EP2924662B2 - 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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EP2924662B2
EP2924662B2 EP14161986.6A EP14161986A EP2924662B2 EP 2924662 B2 EP2924662 B2 EP 2924662B2 EP 14161986 A EP14161986 A EP 14161986A EP 2924662 B2 EP2924662 B2 EP 2924662B2
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EP
European Patent Office
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onboard unit
error
satellite
position fix
generated
Prior art date
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EP14161986.6A
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EP2924662B1 (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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    • 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 onboard unit for a road toll system, with a satellite navigation receiver for the continuous generation of position fixes and associated quality measurements from satellite raw data, a radio transceiver and a processor connected to these components, which is designed to generate toll data from the position fixes and via the to send radio transceivers.
  • the invention also relates to a method for monitoring the function in a road toll system using such an onboard unit.
  • Onboard units based on satellite navigation systems (global navigation satellite systems, GNSS) can be e.g. "thick client” OBUs, which compare the generated position fixes with a digital road map stored in the onboard unit, thereby determining toll routes, associated ones Calculate tolls and send them as toll data via the radio transceiver, but also "thin client” OBUs, which send the position fixes directly as toll data to a control center, which uses them to calculate the tolls.
  • the functionality and performance of such GNSS OBUs largely depends on the quality of their satellite reception and the position fixes determined from it.
  • a service provider has to guarantee a specific level of performance, for example a specific level of toll collection on a toll route.
  • fleets of test vehicles are currently being used, which, for example, drive through specified toll routes at random in order to then compare the toll charges incurred at the Toll Charger headquarters with the sample drives.
  • the Toll Charger requests individual onboard units that are subject to tolls to collect position-related data on a random basis and send them as reference data directly to the Toll Charger's toll center, where the latter compares the reference data with the toll charges generated by the service provider during operation in order to determine the efficiency of the road toll system.
  • the aim of the invention is to create devices and methods for checking the function in a road toll system, which subsequently enable an improvement in the performance of the road toll system and thus an increase in the degree of toll collection.
  • an onboard unit of the type mentioned in the introduction which is characterized by a failure detector connected to the satellite navigation receiver, which is designed to respond to a drop in measured quality values below a predetermined minimum quality measure, and a the logger connected to the satellite navigation receiver and controlled by the failure detector, which is designed to generate an error data record with at least the last position fix before the response and the first position fix (pn) generated after the end of the response when the failure detector responds, the processor being designed to do this, receive the error record from the logger and send it via the radio transceiver.
  • the invention creates a method for functional measurement in a road toll system with a control center and at least one vehicle-supported onboard unit, which continuously generates position fixes and associated quality measurement values from raw satellite data and sends toll data based thereon to the control center, comprising: Detecting a drop in measured quality values below a specified minimum quality measure in the onboard unit, in the case of detection, logging an error data record with at least the last position fix before detection and the first position fix (pn) generated after the end of the response in the onboard unit, sending the error data record from the onboard unit to the control center, and evaluation of the error data record in the control center.
  • 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 error locations in the road network at an early stage and to assign them geographically using the last position fix.
  • position determination errors from GNSS OBUs can be evaluated immediately or only with a short transmission time delay, continuously and - if the OBUs are distributed accordingly - comprehensively in the control center.
  • different GNSS-related errors in the road toll system such as interference signals, shadowing of the Satellite signals etc. and their causes, for example local or mobile sources of interference (“jammers”) or geographic conditions such as mountains or tunnels.
  • targeted measures to eliminate errors can be initiated at the fault locations defined by the last position fixes, e.g. setting up stationary position transmitters, support beacons, satellite signal repeaters or the like, or identifying and eliminating sources of interference signals, etc.
  • the error data set generated by the onboard unit contains a time stamp of the last position fix mentioned.
  • time-dependent errors and error causes, e.g. time-varying or periodic interference signals, unfavorable satellite constellations or shadowing of the satellite signals depending on weather events or by vegetation during the growing season etc..
  • the movement of a mobile jamming signal source can be precisely tracked in order to identify, for example, "jammers" who deliberately send jamming signals to prevent correct toll collection, using traffic cameras and/or emergency vehicles.
  • the error data record also contains the first position fix generated after the response or detection has ended.
  • the error data record preferably also contains a time stamp of the first position fix mentioned.
  • the error data record also contains at least one quality measurement value generated during the response of the failure detector or the detection of the failure.
  • the quality measurement value contains 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—occurring randomly or locally frequently—could be recognized.
  • the measured quality value contains, for example, the respective signal level of the satellites used to generate the associated measured position value and/or a signal-to-noise ratio of the satellite signals, interference signals or signal attenuation can also be indicated - e.g. as a result of local, possibly even moving jammers or weather events or shadowing through mountains or forest - can be inferred.
  • an error data record can contain not only one, but also a sequence of quality measurement values generated during the response of the failure detector, which allows an evaluation of the course of the quality measurement values and thus even more precise conclusions, e.g. about possibly different causes of error.
  • the error data set preferably also contains raw satellite data received during the response of the failure detector or detection of the failure and/or sensor measurement values generated in a sensor element, which creates further bases for later determination of possible causes of the error.
  • the failure detector contains a watchdog which can be re-triggered by each generated position fix. This represents a particularly simple, reliable component for the failure detector.
  • At least a second error data record generated and sent by a second onboard unit in the manner mentioned is received in the control center and the error data records of the at least two onboard units are validated against one another during the evaluation.
  • a road toll system 1 which is based on onboard units (OBUs) 2, which are carried by vehicles 3 in order to use their location in one Network of roads 4 to be tolled or charged.
  • OBUs onboard units
  • the use of the location can be, for example, driving on a specific segment of a road 4, crossing a border, staying in a specific geographic area, or the like. and billed in any way you like, e.g. per road segment, distance driven, time spent in an area (e.g. parking time) etc.
  • each onboard unit 2 has a satellite navigation receiver 5, which consists of satellite signals 6 from navigation satellites 7 ( 1 ) of a global satellite navigation system (Global Navigation Satellite System, GNSS) continuously determines the position of the onboard unit 2 and as position fixes p 1 , p 2 , ..., generally p i , with associated measured quality values q 1 , q 2 , ... , generally q i .
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • Each measured quality value q i of a position fix p i can contain various quality parameters, for example the number, signal level and/or signal-to-noise ratio of the signals 6 from the navigation satellites 7 used to determine the respective position fix p i , e.g. also in the evaluated form of DOP values (Dilution of precision), as provided by commercial satellite navigation receivers 5 for each position fix p i .
  • DOP values Diution of precision
  • the satellite navigation receiver 5 can also output the "raw" satellite data on which they are based, e.g. sections of the satellite signals 6, or processing data formed during the generation of the position fixes p i , hereinafter referred to as "raw satellite data" r i called.
  • the position fixes p i , measured quality values q i or raw satellite data r i can be output on separate outputs of the satellite navigation receiver 5, on a common output in multiplexing or on a common bus in separate data packets.
  • the onboard unit 2 is also connected to a radio transceiver 8, e.g 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 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.
  • one or more sensor elements 10, eg speed or acceleration sensors, can also be provided, which can be arranged in the onboard unit 2 itself or--connected to the onboard unit 2--in the vehicle 3 and sensor measured values m i , eg speed , acceleration or location measurements approximated therefrom.
  • a sensor element 10 can also be formed by the radio transceiver 8, in which case the sensor measurement values are m i metadata of the radio transceiver 8, e.g 8 is located.
  • the processor 9 generates toll data M from the sequence ⁇ p i ⁇ of position fixes p i in order to send them to a control center 13 of the road toll system 1 using the radio transceiver 8 via the radio connection 11 and the radio station 12 .
  • the toll data M can be, for example, toll charges that are generated by a map comparison ("map-matching") of the fixed position sequence ⁇ p i ⁇ with a digital map of toll roads 4 or locations stored in the onboard unit 2 .
  • the toll data M could also be the position fixes p i itself, which are sent individually or—if desired, filtered according to quality—combined into a bundle at any or predetermined times, according to predetermined routes, or simply when a radio link 11 is available via the radio transceiver 8 . In the latter case, card comparison and fee calculation can take place in the control center 13, for example.
  • the vehicles 3 drive through a geographic 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 or shadowed, so that the measured quality values qi drop and/or the respective satellite navigation receivers 5 do not generate any position fixes p i .
  • the satellite navigation receiver 5 generates at times t 1 , t 2 , ..., generally t i , from the satellite raw data r i (not shown). position fix p i ( Figure 3a ) and an associated quality measure q i ( 3c ). If the vehicle 3 travels through the geographical area 14 mentioned, the satellite navigation receiver 5 does not generate any position fixes p i over a period of time e, but generally continues to generate measured quality values q i .
  • the following components and methods are used to detect and measure errors in the position determination of the onboard unit 2 and thus the toll payment function of the road toll system 1, e.g. as a result of signal interference and/or shadowing of the satellite signals 6.
  • the onboard unit 2 has a failure detector 15 connected to the satellite navigation receiver 5, which responds and generates an output signal s ( Figure 3e ) generates, for example, a logical "high” signal or a logical "1" when it detects a drop in measured quality values q i below a predetermined minimum quality measure Q min .
  • the failure detector 15 can have a watchdog 16, for example in the form of a deadman or retriggerable monoflop circuit, which starts with each new position fix p i is triggered again at its input for the minimum period of time ⁇ and thus at its (here: inverted) output a detection signal d ( Figure 3b ) if no new position fix p i arrives within the stated minimum time period ⁇ .
  • a watchdog 16 for example in the form of a deadman or retriggerable monoflop circuit, which starts with each new position fix p i is triggered again at its input for the minimum period of time ⁇ and thus at its (here: inverted) output a detection signal d ( Figure 3b ) if no new position fix p i arrives within the stated minimum time period ⁇ .
  • the failure detector 15 can have a comparator 17 for detecting event (b), which compares the incoming measured quality values q i with a minimum quality measure Q min and, if the measured quality values q i fall below the minimum quality measure Q min , generates an output signal c ( 3d ) outputs.
  • the comparator 17 it could be desirable to simplify this comparison for the comparator 17 to first combine a measured quality value qi containing a number of parameters (dimensions) into a single global quality measure Qi ; alternatively, the minimum quality measure Q min could have separate individual threshold values for a number of quality parameters contained in a quality measurement value q i .
  • the output signals c of the watchdog 16 and d of the comparator 17 can, for example, be linked by a simple OR circuit 18 to form the output signal s of the failure detector 15.
  • a complex evaluation logic can also be provided which, for example, also takes into account the time behavior of the signals c and d. 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 controls a logger 19, which generates an error data set F in the event of the aforementioned events (a) and/or (b) and keeps it ready for the processor 9 to send via the radio transceiver 8 to the control 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 can preprocess the error data record F, for example by separating redundant or irrelevant data, adding environment data from the environment of the onboard unit 2 or internal status data of the onboard unit 2, data summary etc. depending on the situation.
  • the error data records F received are evaluated in the control center 13 .
  • this evaluation can be carried out individually, i.e. the error data records F of an onboard unit 2 are considered individually, on the other hand, several error data records F of different onboard units 2 can also be received, evaluated together and, for example, validated against one another.
  • the error data records F are determined depending on the location of the position fixes p m , p n , ⁇ p i ⁇ specified therein and, if recorded, their time stamps t m , t n , ⁇ t i ⁇ , quality measurement values q m , q n , ⁇ q i ⁇ , satellite raw data ⁇ r i ⁇ and/or sensor readings ⁇ m i ⁇ are considered and analyzed for possible sources of error in order to prepare measures to eliminate them.
  • geographical interference and shadowing areas 14 of the satellite reception as well as possibly their time dependency can be determined during the evaluation by comparing the error data sets F with a digital map.
  • permanent shadowing e.g.
  • the onboard unit 2 as a whole or its individual components, such as the failure detector 15, the logger 19 or parts thereof, can be implemented both as hardware components and as software objects, for example 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 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 und dem ersten nach Beendigung des Ansprechens erzeugten Positionsfix (pn) 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 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 und dem ersten nach Beendigung des Ansprechens erzeugten Positionsfix (pn) 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 -AbdeckungimStraßenmautsystemeinerzentralenAuswertung 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, enthält der Fehlerdatensatz auch den ersten nach Beendigung des Ansprechens bzw. Detektierens erzeugten Positionsfix. 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 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, den der Satellitennavigationsempfänger 5 gerade noch vor dem Ansprechen des Ausfallsdetektors 15 erzeugt hat, und den ersten unmittelbar nach Beendigung des Ansprechens des Ausfallsdetektors 15 erzeugten Positionsfix pn auf, wenn gewünscht auch mit zugehörigem Zeitstempel tn, 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;
    • die zum genannten letzten und/oder ersten Positionsmesswert 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 (13)

  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 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 und den ersten nach Beendigung des Ansprechens erzeugten Positionsfix (pn) 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 einen Zeitstempel (tn) des genannten ersten Positionsfixes (pn) enthält.
  4. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch zumindest einen während des Ansprechens erzeugten Qualitätsmesswert (qi) enthält.
  5. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch während des Ansprechens empfangene Satellitenrohdaten (ri) und/oder in einem Sensorelement (10) erzeugte Sensormesswerte (mi) enthält.
  6. Onboard-Unit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfallsdetektor (15) einen Watchdog (16) enthält, welcher von jedem erzeugten Positionsfix (pi) neu anstoßbar ist.
  7. 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 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 und dem ersten nach Beendigung der Detektion erzeugten Positionsfix (pn) 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).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tm) des genannten letzten Positionsfixes (pm) enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch einen Zeitstempel (tn) des genannten ersten Positionsfixes (pn) enthält.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch zumindest einen während der Detektion erzeugten Qualitätsmesswert (qi) enthält.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdatensatz (F) auch während der Detektion empfangene Satellitenrohdaten (ri) und/oder in einem Sensorelement (10) erzeugte Sensormesswerte (mi) enthält.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, 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.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, 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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