NO337318B1 - System og fremgangsmåte for å fastslå momentanhastighet for et objekt - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system og en fremgangsmåte for på pålitelig måte å fastslå momentanhastigheten til et objekt som beveger seg langs en kjent bane, spesielt et kjøretøy slik som et tog.

Patentsøknad WO 02/03094 inngitt 29. juni 2001, beskriver et system for på pålitelig måte å lokalisere et objekt slik som et tog, basert på utsendelser av signaler utført av en gruppe GNSS-satellitter (Global Navigation Satellite System).

Pålitelig lokalisering av et objekt med satellitter er beskrevet i patentsøknaden US-A-5978735 (Gu og Al.) 2. november 1999. Publikasjonen US-B1-6 292 132 datert 18. september 2001 omtaler et system og en fremgangsmåte for forbedret nøyaktighet ved lokalisering og opprettholdelse av posisjoner ved bruk av GPS. Ytterligere bakgrunnsstoff finnes i US-A-5977909 (Harrison og Al.) 2. november 1999 og patentsøknad US-A-4 405 986 (Gray et al.).

I forbindelse med jernbaner blir pålitelig lokalisering forstått i betydningen av Cenelec 50129-standarden. Den angår tilveiebringelse av et lokaliseringsintervall med ekstremt lav sannsynlighet (fra 10"<09>til 10"<12>) for at toget kan være utenfor dette intervallet.

Når det gjelder å fastslå momentanhastigheten har konvensjonelle systemer basert på elektromekaniske anordninger ulempen med å være ekstremt kost-bare. For å forbedre påliteligheten benytter de en kombinasjon av sensorer som detekterer akselrotasjon og som må motstå akselerasjoner større enn 90 G, enkeltakse-akselerometre og ombord-værende radarsystemer.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe et system for å etablere momentanhastigheten som har et pålitelighetsnivå som er nødvendig for jernbaner, til en pris som er langt lavere enn eksisterende systemer.

Oppfinnelsen angår derfor et system for på en pålitelig måte å fastslå momentanhastigheten til et objekt som beveger seg langs en kjent bane, spesielt et kjøretøy slik som et tog, idet systemet omfatter: - anordninger for tilnærmet lokalisering av objektet og retningen av dets bevegelse, og - anordninger for å motta minst ett signal utsendt ved en forutbestemt frekvens, kjent for objektet, fra minst én satellitt, og

- anordninger for å beregne og analysere signalet, omfattende:

- anordninger for å måle frekvensforskyvningen til signalet som er mottatt, i forhold til den forutbestemte frekvensen til signalet som er utsendt, idet anordningene er forbundet med - anordninger for å fastslå vektordifferansen til hastighetene til objektet og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, og - anordninger for å beregne momentanhastigheten i bevegelsesretningen til objektet basert på vektordifferansen som er fastslått tidligere. Målingene av frekvensforskyvningen og de tilhørende beregningene blir gjentatt uavhengig på signaler fra minst to forskjellige satellitter, og beregnings- og analyseanordningene omfatter videre anordninger for å kombinere de oppnådde resultatene uavhengig for å fremskaffe en momentanhastighet med

det ønskede pålitelighetsnivå.

Andre trekk ved oppfinnelsen er:

- anordningene for å beregne og analysere signalet for objektet er innrettet for å fastslå frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten, mellom to signaler som hvert er fra to separate satellitter, idet anordningene for å fastslå momentanhastigheten til objektet er innrettet for å fastslå hastigheten basert på frekvensforskyvningen til de to signalene, - de benytter signalene fra fire satellitter, kombinasjonsanordninger som bruker momentanhastighetene som er fremskaffet ved hjelp av beregningsanord-ningene basert på seks satellittpar, der hver satellitt tilhører minst ett par, - idet anordningene for å beregne og analysere signalet vider omfatter en stabil tidsreferanseanordning, hvor anordningene for å fastslå momentanhastigheten til objektet, er innrettet for å fastslå denne hastigheten basert på frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten til et enkelt signal fra en enkelt satellitt,

- den benytter signalene fra tre satellitter, og

- den omfatter anordninger for å motta det signalet som er lokalisert ved to separate punkter for objektet, og som er i stand til samtidig å motta signalet ved de to punktene, idet mottaksanordninger er forbundet med anordninger for å beregne den bane som tilbakelegges av signalet, som er i stand til å fastslå at signalet har nådd de to punktene for mottaksanordningene via forskjellige baner og for å fjerne, for en forutbestemt tidsperiode, den satellitten som sendte signalet, fra listen over satellitter for hvilke de tidligere definerte hastighetsberegningene er autorisert.

Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte for å fastslå momentanhastigheten til et objekt som beveger seg langs en kjent bane, idet fremgangsmåten omfatter følgende trinn:

- å fastslå den tilnærmede posisjonen og bevegelsesretningen til objektet,

- å motta minst ett signal utsendt ved en forutbestemt frekvens, kjent for objektet, fra minst én satellitt,

- å måle frekvensen til signalet som er mottatt av objektet,

- å måle frekvensforskyvningen til det signalet som er mottatt, i forhold til den forutbestemte frekvensen til det utsendte signalet, - å fastslå vektordifferansen mellom hastighetene til objektet og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, og - å beregne momentanhastigheten til objektet i bevegelsesretningen til objektet basert på momentanhastigheten som tidligere er fastslått.

Ytterligere trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse fremkommer fra de tilhørende patentkravene.

Oppfinnelsen vil bli bedre forstått fra en gjennomgang av den følgende be-skrivelse som kun er gitt som eksempel og under henvisning til tegningene, hvor: - Fig. 1 er en skjematisk tegning over en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, - Fig. 2 er en skjematisk tegning av anordningene for å beregne og analysere signalet,

- Fig. 3 er en illustrasjon av sammensetningen av hastigheter, og

- Fig. 4 er en skjematisk tegning av en konstruksjonsvariant av oppfinnelsen.

Systemet for å fastslå momentanhastigheten blir beskrevet under henvisning til fig. 1.

La 1 betegne et objekt som vil bli antatt å være et tog, som et eksempel, som beveger seg langs en kjent bane 2.

Det omfatter lokaliseringsanordninger 3 av den samme type som de som er beskrevet i PCT-patentsøknad WO 02/03094, som derfor er i stand til å fastslå, på en pålitelig måte, posisjonen til toget 1 på sporet, basert på signaler fra en gruppe GNSS-satellitter 4, 5 og kart over det nettverket som toget beveger seg på.

Toget 1 er forsynt med anordninger 6 for å motta signaler utsendt av satellittene 4, 5. Mottaksanordningene 6 omfatter antenner og elektronikkmoduler som opererer ved superhøye frekvenser, som velkjent for fagkyndige på området, og som er forbundet med lokaliseringsanordningene 3 for å forsyne dem med signalene fra satellittene 4, 5.

Lokaliseringsanordningene 3 er forbundet med en database 7 for kartet over jernbanenettet. Den databasen skisserer på konvensjonell måte sporene i form av en rekkefølge av rettlinjede segmenter, hvor hver ende av disse blir uttrykt ved å bruke WGS84-koordinatsystemet for GNSS-systemet.

Som forklart i patentsøknad WO 02/03094, tilveiebringer lokaliseringsanordningene 3 et lokaliseringsintervall for toget med en sannsynlighet på mindre enn 10"<9>for at toget kan være utenfor dette intervallet.

Lokaliseringsintervallet gjør det mulig å fastslå bevegelsesretningen.

I samsvar med banen til sporet blir bevegelsesretningen forstyrret av en variabel vinkelunøyaktighet. Unøyaktigheten er forbundet med to faktorer: - unøyaktigheten til kartdatabasen for de, som antydet ovenfor, sporet er modellert i form av en rekke rettlinjede segmenter, og - den unøyaktigheten som er forbundet med lokaliseringen. Hvis lokaliseringsintervallet svarer til en rettlinjet seksjon av sporet, så er retningen korrekt kjent. Hvis sporseksjonen er buet, kan imidlertid lokaliseringsintervallet dekke et antall rettlinjede segmenter som har forskjellige retninger.

Signalet som er mottatt fra satellittene 4, 5 av mottakeranordningen 6, blir også overført til anordningen 8 for å beregne og analysere dette signalet.

De omfatter (fig. 2) en anordning 10 for å måle frekvensforskyvningen til signalet som er mottatt, for hver satellitt, under henvisning til en intern atomklokke 11. Frekvensforskyvningen skyldes Doppler-effekten som er tilveiebrakt av de relative hastighetene til toget 4 og satellitten.

Disse måleanordningene 10 er derfor forbundet med en anordning 12 for å fastslå vektordifferansen til hastighetene til toget og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne den Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, hvilken anordning 12 selv er forbundet med anordninger 13 for å beregne momentanhastigheten i bevegelsesretningen til objektet basert på momentanhastigheten som tidligere er fastslått.

Frekvensforskyvningen blir generert av Doppler-effekten i henhold til formelen:

hvor fR er frekvensen til det signal som er mottatt, fr er frekvensen til signalet som er utsendt av satellitten, vrer vektoren for den relative satellitt/objekt-hastigheten, fig. 3, a er enhetsvektoren rettet langs linjen fra objektet til satellitten, referert til som siktlinjen, og c er lyshastigheten.

Produktet vr• a svarer til projeksjonen av den relative hastighetsvektoren på siktlinjen til satellitten.

Vektoren vrforden relative hastigheten, svarer til differansen mellom hastighetsvektoren til satellitten vsog hastighetsvektoren til objektet v0,

Anordningen 12 for å fastslå vektordifferansen mellom hastighetene omfatter en anordning 12A for å beregne hastigheten vstil satellitten ved å bruke efe-meriske data og banemodellen til satellitten, hvilke data blir lastet ned fra satellittene under et forutgående trinn.

De omfatter også anordninger 12B for å beregne enhetsvektoren a til siktlinjen fra posisjonen til objektet og posisjonen til satellitten.

Anordningene 12 for å fastslå vektordifferansen mellom hastighetene til toget 1 og satellitten i satellitt/objekt-retningen, dvs. (vs-v0)»a, for å beregne den i samsvar med ligningen:

som er utledet fra ligningene (1) og (2).

Anordningene 13 for beregning av momentanhastigheten til toget i samsvar med bevegelsesretningen til dette, er frembrakt basert på momentanhastigheten til objektet i satellitt/objekt-retningen fastslått tidligere, dvs. v0«a, og verdien av vektoren a uttrykt i det lokale referansesystemet til sporet (hvor hastigheten til toget

har en entydig komponent langs sporet).

Disse målingene og beregningene blir uavhengig gjentatt for en rekke forskjellige satellitter. Kombinasjonen av de oppnådde resultatene utført ved hjelp av anordningene 14, muliggjør så å fastslå et konfidensintervall for hastigheten med en lav sannsynlighet (fra 10-<09>til 10-<12>) for at hastigheten er utenfor intervallet.

På denne måten muliggjør tre målinger fra tre forskjellige satellitter, hver ut-ført med et konfidensintervall med en feilsannsynlighet på fra 10"<5>til 10"<6>, ved første forsøk fordi de er uavhengige målinger, å oppnå et konfidensintervall med en sannsynlighet bedre enn 10-<15>. I virkeligheten viste det seg at på grunn av gitte feil, er den oppnådde sannsynligheten med tre satellitter bare i størrelsesorden 10-12

Målingene som ble utført av anordningen 11 for å måle frekvensforskyvningen, blir ødelagt av et gitt antall feil, slik som forskyvningshastigheten 5t0til klokken i mottakeren i forhold til systemtiden, idet tidsforskyvningshastigheten 8tD på grunn av atmosfæriske fenomener, gjør at støyen i mottakeren, ... og forskyvningshastigheten 8tstil klokken i satellitten i forhold til systemtiden.

Skulle toget være forsynt med et atomur, som beskrevet ovenfor, kan forskyvningshastigheten 5t0til klokken i mottakeren anses som neglisjerbar.

Siden et atomur er forholdsvis kostbart utstyr, er det imidlertid spesielt fordelaktig å ha et system som ikke krever bruk av et slikt, og som derfor gjør det mulig å kompensere for effekten 5t0.

Ved å uttrykke at frekvensforskyvningsmålingen er i form av en tidsmessig variasjon av avstanden, dvs. ved å multiplisere frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten med bølgelengden til signalet, kan den tidsmessige variasjo nen til tog/satellitt-avstanden som er målt, p (på engelsk "pseudoavstand/hastighet") slik at:

hvor R er den tidsmessige variasjonen til den geometriske tog/satellitt-avstanden (på engelsk "geometrisk avstandshastighet"). Gitt at forskyvningshastigheten til klokken i satellitten, utledet fra naviga-sjonsmeldingen fra satellitten, er uttrykt som en konstant referert til som afi, så er Ved å uttrykke ligning (3) for å ankomme til den tidsmessige avstandsvariasjonen,

Pr. definisjon er den tidsmessige avstandsvariasjonen lik -X • Doppler.

Den tidsmessige avstandsvariasjonen p som er målt, blir uttrykt som det negative produktet av bølgelengden til signalet multiplisert med den Doppler-effekten som er fastslått ved hjelp av mottakeren (Li Doppler), p = - XT -I^Doppler.

Kombinering av ligningene (5) og (6) gir så:

Ved å bruke signaler fra to satellitter si ogS2, og ved å kombinere de tilsvar-ende ligningene (7), blir det oppnådd at:

Forskyvningshastigheten 6t0fra mottaksklokken er eliminert.

Anordningene 12 for beregning av vektordifferansen bruker derfor den relative frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten til to signaler fra hver av to separate satellitter for å eliminere den forskyvningen som er forbundet med mottaksklokken, for derved å unngå bruk av en presisjonsklokke, slik som et atomur, på toget 1.

For å oppnå den nødvendige nøyaktighet for å fastslå hastigheten på en pålitelig måte, må imidlertid målingene utføres med signalene til minst tre satellitter når et atomur blir brukt, som forklart ovenfor.

For å oppnå den samme grad av nøyaktighet uten å bruke et atomur, og derfor bruke beregningene vedrørende to satellitter som forklart ovenfor, er det nødvendig å bruke en gruppe med minst fire satellitter, som derfor utgjør seks forskjellige par, for å ha ekvivalenten til tre par med uavhengige målinger.

Fremgangsmåten for å fastslå momentanhastigheten til et objekt som beveger seg langs en kjent bane, omfatter følgende trinn:

- å fastslå den tilnærmede posisjonen og bevegelsesretningen til objektet,

- å motta minst ett signal utsendt ved en forutbestemt frekvens om er kjent for objektet, fra minst én satellitt,

- å måle frekvensen til signalet som er mottatt av objektet,

- å måle frekvensforskyvningen til signalet som er mottatt, i forhold til den forutbestemte frekvensen til det utsendte signalet, - å fastslå vektordifferansen til hastighetene til objektet og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne den Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, og - å beregne momentanhastigheten til objektet i objektets bevegelsesretning basert på momentanhastigheten som tidligere er fastslått.

Alle de ovennevnte beregningene er blitt utført under antagelse av at signalet følger en direkte bane mellom satellitten og toget.

Det er velkjent at bølger kan reflekteres fra visse overflater, og at det derfor er mulig for toget å motta et reflektert signal i stedet for det direkte signalet.

Det vil bli forstått at det fører til et ytterligere feilnivå som forfalsker frekvensforskyvningen til det mottatte signalet.

Fenomenet med den "alternative banen" inntreffer bare i spesielle omgivel-ser, slik som ved bevegelse gjennom en urban sone.

En anordning for å eliminere de signalene som oppstår fra "den alternative banen" består i å installere to antenner ved separate punkter i toget, typisk om-kring 20 meter fra hverandre.

Ved å utføre en måling av Doppler-effekten på signalene som er mottatt samtidig ved hver antenne, blir det fastslått om målingen er forskjellig eller ikke.

Hvis den er forskjellig, betyr det at det signalet som er mottatt av én av de to antennene, er fra en "alternativ bane".

På fig. 4 fortsetter toget 1 og kommer f.eks. inn i en sone hvor en bygning 25 befinner seg. I det øyeblikket innfanger ikke lenger antennen 20 det direkte signalet fra satellitten 4, i motsetning til antennen 21, men i stedet et signal reflektert av bygningen 25.

Noen få øyeblikk senere, idet toget fortsetter, kommer den andre antennen 21 inn i sonen ved bygningen 25.

I det øyeblikk, siden to antenner innfanger det samme signalet som er reflektert av bygningen 25, detekterer måleanordningen ikke lenger noen forskjell mellom de to signalene.

En tidsforsinkelse blir følgelig tilveiebrakt i form av en forsinkelse og en tilbakelagt avstand i løpet av hvilken signalet fra satellitten 4 ikke blir brukt, og denne tidsforsinkelsen blir reinitialisert hver gang det observeres en divergens. Satellitten 4 i eksempelet vil derfor bli brukt på nytt etter at en periode med kohe-rent måling er blitt observert og/eller toget har tilbakelagt en gitt avstand uten av noen divergens er blitt observert, eller andre tilstander kan tilknyttes dette.

Systemet og fremgangsmåten som er beskrevet på denne måten, gjør det derfor mulig på en fordelaktig måte å fastslå hastigheten til et tog med de nødven-dige pålitelighetsnivåer. Derfor er det langt mindre kostbart enn tidligere systemer, fordi det ikke bruker noen mekanisk komponent eller komponenter utsatt for kraf-tige omgivelsesmessige begrensninger.

Claims (7)

1. System for på en pålitelig måte å fastslå momentanhastigheten til et objekt (1) som beveger seg langs en kjent bane, spesielt et befordringsmiddel slik som et tog, omfattende: - anordninger (3, 7) for tilnærmet lokalisering av objektet og dets bevegelsesretning, og - anordninger (6) for å motta minst ett signal utsendt ved en forutbestemt frekvens, som er kjent for objektet, fra minst én satellitt (4,5), og - en anordning (8) for å beregne og analysere signalet, omfattende: - en anordning (10) for å måle frekvensforskyvningen av signalet som er mottatt, i forhold til den forutbestemte frekvensen til det utsendte signalet, hvor anordningen (10) er forbundet med - en anordning (12) for å fastslå vektordifferansen mellom hastighetene til objektet og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne den Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, ogkarakterisert vedat anordningen (8) for å beregne og analysere signaler for objektet, er innrettet for å fastslå den frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten til de to signalene, hvert fra to separate satellitter (4, 5), idet anordningen (13) for å fastslå momentanhastigheten til objektet er innrettet for å fastslå en hastighet basert på frekvensforskyvningen til de to signalene og der målingene av frekvensforskyvningen og de tilhørende beregningene blir gjentatt uavhengig på signaler fra minst to forskjellige satellitter, og ved at beregnings- og ana-lyseanordningen (8) videre omfatter en anordning (14) for å kombinere de resultatene som er oppnådd uavhengig, for å fremskaffe en momentanhastighet med det ønskede pålitelighetsnivå.

2. System ifølge krav 1, karakterisert vedat anordningen (8) for å beregne og analysere signalet er tilpasset til målingen av frekvensskiftet som følge av Dopplereffekten for to signaler, hver fra to separate satellitter (4,5) og der anordningen (13) for å fastslå momentanhastigheten til objektet er innrettet for å fastslå denne hastigheten basert på frekvensforskyvningen for de to signalene.

3. System ifølge krav 1, karakterisert vedat det er innrettet for å benytte signalene fra fire satellitter, idet kombineringsanordningen (14) er innrettet for å benytte momentanhastighetene som er fremskaffet ved hjelp av beregningsanordningen (13) basert på seks satellittpar, der hver satellitt tilhører minst et par.

4. System ifølge krav 1, karakterisert vedat anordningen for å beregne og analysere signalet, videre omfatter en stabil tidsreferanseanordning, der anordningen for å fastslå momentanhastigheten til objektet er innrettet for å fastslå denne hastigheten basert på den frekvensforskyvningen som skyldes Doppler-effekten til et enkelt signal fra en enkelt satellitt.

5. System ifølge krav 4, karakterisert vedat det benytter signalene fra tre satellitter.

6. System ifølge noen av de foregående krav, karakterisert vedat det omfatter anordninger for å motta signalet, som er lokalisert ved to separate punkter på objektet, og som er i stand til samtidig å motta signalet ved disse to punktene, idet mottakeranordningene er forbundet med anordninger for å beregne den bane som tilbakelegges av signalet som er i stand til å fastslå at signalet har nådd de to punktene for mottaksanordningene via forskjellige baner, og for å fjerne for en forutbestemt tidsperiode, den satellitten som sendte signalet, fra listen over satellitter som er autorisert for tidligere hastighets-beregninger.

7. Fremgangsmåte for å fastslå momentanhastigheten til et objekt som beveger seg langs en kjent bane, omfattende følgende trinn: - å fastslå den tilnærmede posisjonen og bevegelsesretningen til objektet, - å motta minst ett signal utsendt ved en forutbestemt frekvens som er kjent for objektet, fra minst én satellitt, - å måle frekvensen til det signalet som er mottatt av objektet, - å måle frekvensforskyvningen til signalet som er mottatt, i forhold til den forutbestemte frekvensen til det utsendte signalet, - å fastslå vektordifferansen mellom hastighetene til objektet og satellitten i satellitt/objekt-retningen ved å beregne den Doppler-effekten som har generert frekvensforskyvningen, og -karakterisert vedat den omfatter trinnene av -å beregne momentanhastigheten til objektet i bevegelsesretningen til objektet basert på vektordifferansen som er fastslått tidligere og bevegelsesretningen til objektet.