenommen worden ist, dass sich die Geschwindigkeit langsam verändert und folglich die Ableitung des relativen Fehlers der Geschwindigkeit in dem Beobachtungsfenster T₀ null ist. Im Gegenteil kann das Lokalisierungsverfahren mit Hilfe der folgenden Gleichungen die Theorie der Zustandsbeobachter bei gleitendem Horizont in allgemeiner Weise anwenden und schnellere Veränderungen der Geschwindigkeit berücksichtigen:
wobei e ., f ., g . ... die aufeinander folgenden Ableitungen des relativen Fehlers e der Geschwindigkeit darstellen, wobei f = e ., g = f . usw.,
wobei k und α einstellbare Parameter sind
und wobei G der Gradient des Kriteriums J in Abhängigkeit vom Zustand des Systems ist, der durch die Lösung A der folgenden differentiellen Matrixgleichung gegeben ist:
mit
Wenn der Fall eines Beobachters des Rangs 0 angenommen wird, d. h., dass e . = 0 in dem Beobachtungsfenster T₀, werden somit die in der oben beschriebenen besonderen Ausführungsform verwendeten Beziehungen wieder gefunden, nämlich:
Im Fall eines Beobachters des Rangs 2, d. h., dass g . = 0 in dem Beobachtungsfenster T₀, wird die folgende Beziehung erhalten:

Claims

Verfahren zum Lokalisieren eines Schienenfahrzeugs auf einem Schienenweg, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Messen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch Mittel (13), die einen ungefähren Wert der wirklichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs liefern; – Messen einer Trägheitsgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Hilfe eines einzigen Trägheitssensors (12), der an Bord des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die Trägheitsgröße so gewählt ist, dass sie ausschließlich von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und von einem dem Weg eigentümlichen geometrischen Merkmal abhängt; – Berechnen der Abszisse des Fahrzeugs auf dem Weg mittels eines konvergenten algorithmischen Verfahrens auf der Grundlage eines nicht linearen Beobachters anhand der Kenntnis der Messungen der ungefähren Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie der Messungen der Trägheitsgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor dem Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug lokalisiert werden soll, und anhand einer Datenbank (16), in der das dem Weg eigentümliche geometrische Merkmal und seine räumliche Ableitung für unterschiedliche krummlinige Abszissen gespeichert sind, wobei die Datenbank durch vorheriges Lernen erhalten wird.
Verfahren zum Lokalisieren eines Schienenfahrzeugs auf einem Schienenweg nach Anspruch 1, bei dem s ^_i die krummlinige Abszisse des Fahrzeugs zum Zeitpunkt t_i darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Messung der Geschwindigkeit Vm des Fahrzeugs in konstanten Zeitintervallen DT₀ ausgeführt wird, wobei die Messungen der Geschwindigkeit Vm(t_i) zu den Zeitpunkten t_i, i ∈ [1, N] eines zeitlichen Beobachtungsfensters T₀, das dem Messzeitpunkt t_N vorhergeht, zu dem das Fahrzeug lokalisiert werden soll, ausgeführt und in einem Speicher gespeichert werden; – die Messungen der Trägheitsgröße y(t_i), die an Bord des Fahrzeugs zu den unterschiedlichen Zeitpunkten t_i ausgeführt werden, in einem Speicher gespeichert werden; und dass durch sukzessive Iterationen eine geschätzte krummlinige Abszisse s ~_N des Fahrzeugs zum Zeitpunkt t_N berechnet wird, wobei jeder neue Messzeitpunkt t_N eine neue Berechnungsiteration erzeugt, für die das Beobachtungsfenster T₀ um ein Intervall DT₀ versetzt ist, so dass der Ausgangspunkt i = 0 des neuen Beobachtungsfensters T₀ der Abszisse des Messpunkts i = 1 des Beobachtungsfensters T₀ der vorhergehenden Iteration entspricht, wobei die geschätzte krummlinige Abszisse s_N mit Hilfe der folgenden Beziehung berechnet wird:
wobei V ~_i die korrigierte Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu jedem Zeitpunkt t_i des Beobachtungsfensters T₀ ist, e(s ^₀) der relative Fehler der Geschwindigkeit ist und s₀ die korrigierte krummlinige Abszisse des Ausgangspunkts des Beobachtungsfensters T₀ ist, wobei e(s ^₀) und s ^₀ in der vorhergehenden Iteration durch das konvergente algorithmische Verfahren, das auf einem nicht linearen Beobachter basiert, anhand der Messungen der Geschwindigkeit Vm(t_i), der einzigen Trägheitsgröße y(t_i) zu jedem Zeitpunkt t_i und des geometrischen Merkmals RO(s ~_i) und seiner räumlichen Ableitung DRO(s ~_i) auf Höhe der krummlinigen Abszisse s ~_i, die durch
geschätzt wird, erhalten werden.
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (16) Tripletts (s_j, RO_j, DRO_j) enthält, die durch Messen der Trägheitsgröße y(t_j) an unterschiedlichen Abszissen s_j bei einem vorherigen Durchgang eines Fahrzeugs längs des Wegs unter Betriebsbedingungen, die eine präzise Kenntnis der Daten der Tripletts gewährleisten, erhalten werden.
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige geschätzte Abszisse s ~_i des Weges, die Werte der geometrischen Merkmale RO(s ~_i) und ihrer räumlichen Ableitung DRO(s ~_i) durch Interpolation zwischen zwei Tripletts (s_j, RO_j, DRO_j), die in der Datenbank gespeichert sind, berechnet werden.
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheitssensor (12) ein Gierkreisel ist.
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheitssensor (12) ein Rollkreisel ist.
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Fehler e(s ^_i) der gemessenen Geschwindigkeit und die korrigierte Abszisse s ~_i in jedem Beobachtungsfenster T₀ anhand der folgenden Gleichungen von Zustandsbeobachtern mit gleitendem Horizont berechnet werden:
wobei e ., f ., g . ... die aufeinander folgenden Ableitungen des relativen Fehlers e der Geschwindigkeit darstellen, k und α Parameter sind, und G der Gradient des Kriteriums J in Abhängigkeit vom Zustand des Systems ist, der durch die Lösung A der folgenden differentiellen Matrixgleichung gegeben ist:
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass davon ausgegangen wird, dass die Ableitung e .(s ^₀) des relativen Fehlers der gemessenen Geschwindigkeit in dem Beobachtungsfenster T₀ null ist und dass der relative Fehler der Geschwindigkeit e(s ^_i) der korrigierten Abszisse s ^_i des Beobachtungsfensters T₀, die e(s ^₀) bzw. s ^₀ des Beobachtungsfensters T₀ der folgenden Recheniteration entsprechen, anhand der folgenden Beziehungen berechnet werden:
wobei k und α regelbare Parameter sind,
Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Steuerverfahren verwendet wird, das dazu dient, gesteuerte Elemente des Schienenfahrzeugs zu steuern, die eine phasengleiche Steuerung in Bezug auf die Geometrie des Weges erfordern, etwa Pendelelemente, eine aktive transversale Aufhängung oder aber ein dem Fahrzeug auferlegtes Geschwindigkeitsprofil.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines Fahrzeugs auf einem Weg, die das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – Messmittel (13), die die ungefähre Geschwindigkeit des Fahrzeugs angeben; – einen einzigen Trägheitssensor (12); – eine Datenbank (16), in der ein dem Weg eigentümliches geometrisches Merkmal und seine räumliche Ableitung für verschiedene krummlinige Abszissen des Weges gespeichert sind; und – einen Rechner, der die Informationen der Messmittel (13) und des Sensors (12) empfängt, wobei der Rechner mit der Datenbank (16) verbunden ist, um die Abszisse des Fahrzeugs auf dem Weg zu berechnen.