EP2924662B1 - Onboard-Unit und Verfahren zur Funktionsüberwachung in einem Straßenmautsystem - Google Patents

Onboard-Unit und Verfahren zur Funktionsüberwachung in einem Straßenmautsystem Download PDF

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EP2924662B1
EP2924662B1 EP14161986.6A EP14161986A EP2924662B1 EP 2924662 B1 EP2924662 B1 EP 2924662B1 EP 14161986 A EP14161986 A EP 14161986A EP 2924662 B1 EP2924662 B1 EP 2924662B1
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EP
European Patent Office
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onboard unit
error
unit according
dataset
satellite
Prior art date
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EP14161986.6A
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EP2924662B2 (de
EP2924662A1 (de
Inventor
Alexander Leopold
Christoph Abart
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Kapsch TrafficCom AG
Original Assignee
Kapsch TrafficCom AG
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Publication date
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Publication of EP2924662B1 publication Critical patent/EP2924662B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07B—TICKET-ISSUING APPARATUS; FARE-REGISTERING APPARATUS; FRANKING APPARATUS
    • G07B15/00—Arrangements or apparatus for collecting fares, tolls or entrance fees at one or more control points
    • G07B15/06—Arrangements for road pricing or congestion charging of vehicles or vehicle users, e.g. automatic toll systems
    • G07B15/063—Arrangements for road pricing or congestion charging of vehicles or vehicle users, e.g. automatic toll systems using wireless information transmission between the vehicle and a fixed station

Definitions

  • the present invention relates to an on-board unit for a road toll system, comprising a satellite navigation receiver for the continuous generation of position fixes and associated quality measurements from raw satellite data, a radio transceiver and a processor connected to these components, which is adapted to generate toll data from the position fixes and via the Radio transceiver to send.
  • the invention further relates to a method for monitoring the function in a road toll system using such an on-board unit.
  • Onboard units based on satellite navigation systems (GNSS) may e.g. Be "Thick Client” OBUs, which match the position fixes generated with a stored in the onboard unit digital road map, thereby determine toll routes, calculate related tolls and send as toll data on the radio transceiver, but also "thin client” OBUs, which directly send the position fixes as toll data to a central office, which calculates the tolls.
  • GNSS OBUs satellite navigation systems
  • the predetermined toll routes random samples Departure to then compare the tolls incurred in the headquarters of the Toll Chargers with the random checks.
  • the Toll Charger will request individual toll onboard units to randomly collect positional data and send as reference data directly to the Toll Charger toll center where it compares the reference data with the tolls generated by the service provider during operation to improve performance of the road toll system.
  • the invention has for its object to provide devices and methods for functional testing in a road toll system, which allow as a result an improvement in the performance of the road toll system and thus an increase in Vermustungsgrades.
  • an onboard unit of the aforementioned type which is characterized by a failure detector connected to the satellite navigation receiver adapted to respond to a lack of position fixes over a predetermined minimum time period or a drop in quality measurements below a predetermined minimum quality measure; and a logger connected to the satellite navigation receiver and controlled by the failure detector, which is adapted to generate an error record with at least the last position fix before the response when the failure detector responds; wherein the processor is adapted to receive the error record from the logger and send it via the radio transceiver.
  • this makes it possible for the first time to make the quality of the GNSS position determination and coverage in the road toll system accessible to a central evaluation and thereby to determine critical GNSS fault locations in the road network at an early stage and to allocate them geographically on the basis of the last position fix.
  • position detection errors of GNSS OBUs can be evaluated continuously or, if the OBUs are spread, continuously and at short intervals in the control center.
  • different GNSS-related errors in the road toll system e.g. Spurious signals, shadowing of the satellite signals, etc., and their causes, e.g. local or even mobile interference sources (“jammers”) or geographical conditions such as mountains or tunnels closed.
  • measures for fault elimination for example, at the error locations respectively bounded by the last position fixes.
  • the setting up of stationary position transmitters, support beacons, satellite signal repeaters or the like, or the identification and switching off of interference signal sources, etc. are initiated.
  • the error data record generated by the onboard unit has a time stamp of the last named Contains position fixes.
  • a time stamp of the last named Contains position fixes can be inferred.
  • the movement of a mobile jamming signal source can be accurately tracked to identify, for example, "jamming" that deliberately sends jamming signals to hinder proper building, using traffic cameras and / or emergency vehicles.
  • the error data set also contains the first position fix generated after the completion of the response or detection.
  • the error data record preferably also contains a time stamp of the named first position fix.
  • the error data set also contains at least one quality measurement value generated during the response of the failure detector or detection of the failure.
  • the quality measurement contains, for example, the number of satellites used to generate the associated position fix or a DOP value (Dilution of Precision) of the associated position measurement value, an unfavorable satellite constellation could be detected - accidentally or locally frequently.
  • the quality measured value contains the respective signal level of the satellite used to generate the associated position measured value and / or a signal / noise ratio of the satellite signals, then interference signals or signal attenuation can also be caused, for example as a result of local, possibly even mobile jammers or from weather events or shadowing by mountains or forest.
  • an error record may include not only one but also a series of quality measurements generated during the response of the failure detector, resulting in an evaluation of the history of the quality measurements and thus more accurate conclusions, e.g. allowed over possibly different error causes.
  • the error data record preferably also contains satellite raw data received during the response of the failure detector or detecting the failure and / or sensor measured values generated in a sensor element, thereby providing further bases for a later determination of possible causes of the error.
  • the failure detector contains a watchdog which is newly abuttable by each position fix generated. This represents a particularly simple, reliable component for the failure detector.
  • At least one second error data record generated and sent by a second on-board unit in the manner mentioned is received in the center, and the error data records of the at least two on-board units are validated against one another during the evaluation.
  • temporal changes of possible causes of faults can be considered more easily and individual faults or faults of individual onboard units, e.g. due to an improper arrangement in the vehicle, be compensated.
  • the number of available onboard units in the evaluation of the error data sets increases their informative value with regard to possible causes of error.
  • Fig. 1 shows a road toll system 1 based on onboard units (OBUs) 2, which are carried by vehicles 3 in order to toll their usage in a network of roads 4.
  • OBUs onboard units
  • the location use, for example, the driving of a particular segment of a road 4, crossing a border, the residence in a particular geographical area or the like. be and in any way, for example, per road segment, distance traveled, in a region of time spent (eg parking time), etc. billed.
  • each on-board unit 2 has a satellite navigation receiver 5, which consists of satellite signals 6 from navigation satellites 7 (FIG. Fig. 1 ) of a global navigation satellite system (GNSS) continuously determines the position of the on-board unit 2 and as position fixes p 1 , p 2 ,..., generally p i , with associated quality measurement values q 1 , q 2 , ... , generally q i , outputs.
  • GNSS global navigation satellite system
  • Each quality measurement q i of a position fix p i can contain various quality parameters, for example the number, signal level and / or signal / noise ratio of the signals 6 of the navigation satellites 7 used for determining the respective position fix p i , eg also in evaluated form The form of dilution of precision (DOP) values provided by commercially available satellite navigation receivers 5 for each position fix p i .
  • DOP dilution of precision
  • the satellite navigation receiver 5 can also output the underlying "raw" satellite data, eg sections of the satellite signals 6, or processing data formed during the generation of the position fixes p i , hereinafter "raw satellite data" r i called.
  • the output of the position fixes p i , quality measurements q i or raw satellite data r i can take place on mutually separate outputs of the satellite navigation receiver 5, on a common output in multiplexing or on a common bus in separate data packets.
  • the on-board unit 2 is further provided with a radio transceiver 8, e.g. according to a 2G, 3G, 4G or 5G mobile radio standard such as GSM, UMTS or LTE, the ITS-G5 or WAVE standard for short-range radio communication, one of the IEEE 802.11 standards for WLAN communication or the like, and a processor 9 connected to the satellite navigation receiver 5 and the radio transceiver 8.
  • a radio transceiver 8 e.g. according to a 2G, 3G, 4G or 5G mobile radio standard such as GSM, UMTS or LTE, the ITS-G5 or WAVE standard for short-range radio communication, one of the IEEE 802.11 standards for WLAN communication or the like
  • a processor 9 connected to the satellite navigation receiver 5 and the radio transceiver 8.
  • Optional may also be one or more sensor elements 10, for example, velocity or acceleration sensors, are provided, which in the onboard unit 2 itself, or - connected to the on-board unit 2 - may be arranged in the vehicle 3, and sensor measurements m i, for example, speed , Acceleration or approximate local measured values generate.
  • sensor element 10 can also be formed by the radio transceiver 8, in which case the sensor measured values m i are metadata of the radio transceiver 8, eg radio cell or received field strength data of a radio connection 11 to a radio station 12, here a base station of a mobile radio network in which the radio transceiver 8 is located.
  • the processor 9 generates toll data M from the sequence ⁇ p i ⁇ of position fixes p i in order to use the radio transceiver 8 via the radio link 11 and the radio station 12 to a central office 13 of the road toll system 1 to send.
  • the toll data M may be, for example, tolls, which are generated by a map matching of the position fix sequence ⁇ p i ⁇ with a digital toll road 4 or places stored in the on-board unit 2.
  • the toll data M could also be the position fixes p i itself, which are individually or - if desired filtered according to quality - combined into a bundle at arbitrary or predetermined times, after predetermined distances or simply with the availability of a radio link 11 via the radio transceiver 8 sent. In the latter case, card matching and billing can be done for example in the center 13.
  • Fig. 1 the vehicles 3 pass through a geographical area 14 on their respective routes on the roads 4 in which the satellite signals 6 received by the satellite navigation receivers 5 are disturbed, so that the quality measurements qi fall off and / or the respective satellite navigation receivers 5 do not generate position fixes p i ,
  • Fig. 3 shows in this example of waveforms of the respective signals or data of an on-board unit 2.
  • the satellite navigation receiver 5 generates the satellite navigation receiver 5 at times t 1, t 2, ..., generally i t, from the raw satellite data r i (not shown) each having a Position fix p i ( Fig. 3a ) and an associated quality measurement q i ( Fig. 3c ). If the vehicle 3 passes through said geographical area 14, the satellite navigation receiver 5 does not generate any position fixes p i over a period of time e, but in general continues to produce quality measured values q i .
  • the on-board unit 2 has a connected to the satellite navigation receiver 5 failure detector 15 which responds and an output signal s ( Fig. 3e ) generates, for example, a logical "high” signal or a logical "1" if it either (a) the absence of position fixes p i over a predetermined minimum period of time ⁇ and / or (b) a drop of quality measured values q i below predetermined minimum quality measure Q min detected.
  • the failure detector 15 may have a watchdog 16, eg in the form of a deadman or retriggerable monoflop circuit, which is triggered by each new position fix p i at its input again for the minimum period of time ⁇ and thus at its (here: inverted) output a detection signal d ( Fig. 3b ) outputs, if within the specified minimum period ⁇ no new position fix p i attains.
  • a watchdog 16 eg in the form of a deadman or retriggerable monoflop circuit, which is triggered by each new position fix p i at its input again for the minimum period of time ⁇ and thus at its (here: inverted) output a detection signal d ( Fig. 3b ) outputs, if within the specified minimum period ⁇ no new position fix p i attains.
  • the failure detector 15 for detecting the event (b) may have a comparator 17 which compares the incoming quality measurements q i with a minimum quality measure Q min , and an output c when the quality measures q i fall below the minimum quality measure Q min ( Fig. 3d ).
  • the comparator 17 may first combine a quality metric q i containing several parameters (dimensions) into a single global quality metric Q i ; alternatively, the minimum quality measure Q min could include separate single thresholds for a plurality of quality parameters included in a quality metric q i .
  • the output signals c of the watchdog 16 and d of the comparator 17 can be linked, for example, by a simple OR circuit 18 to the output signal s of the failure detector 15.
  • the OR circuit 18 may also be a complex Ausretelogik, which, for example, the timing of the signals c and d also taken into account, are provided. If the failure detector 15 contains only one of the components watchdog 16 or comparator 17, the circuit 18 is omitted and the output signal s coincides with the signal c or d.
  • the output signal s generated by the failure detector 15 activates a logger 19 which, in the case of said events (a) and / or (b), generates an error record F and makes it available to the processor 9 for transmission via the radio transceiver 8 to the center 13.
  • the logger 19 is, for example, a recording unit 20 with a buffer memory 21 connected to one or more outputs of the satellite navigation receiver 5.
  • the logger 19 may pre-process the error record F, for example, by exiting redundant or irrelevant data, supplementing with environment data from the environment of the on-board unit 2 or internal status data of the on-board unit 2, data summary, etc. depending on the situation.
  • the received error records F are evaluated. This evaluation can on the one hand be done individually, i. the error data sets F of an on-board unit 2 are considered on their own; on the other hand, a plurality of error data sets F of different on-board units 2 can also be received, jointly evaluated and, for example, evaluated. be validated against each other.
  • the error data sets F are determined as a function of the position fixes p m , p n , ⁇ p i ⁇ and, if detected, their time stamps t m , t n , ⁇ t i ⁇ , quality measurements q m , q n , ⁇ q i ⁇ , raw satellite data ⁇ r i ⁇ and / or sensor readings ⁇ m i ⁇ are considered and analyzed for possible sources of error in order to prepare measures for their elimination.
  • geographic interference and shading regions 14 of the satellite reception as well as their time dependency may be determined.
  • the onboard unit 2 as a whole or individual ones of its components, such as the failure detector 15, the logger 19 or parts thereof both as hardware components and as software objects, e.g. in the processor 9.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Onboard-Unit für ein Straßenmautsystem, mit einem Satellitennavigationsempfänger zur fortlaufenden Erzeugung von Positionsfixen und zugehörigen Qualitätsmesswerten aus Satellitenrohdaten, einem Funksendeempfänger und einem an diese Komponenten angeschlossenen Prozessor, der dafür ausgebildet ist, aus den Positionsfixen Mautdaten zu erzeugen und über den Funksendeempfänger zu senden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Funktionsüberwachung in einem Straßenmautsystem mithilfe einer solchen Onboard-Unit.
  • Onboard-Units (OBUs) auf Basis von Satellitennavigationssystemen (global navigation satellite systems, GNSS) können z.B. "Thick Client"-OBUs sein, welche die erzeugten Positionsfixe mit einer in der Onboard-Unit hinterlegten digitalen Straßenkarte abgleichen, dabei gebührenpflichtige Fahrstrecken ermitteln, zugehörige Mautgebühren errechnen und als Mautdaten über den Funksendeempfänger senden, aber auch "Thin Client"-OBUs, welche direkt die Positionsfixe als Mautdaten an eine Zentrale senden, die daraus die Mautgebühren berechnet. Die Funktions- und Leistungsfähigkeit solcher GNSS-OBUs hängt maßgeblich von der Qualität ihres Satellitenempfangs und der daraus bestimmten Positionsfixe ab.
  • In der EP 1 696 207 A1 wird ein Verfahren zum Klassifizieren von Positionsfixen beschrieben, wobei aufgrund ihrer Qualität ungültige Positionsfixe verworfen oder markiert werden und von Positionsfixen mit verwendbaren Satellitenrohdaten nur diese Rohdaten oder daraus abgeleitete Metadaten, nicht jedoch die Positionsfixe selbst verwendet werden.
  • Während die Abrechnung der Mautgebühren meist in der Hand des Straßenerhalters oder einer Behörde, des sog. "Toll Charger", liegt, wird die Erzeugung von Mautdaten oder das Berechnen der Mautgebühren meist als Dienstleistung durch einen "Service Provider" erbracht; der Service Provider hat dabei eine bestimmte Leistungsfähigkeit, z.B. einen bestimmten Vermautungsgrad auf einer Mautstrecke, zu garantieren.
    Zur Messung der Funktions- und Leistungsfähigkeit eines Straßenmautsystems werden derzeit Flotten von Testfahrzeugen eingesetzt, die beispielsweise vorgegebene Mautstrecken stichprobenartig abfahren, um anschließend die in der Zentrale des Toll Chargers anfallenden Mautgebühren mit den Stichprobenfahrten zu vergleichen. Zur Reduktion des personellen und organisatorischen Aufwands schlägt die EP 2 665 044 alternativ dazu vor, dass der Toll Charger einzelne mautpflichtige Onboard-Units zum stichprobenartigen Sammeln von positionsbezogenen Daten und Senden als Referenzdaten direkt an die Mautzentrale des Toll Chargers auffordert, wo dieser die Referenzdaten mit den vom Serviceprovider im laufenden Betrieb erzeugten Mautgebühren vergleicht, um die Leistungsfähigkeit des Straßenmautsystems zu messen.
  • Die Erfindung setzt sich zum Ziel, Vorrichtungen und Verfahren zur Funktionsüberprüfung in einem Straßenmautsystem zu schaffen, welche in der Folge eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Straßenmautsystems und damit eine Erhöhung des Vermautungsgrades ermöglichen.
  • Dieses Ziel wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mit einer Onboard-Unit der einleitend genannten Art erreicht, die sich auszeichnet durch
    einen an den Satellitennavigationsempfänger angeschlossenen Ausfallsdetektor, welcher dafür ausgebildet ist, auf ein Ausbleiben von Positionsfixen über eine vorgegebene Mindestzeitspanne oder ein Abfallen von Qualitätsmesswerten unter ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß anzusprechen, und
    einen an den Satellitennavigationsempfänger angeschlossenen und vom Ausfallsdetektor gesteuerten Protokollierer, welcher dafür ausgebildet ist, bei Ansprechen des Ausfallsdetektors einen Fehlerdatensatz mit zumindest dem letzten Positionsfix vor dem Ansprechen zu erzeugen,
    wobei der Prozessor dafür ausgebildet ist, den Fehlerdatensatz vom Protokollierer zu empfangen und über den Funksendeempfänger zu senden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Funktionsmessung in einem Straßenmautsystem mit einer Zentrale und zumindest einer fahrzeuggestützten Onboard-Unit, die aus Satellitenrohdaten fortlaufend Positionsfixe und zugehörige Qualitätsmesswerte erzeugt und darauf basierende Mautdaten an die Zentrale sendet, umfassend:
    • Detektieren eines Ausbleibens von Positionsfixen über eine vorgegebene Mindestzeitspanne oder eines Abfallens von Qualitätsmesswerten unter ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß in der Onboard-Unit,
    • im Falle der Detektion, Protokollieren eines Fehlerdatensatzes mit zumindest dem letzten Positionsfix vor der Detektion in der Onboard-Unit,
    • Senden des Fehlerdatensatzes von der Onboard-Unit an die Zentrale, und
    • Auswerten des Fehlerdatensatzes in der Zentrale.
  • Erfindungsgemäß wird dadurch erstmals möglich, die Qualität der GNSS-Positionsbestimmung und -Abdeckung im Straßenmautsystem einer zentralen Auswertung zugänglich zu machen und dadurch kritische GNSS-Fehlerorte im Straßennetz frühzeitig zu bestimmen und anhand des letzten Positionsfixes geographisch zuzuordnen. Anstelle einer bloß stichprobenartigen Leistungsüberprüfung können Positionsermittlungsfehler von GNSS-OBUs sofort oder nur mit kurzer Sendezeitverzögerung kontinuierlich und - bei entsprechender Verbreitung der OBUs - flächendeckend in der Zentrale ausgewertet werden. In der Folge kann auf unterschiedliche GNSS-bedingte Fehler im Straßenmautsystem, z.B. Störsignale, Abschattungen der Satellitensignale etc. und deren Ursachen, z.B. örtliche oder auch mobile Störsignalquellen ("Jammer") oder geographische Gegebenheiten wie Gebirge oder Tunnels, geschlossen werden. So können erstmals an den durch die letzten Positionsfixe jeweils eingegrenzten Fehlerorten zielgerichtet Maßnahmen zur Fehlerbeseitigung, z.B. das Aufstellen von stationären Positionssendern, Stützbaken, Satellitensignal-Repeatern od.dgl., oder das Identifizieren und Ausschalten von Störsignalquellen etc., eingeleitet werden.
  • Besonders günstig ist es, wenn der von der Onboard-Unit erzeugte Fehlerdatensatz einen Zeitstempel des genannten letzten Positionsfixes enthält. So kann aus einer Mehrzahl von Fehlerdatensätzen verschiedener Onboard-Units bzw. ein und derselben Onboard-Unit zu verschiedenen Tages- bzw. Jahreszeiten auch auf zeitabhängige Fehler und Fehlerursachen, z.B. zeitveränderliche bzw. periodische Störsignale, ungünstige Satellitenkonstellationen oder Abschattung der Satellitensignale in Abhängigkeit von Wetterereignissen oder durch Vegetation während der Wachstumszeiten etc., rückgeschlossen werden. Ferner kann die Bewegung einer mobilen Störsignalquelle genau verfolgt werden, um z.B. "Jammer", die bewusst Störsignale senden, um ein korrektes Vermauten zu behindern, mithilfe von Verkehrskameras und/oder Einsatzfahrzeugen zu identifizieren.
  • Um die geographischen Bereiche des detektierten Fehlers noch besser abgrenzen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fehlerdatensatz auch den ersten nach Beendigung des Ansprechens bzw. Detektierens erzeugten Positionsfix enthält. Bevorzugt enthält dabei der Fehlerdatensatz aus den genannten Gründen auch einen Zeitstempel des genannten ersten Positionsfixes.
  • In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung enthält der Fehlerdatensatz auch zumindest einen während des Ansprechens des Ausfallsdetektors bzw. Detektierens des Ausfalls erzeugten Qualitätsmesswert. Dadurch kann noch präziser auf Fehlerursachen rückgeschlossen werden. So könnte, wenn der Qualitätsmesswert z.B. die Anzahl der zur Erzeugung des zugehörigen Positionsfixes herangezogenen Satelliten oder einen DOP-Wert (dilution of precision) des zugehörigen Positionsmesswerts enthält, eine - zufällig oder lokal häufig auftretende - ungünstige Satellitenkonstellation erkannt werden. Enthält der Qualitätsmesswert z.B. den jeweiligen Signalpegel der zur Erzeugung des zugehörigen Positionsmesswerts herangezogenen Satelliten und/oder ein Signal/Rausch-Verhältnis der Satellitensignale, so kann auch auf Störsignale bzw. Signaldämpfungen - z.B. infolge von lokalen, gegebenenfalls sogar beweglichen Störsendern oder von Wetterereignissen oder Abschattungen durch Gebirge oder Wald - rückgeschlossen werden.
  • Es versteht sich, dass ein Fehlerdatensatz nicht nur einen, sondern auch eine Folge von während des Ansprechens des Ausfallsdetektors erzeugten Qualitätsmesswerten enthalten kann, was eine Auswertung des Verlaufs der Qualitätsmesswerte und damit noch genauere Schlussfolgerungen z.B. über möglicherweise unterschiedliche Fehlerursachen erlaubt.
  • Bevorzugt enthält der Fehlerdatensatz auch während des Ansprechens des Ausfallsdetektors bzw. Detektierens des Ausfalls empfangene Satellitenrohdaten und/oder in einem Sensorelement erzeugte Sensormesswerte, wodurch für ein späteres Ermitteln möglicher Fehlerursachen weitere Grundlagen geschaffen werden.
  • Besonders günstig ist es, wenn der Ausfallsdetektor einen Watchdog enthält, welcher von jedem erzeugten Positionsfix neu anstoßbar ist. Dies stellt einen besonders einfachen, zuverlässigen Baustein für den Ausfallsdetektor dar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Zentrale zumindest ein zweiter, von einer zweiten Onboard-Unit in der genannten Weise erzeugter und gesandter Fehlerdatensatz empfangen und die Fehlerdatensätze der zumindest zwei Onboard-Units werden beim Auswerten gegeneinander validiert. Dadurch können zeitliche Änderungen möglicher Fehlerursachen einfacher berücksichtigt und individuelle Fehler oder Störungen einzelner Onboard-Units, z.B. infolge einer unsachgemäßen Anordnung im Fahrzeug, ausgeglichen werden. Zugleich steigt mit der Anzahl der verfügbaren Onboard-Units bei der Auswertung der Fehlerdatensätze deren Aussagekraft in Bezug auf mögliche Fehlerursachen.
  • Besonders günstig ist es, wenn beim Auswerten durch einen Abgleich der Fehlerdatensätze mit einer digitalen Landkarte geographische Störungs- und Abschattungsbereiche des Satellitenempfangs bestimmt werden. Dadurch wird eine "Landkarte von GNSS-Fehlern" erzeugt, welche mit geographischen Gegebenheiten, z.B. hohen Bergen, engen Tälern, Tunnels etc. abgeglichen werden kann. Auf diese Weise sind naturgegebene von technisch bedingten Fehlerursachen leichter unterscheidbar, und Maßnahmen zur Fehlerbeseitigung können in die Wege geleitet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1 ein Straßenmautsystem mit fahrzeuggestützten Onboard-Units gemäß der Erfindung in einer schematischen Draufsicht;
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild einer der Onboard-Units von Fig. 1; und
    • Fig. 3 beispielhafte Daten- und Signaldiagramme, die in der Onboard-Unit von Fig. 2 und während der Ausführung des Verfahrens der Erfindung auftreten.
  • Fig. 1 zeigt ein Straßenmautsystem 1, das auf Onboard-Units (OBUs) 2 basiert, welche von Fahrzeugen 3 mitgeführt werden, um deren Ortsnutzungen in einem Netz aus Straßen 4 zu vermauten bzw. vergebühren. Die Ortsnutzung kann beispielsweise das Befahren eines bestimmten Segments einer Straße 4, das Überfahren einer Grenze, der Aufenthalt in einem bestimmten geographischen Gebiet od.dgl. sein und auf beliebige Weise, z.B. pro Straßensegment, gefahrener Weglänge, in einem Gebiet verbrachter Zeit (z.B. Parkzeit) etc., abgerechnet werden.
  • Gemäß Fig. 2 verfügt jede Onboard-Unit 2 dazu über einen Satellitennavigationsempfänger 5, welcher aus Satellitensignalen 6 von Navigationssatelliten 7 (Fig. 1) eines globalen Satellitennavigationssystems (Global Navigation Satellite System, GNSS) fortlaufend die Position der Onboard-Unit 2 bestimmt und als Positionsfixe p1, p2, ..., allgemein pi, mit zugehörigen Qualitätsmesswerten q1, q2, ..., allgemein qi, ausgibt.
  • Jeder Qualitätsmesswert qi eines Positionsfixes pi kann dabei verschiedene Qualitätsparameter beinhalten, beispielsweise Anzahl, Signalpegel und/oder Signal/Rausch-Verhältnis der Signale 6 der zur Bestimmung des jeweiligen Positionsfixes pi herangezogenen Navigationssatelliten 7, z.B. auch in ausgewerteter Form von DOP-Werten (dilution of precision), wie sie von handelsüblichen Satellitennavigationsempfängern 5 für jeden Positionsfix pi zur Verfügung gestellt werden.
  • Zusätzlich zu den Positionsfixen pi und ihren Qualitätsmesswerten qi kann der Satellitennavigationsempfänger 5 auch die diesen zugrundeliegenden "rohen" Satellitendaten, z.B. Ausschnitte der Satellitensignale 6, oder im Verlauf der Erzeugung der Positionsfixe pi gebildete Verarbeitungsdaten ausgeben, im Weiteren "Satellitenrohdaten" ri genannt. Die Ausgabe der Positionsfixe pi, Qualitätsmesswerte qi bzw. Satellitenrohdaten ri kann dabei auf voneinander gesonderten Ausgängen des Satellitennavigationsempfängers 5, auf einem gemeinsamen Ausgang im Multiplexing oder auf einem gemeinsamen Bus in gesonderten Datenpaketen erfolgen.
  • Die Onboard-Unit 2 ist ferner mit einem Funksendeempfänger 8, z.B. nach einem 2G-, 3G-, 4G- oder 5G-Mobilfunkstandard wie GSM, UMTS oder LTE, dem ITS-G5- oder WAVE-Standard für Kurzreichweiten-Funkkommunikation, einem der IEEE 802.11-Standards für WLAN-Kommunikation od.dgl., und einem an den Satellitennavigationsempfänger 5 und den Funksendeempfänger 8 angeschlossenen Prozessor 9 ausgestattet.
  • Optional können auch ein oder mehrere Sensorelemente 10, z.B. Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren, vorgesehen sein, welche in der Onboard-Unit 2 selbst oder - mit der Onboard-Unit 2 verbunden - im Fahrzeug 3 angeordnet sein können und Sensormesswerte mi, z.B. Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- oder daraus approximierte Ortsmesswerte, erzeugen. Ein solches Sensorelement 10 kann auch durch den Funksendeempfänger 8 gebildet sein, in welchem Fall die Sensormesswerte mi Metadaten des Funksendeempfängers 8 sind, z.B. Funkzellen- oder Empfangsfeldstärkedaten einer Funkverbindung 11 mit einer Funkstation 12, hier einer Basisstation eines Mobilfunknetzes, in dem sich der Funksendeempfänger 8 befindet.
  • Der Prozessor 9 erzeugt aus der Folge {pi} von Positionsfixen pi Mautdaten M, um diese mithilfe des Funksendeempfängers 8 über die Funkverbindung 11 und die Funkstation 12 an eine Zentrale 13 des Straßenmautsystems 1 zu senden.
  • Die Mautdaten M können z.B. Mautgebühren sein, die durch einen Kartenabgleich ("map-matching") der Positionsfixfolge {pi} mit einer in der Onboard-Unit 2 hinterlegten digitalen Karte mautpflichtiger Straßen 4 bzw. Orte erzeugt werden. Alternativ könnten die Mautdaten M auch die Positionsfixe pi selbst sein, welche einzeln oder - wenn gewünscht nach Qualität gefiltert - zu einem Bündel zusammengefasst zu beliebigen oder vorgegebenen Zeitpunkten, nach vorgegebenen Strecken oder einfach bei Verfügbarkeit einer Funkverbindung 11 über den Funksendeempfänger 8 gesendet werden. Im letztgenannten Fall können Kartenabgleich und Gebührenberechnung beispielsweise in der Zentrale 13 erfolgen.
  • Gemäß Fig. 1 durchfahren die Fahrzeuge 3 auf ihren jeweiligen Fahrwegen auf den Straßen 4 einen geographischen Bereich 14, in welchem die von den Satellitennavigationsempfängern 5 empfangenen Satellitensignale 6 gestört bzw. abgeschattet sind, sodass die Qualitätsmesswerte qi abfallen und/oder die jeweiligen Satellitennavigationsempfänger 5 keine Positionsfixe pi erzeugen.
  • Fig. 3 zeigt dazu beispielhaft Zeitverläufe der jeweiligen Signale bzw. Daten einer Onboard-Unit 2. Gemäß diesem Beispiel erzeugt der Satellitennavigationsempfänger 5 zu Zeitpunkten t1, t2, ..., allgemein ti, aus den Satellitenrohdaten ri (nicht dargestellt) jeweils einen Positionsfix pi (Fig. 3a) und einen zugehörigen Qualitätsmesswert qi (Fig. 3c). Durchfährt das Fahrzeug 3 den genannten geographischen Bereich 14, erzeugt der Satellitennavigationsempfänger 5 über einen Zeitraum e keine Positionsfixe pi, im Allgemeinen jedoch weiterhin Qualitätsmesswerte qi.
  • Um Fehler der Positionsbestimmung der Onboard-Unit 2 und damit der Vermautungsfunktion des Straßenmautsystems 1 z.B. infolge von Signal-Störungen und/oder Abschattungen der Satellitensignale 6 erfassen und messen zu können, dienen die folgenden Komponenten und Verfahren.
  • Die Onboard-Unit 2 verfügt dazu über einen an den Satellitennavigationsempfänger 5 angeschlossenen Ausfallsdetektor 15, welcher anspricht und ein Ausgangssignal s (Fig. 3e) erzeugt, z.B. eine logisches "High"- Signal bzw. eine logische "1", wenn er entweder (a) das Ausbleiben von Positionsfixen pi über eine vorgegebene Mindestzeitspanne δ und/oder (b) ein Abfallen von Qualitätsmesswerten qi unter ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß Qmin detektiert.
  • Zur Detektion des Ereignisses (a) kann der Ausfallsdetektor 15 einen Watchdog 16 aufweisen, z.B. in Form eines Totmann- bzw. retriggerbaren Monoflop-Schaltkreises, der von jedem neuen Positionsfix pi an seinem Eingang erneut für die Mindestzeitspanne δ angestoßen wird und somit an seinem (hier: invertierten) Ausgang ein Detektionssignal d (Fig. 3b) ausgibt, wenn innerhalb der genannten Mindestzeitspanne δ kein neuer Positionsfix pi einlangt.
  • Alternativ oder zusätzlich zum Watchdog 16 kann der Ausfallsdetektor 15 zur Detektion des Ereignisses (b) einen Komparator 17 aufweisen, welcher die einlangenden Qualitätsmesswerte qi mit einem Mindestqualitätsmaß Qmin vergleicht und bei einem Abfallen der Qualitätsmesswerte qi unter das Mindestqualitätsmaß Qmin ein Ausgangssignal c (Fig. 3d) ausgibt. Je nach Komplexität der Qualitätsmesswerte qi könnte es zur Vereinfachung dieses Vergleichs erwünscht sein, dass der Komparator 17 zunächst einen mehrere Parameter (Dimensionen) enthaltenden Qualitätsmesswert qi zu einem einzigen globalen Qualitätsmaß Qi zusammenfasst; alternativ könnte das Mindestqualitätsmaß Qmin separate Einzel-Schwellwerte für mehrere in einem Qualitätsmesswert qi enthaltene Qualitätsparameter aufweisen.
  • Die Ausgangssignale c des Watchdogs 16 und d des Komparators 17 können z.B. durch einen einfachen ODER-Schaltkreis 18 zu dem Ausgangssignal s des Ausfallsdetektors 15 verknüpft werden. Anstelle des ODER-Schaltkreises 18 kann auch eine komplexe Auswertelogik, welche z.B. auch das Zeitverhalten der Signale c und d mitberücksichtigt, vorgesehen werden. Wenn der Ausfallsdetektor 15 nur eine der Komponenten Watchdog 16 oder Komparator 17 enthält, entfällt der Schaltkreis 18 und das Ausgangssignal s fällt mit dem Signal c bzw. d zusammen.
  • Das vom Ausfallsdetektor 15 erzeugte Ausgangssignal s steuert einen Protokollierer 19 an, welcher im Falle der genannten Ereignisse (a) und/oder (b) einen Fehlerdatensatz F erzeugt und für den Prozessor 9 zum Senden über den Funksendeempfänger 8 an die Zentrale 13 bereithält. Wie in Fig. 2 symbolisch gezeigt, ist der Protokollierer 19 z.B. eine an einen oder mehrere Ausgänge des Satellitennavigationsempfängers 5 angeschlossene Aufzeichnungseinheit 20 mit einem Pufferspeicher 21.
  • Als Fehlerdatensatz F zeichnet der Protokollierer 19 im einfachsten Fall den letzten Positionsfix pm auf, den der Satellitennavigationsempfänger 5 gerade noch vor dem Ansprechen des Ausfallsdetektors 15 erzeugt hat, siehe Fig. 3a. Zusätzlich kann der Protokollierer 19 dem Fehlerdatensatz F je nach Anforderung noch weitere Daten hinzufügen, sodass dieser - einzeln oder in beliebiger Kombination - ferner enthalten kann:
    • einen Zeitstempel tm des genannten letzten Positionsfixes pm;
    • den ersten unmittelbar nach Beendigung des Ansprechens des Ausfallsdetektors 15 erzeugten Positionsfix pn, wenn gewünscht auch mit zugehörigem Zeitstempel tn;
    • die zum genannten letzten und/oder ersten Pösitionsmesswert pm, pn erzeugten Qualitätsmesswerte qm und/oder qn;
    • einen oder mehrere der während des Ansprechens des Ausfallsdetektors 15, d.h. solange der Protokollierer 19 angesteuert (s = "1") ist, erzeugten Qualitätsmesswerte qi, wenn gewünscht auch mit zugehörigen Zeitstempeln ti;
    • die zum genannten letzten und/oder ersten Positionsmesswert pm, pn und/oder während des Ansprechens des Ausfallsdetektors 15 (s = "1") empfangenen - bzw. gebildeten - Satellitenrohdaten ri; und/oder
    • die etwa zeitgleich mit dem genannten letzten und/oder ersten Positionsmesswert pm, pn und/oder während des Ansprechens des Ausfallsdetektors 15 (s = "1") erzeugten Sensormesswerte mi .
  • Optional kann der Protokollierer 19 den Fehlerdatensatz F beispielsweise durch Ausscheiden redundanter oder irrelevanter Daten, Ergänzen um Umfeld-Daten aus der Umgebung der Onboard-Unit 2 oder interne Zustandsdaten der Onboard-Unit 2, Datenzusammenfassung etc. situationsabhängig vorverarbeiten.
  • In der Zentrale 13 werden die empfangenen Fehlerdatensätze F ausgewertet. Diese Auswertung kann einerseits einzeln erfolgen, d.h. die Fehlerdatensätze F einer Onboard-Unit 2 werden für sich betrachtet, andererseits können auch mehrere Fehlerdatensätze F verschiedener Onboard-Units 2 empfangen, gemeinsam ausgewertet und dabei z.B. gegeneinander validiert werden.
  • Beim Auswerten werden die Fehlerdatensätze F in Abhängigkeit vom Ort der darin angegebenen Positionsfixe pm, pn, {pi} und, wenn erfasst, deren Zeitstempeln tm, tn, {ti}, Qualitätsmesswerten qm, qn, {qi}, Satellitenrohdaten {ri} und/oder Sensormesswerte {mi} betrachtet und auf mögliche Fehlerquellen hin analysiert, um Maßnahmen zu deren Beseitigung vorzubereiten. Optional können beim Auswerten durch einen Abgleich der Fehlerdatensätze F mit einer digitalen Landkarte geographische Störungs- und Abschattungsbereiche 14 des Satellitenempfangs ebenso wie gegebenenfalls deren Zeitabhängigkeit bestimmt werden. So können dauerhafte Abschattungen, z.B. durch Tunnels, erkannt und von vorübergehenden Abschattungen, z.B. in engen Tälern, wo nur zeitweise eine ausreichende Anzahl an Satellitensignalen 6 in erforderlicher Stärke empfangbar ist, unterschieden werden, oder wetterbedingte Signalabschwächungen oder jahreszeitabhängige Abschattungen in dichter Vegetation von fixen oder beweglichen Störquellen ("Jammern") usw. usf. In der Folge können zielgerichtete Maßnahmen zur Fehlerbeseitigung eingeleitet werden, um den Vermautungsgrad des Straßenmautsystems 1 zu erhöhen, z.B. stationäre Positionssender bzw. Satellitensignal-Repeater errichtet oder Störquellen eliminiert oder abgeschaltet bzw. bewusstes Senden von Störsignalen durch Jammer verfolgt und geahndet werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. So können die Onboard-Unit 2 im Ganzen bzw. einzelne ihrer Komponenten wie der Ausfallsdetektor 15, der Protokollierer 19 oder Teile davon sowohl als Hardwarebausteine als auch als Softwareobjekte, z.B. im Prozessor 9, implementiert werden.

Claims (15)

  1. Onboard-Unit für ein Straßenmautsystem (1), mit einem Satellitennavigationsempfänger (5) zur fortlaufenden Erzeugung von Positionsfixen (pi) und zugehörigen Qualitätsmesswerten (qi) aus Satellitenrohdaten (ri),
    einem Funksendeempfänger (8) und
    einem an diese Komponenten (5, 8) angeschlossenen Prozessor (9), der dafür ausgebildet ist, aus den Positionsfixen (pi) Mautdaten (M) zu erzeugen und über den Funksendeempfänger (8) zu senden,
    gekennzeichnet durch
    einen an den Satellitennavigationsempfänger (5) angeschlossenen Ausfallsdetektor (15), welcher dafür ausgebildet ist, auf ein Ausbleiben von Positionsfixen (pi) über eine vorgegebene Mindestzeitspanne (δ) oder ein Abfallen von Qualitätsmesswerten (qi) unter ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß (Qmin) anzusprechen, und
    einen an den Satellitennavigationsempfänger (5) angeschlossenen und vom Ausfallsdetektor (15) gesteuerten Protokollierer (19), welcher dafür ausgebildet ist, bei Ansprechen des Ausfallsdetektors (15) einen Fehlerdatensatz (F) mit zumindest dem letzten Positionsfix (pm) vor dem Ansprechen zu erzeugen,
    wobei der Prozessor (9) dafür ausgebildet ist, den Fehlerdatensatz (F) vom Protokollierer (19) zu empfangen und über den Funksendeempfänger (8) zu senden.
  2. Onboard-Unit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tm) des genannten letzten Positionsfixes (pm) enthält.
  3. Onboard-Unit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch den ersten nach Beendigung des Ansprechens erzeugten Positionsfix (pn) enthält.
  4. Onboard-Unit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tn) des genannten ersten Positionsfixes (pn) enthält.
  5. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch zumindest einen während des Ansprechens erzeugten Qualitätsmesswert (qi) enthält.
  6. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch während des Ansprechens empfangene Satellitenrohdaten (ri) und/oder in einem Sensorelement (10) erzeugte Sensormesswerte (mi) enthält.
  7. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfallsdetektor (15) einen Watchdog (16) enthält, welcher von jedem erzeugten Positionsfix (pi) neu anstoßbar ist.
  8. Verfahren zur Funktionsüberwachung in einem Straßenmautsystem (1) mit einer Zentrale (13) und zumindest einer fahrzeuggestützten Onboard-Unit (2), die aus Satellitenrohdaten (ri) fortlaufend Positionsfixe (pi) und zugehörige Qualitätsmesswerte (qi) erzeugt und darauf basierende Mautdaten (M) an die Zentrale (13) sendet, umfassend:
    Detektieren eines Ausbleibens von Positionsfixen (pi) über eine vorgegebene Mindestzeitspanne (δ) oder eines Abfallens von Qualitätsmesswerten (qi) unter ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß (Qmin) in der Onboard-Unit (2),
    im Falle der Detektion, Protokollieren eines Fehlerdatensatzes (F) mit zumindest dem letzten Positionsfix (pm) vor der Detektion in der Onboard-Unit (2),
    Senden des Fehlerdatensatzes (F) von der Onboard-Unit (2) an die Zentrale (13), und
    Auswerten des Fehlerdatensatzes (F) in der Zentrale (13).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tm) des genannten letzten Positionsfixes (pm) enthält.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch den ersten nach Beendigung der Detektion erzeugten Positionsfix (pn) enthält.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tn) des genannten ersten Positionsfixes (pn) enthält.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch zumindest einen während der Detektion erzeugten Qualitätsmesswert (qi) enthält.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch während der Detektion empfangene Satellitenrohdaten (ri) und/oder in einem Sensorelement (10) erzeugte Sensormesswerte (mi) enthält.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zentrale (13) zumindest ein zweiter, von einer zweiten Onboard-Unit (2) in der genannten Weise erzeugter und gesandter Fehlerdatensatz (F) empfangen wird und die Fehlerdatensätze (F) der zumindest zwei Onboard-Units (2) beim Auswerten gegeneinander validiert werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten durch einen Abgleich der Fehlerdatensätze (F) mit einer digitalen Landkarte geographische Störungs- und Abschattungsbereiche (14) des Satellitenempfangs bestimmt werden.
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