DE19735161C1 - Position locating device e.g. for railway vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ortsbestimmung streckengebundener Fahrzeuge un ter Verwendung eines Sensors zur Erfassung ortsspezifischer Daten.The present invention relates to a device and a Procedure for determining the location of track-bound vehicles and ter using a sensor to capture site-specific Data.
Zukünftige Betriebsleitsysteme im schienengebundenen Verkehr benötigen im Zuge fortschreitender Automatisierung eine Or tung, die bis auf etwa einen Meter genau ist. Wenn ein beste hendes Streckennetz aus Gründen der Wirtschaftlichkeit besser ausgelastet werden soll, ist ebenfalls eine genauere Ortung der Züge erforderlich. Bislang werden zur Zugsicherung und - ortung streckengebundene Einrichtungen verwendet; daraus re sultieren hohe Investitions- und Wartungskosten. Die beste henden Systeme können nur getrennt voneinander eingesetzt werden. Eine Möglichkeit, zu einer genaueren Zugortung zu ge langen, besteht in der Satellitennavigation (GPS). Dabei auf tretende Ungenauigkeiten z. B. durch Mehrwegeausbreitung der Signale und Abschattung der Signale durch Gebäude, Bäume oder ähnliche Hindernisse und das Wegfallen der Satellitennaviga tion, wenn der Zug z. B. durch einen Tunnel fährt, führen da zu, daß die hohen Ansprüche an die Genauigkeit und die Zuver lässigkeit derartiger Systeme nicht ausreichend erfüllt wer den.Future operational control systems in rail-bound traffic need an Or in the course of progressing automation tion that is accurate to about a meter. If a best existing route network better for reasons of economy to be used to capacity, is also a more accurate location of trains required. So far for train protection and - location-based facilities used; from it right result in high investment and maintenance costs. The best existing systems can only be used separately become. One way to get to a more accurate train location long, consists in satellite navigation (GPS). Doing so occurring inaccuracies z. B. by multipath Signals and shadowing of the signals by buildings, trees or similar obstacles and the elimination of the satellite naviga tion when the train z. B. drives through a tunnel, lead there to that the high demands on accuracy and reliability of such systems is not sufficiently fulfilled the.
Zur Geschwindigkeits- und Abstandsmessung werden auch Radar systeme, die nach dem Dopplerprinzip arbeiten, verwendet. Bei einem derartigen Radarsystem wird ein Signal, z. B. eine elektromagnetische Welle im Millimeter- oder Mikrometerbe reich, abgestrahlt, von einem Meßobjekt reflektiert und wie der empfangen. Eine aus der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem Meßobjekt resultierende Dopplerverschie bung der Signalfrequenz wird zur Geschwindigkeitsbestimmung verwendet. Für eine Abstandsbestimmung kann das Signal zu sätzlich moduliert werden.Radar is also used to measure speed and distance systems that work according to the Doppler principle. At such a radar system, a signal, for. Legs electromagnetic wave in millimeter or micrometer range rich, radiated, reflected from a measurement object and how who received. One from the relative speed between Doppler shift resulting from the sensor and the measurement object Exercise of the signal frequency is used to determine the speed used. The signal can be used to determine the distance can also be modulated.
In der DE 196 11 774 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Eigenortung eines Schienenfahrzeuges beschrieben, bei der ein Satellitennavigationssystem und ein Radarsystem vorhanden sind. Fällt die Satellitenortung aus, wird das mit tels Radar gewonnene Gleisbild mit einem in einem Referenz speicher anhand eines Streckenatlas abgelegten Gleisbild ver glichen und daraus die Position des Fahrzeuges bestimmt.DE 196 11 774 A1 describes a method and a device device for locating a rail vehicle, in which a satellite navigation system and a radar system available. If the satellite location fails, it will work with tle radar track diagram with one in a reference memory stored track diagram using a route atlas and determined the position of the vehicle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Eigenortung eines strecken gebundenen Fahrzeuges anzugeben.The object of the present invention is an improved Device and a method for self-locating a stretch to indicate bound vehicle.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 5 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is accomplished with the device and the method 5 solved the features of claims 1 and 5. Configurations result from the dependent claims.
Die Erfindung, die insbesondere zur spurgebundenen Ortung mittels Dopplerradar geeignet ist, bietet zum einen den Vor teil einer fahrzeugseitigen Realisierung und liefert zum an deren die erforderliche Genauigkeit. Die Grundidee besteht in der Erfassung von Umweltinformationen durch verschiedene Sen soren. Dadurch ist es möglich, aktuell beim Befahren einer Strecke erfaßte Signale mit abgespeicherten Signalinforma tionen ("Streckenatlas") zu vergleichen und auf diese Weise die Position des Fahrzeuges sicher und sehr genau zu bestim men. Da das aktuell erfaßte Signal von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abhängt, sieht die Erfindung die Umrechnung des Signals in ein mit dem Streckenatlas vergleichbares Si gnal vor. Hilfsweise kann eine Reihe verschiedener Sensoren vorgesehen werden, die jeweils Teile der auszuwertenden Orts information beisteuern.The invention, in particular for track-based location using Doppler radar, on the one hand, offers the advantage part of a vehicle-side implementation and delivers to whose the required accuracy. The basic idea is in the collection of environmental information by various sen soren. This makes it possible to get current when driving on a Route detected signals with stored signal information tions ("Route Atlas") and compare in this way to determine the position of the vehicle safely and very precisely men. Since the currently detected signal from the speed depends on the vehicle, the invention provides the conversion of the signal into a Si comparable to the route atlas gnal before. Alternatively, a number of different sensors can be used are provided, each part of the location to be evaluated contribute information.
Es folgt eine genauere Beschreibung der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4. There follows a more detailed description of the invention with reference to FIGS. 1 to 4.
Fig. 1 zeigt als Beispiel schematisch ein Schienenfahrzeug mit einer Vielzahl eingebauter Sensoren und Vor richtungen zur Ortsbestimmung. Fig. 1 shows an example schematically a rail vehicle with a variety of built-in sensors and devices for determining the location.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines nachfol gend beschriebenen Auswertealgorithmus. Fig. 2 shows a diagram for explaining an evaluation algorithm described below.
Fig. 3 zeigt das Diagramm eines Frequenzspektrums, aus dem eine Geschwindigkeits- oder Ortsinformation ermit telt wird. Fig. 3 shows the diagram of a frequency spectrum from which a speed or location information is determined.
Fig. 4 zeigt einen Ablaufplan für den Vergleich aktueller Daten mit dem Streckenatlas. Fig. 4 shows a flow chart for the comparison of current data with the route atlas.
Fig. 1 zeigt ein Schienenfahrzeug 1, das mit einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist. Es ist ein Spei chermedium 2 vorhanden, in dem eine Datenbasis abgespeichert ist, anhand derer die Ortsidentifikation vorgenommen werden kann. Diese Datenbasis bildet eine Art Streckenatlas, der z. B. bei einem probeweisen Befahren der Strecke aufgenommen und abgespeichert wird. In einer zentralen Signalverarbei tungseinrichtung 3 werden die von verschiedenen Sensoren übermittelten Meßsignale verarbeitet und mit dem Streckenat las verglichen. Auf diese Weise ist es möglich, die momentane Position des Schienenfahrzeuges sehr genau zu bestimmen. Im Prinzip genügt dazu ein Sensor, der ortsabhängige Daten er faßt, die von der Signalverarbeitungseinrichtung in geeigne ter Weise in ortsidentifizierende Signale umgewandelt werden können. Als ein derartiger Sensor kann z. B. ein Empfänger 4 für Satellitennavigation vorgesehen sein. Fig. 1 shows a rail vehicle 1 which is equipped with a device according to the invention. There is a storage medium 2 in which a database is stored, on the basis of which the location identification can be carried out. This database forms a kind of route atlas, z. B. is recorded and stored during a test drive on the route. In a central signal processing device 3 , the measurement signals transmitted by various sensors are processed and compared with the route read. In this way it is possible to determine the current position of the rail vehicle very precisely. In principle, all that is needed is a sensor that detects location-dependent data that can be converted by the signal processing device in a suitable manner into location-identifying signals. As such a sensor z. B. A receiver 4 may be provided for satellite navigation.
Weitere Möglichkeiten bestehen darin, einen Gyrosensor 5, ei nen Sensor für Wegmarkenerkennung 6, einen Radimpulsgeber 7 oder einen Beschleunigungssensor 8 vorzusehen. Der Gyrosensor 5 arbeitet nach dem Prinzip des Kreiselkompasses und ist ge eignet, Verkippungen des Schienenfahrzeuges aus der Horizon talen festzustellen. Die Verwendung eines Sensors zur Wegmar kenerkennung setzt die Installation derartiger Wegmarken längs der Fahrstrecke voraus. Derartige Wegmarken, auch mit einem Fremdwort aus dem Französischen als Balisen bezeichnet, werden berührungslos von dem Sensor erkannt. Es handelt sich dabei also um eine Art automatisch erfaßter Kilometersteine. Der Radimpulsgeber 7 spricht auf die Umdrehungen der Räder oder Radachsen an und wird vorzugsweise induktiv betrieben. Wegen eines bei angetriebenen Rädern auftretenden Schlupfes, wird ein solcher Radimpulsgeber vorzugsweise an nicht ange triebenen Rädern installiert. Der Beschleunigungssensor 8 ist geeignet, Beschleunigungen in Fahrtrichtung, ggf. (für die Detektion von Kurvenfahrten) auch quer zur Fahrtrichtung zu bestimmen und ggf. auch Beschleunigungen in vertikaler Rich tung zu messen, um die Fahrzeugneigung vollständig zu erfas sen.Further possibilities are to provide a gyro sensor 5 , a sensor for waypoint recognition 6 , a wheel pulse generator 7 or an acceleration sensor 8 . The gyro sensor 5 works on the principle of the gyro compass and is suitable for determining tilting of the rail vehicle from the horizontal. The use of a sensor for path mark recognition requires the installation of such markers along the route. Such waymarks, also called a foreign word from the French as balises, are recognized by the sensor without contact. So it is a kind of automatically recorded milestones. The wheel pulse generator 7 responds to the revolutions of the wheels or wheel axles and is preferably operated inductively. Because of a slip occurring in driven wheels, such a wheel pulse generator is preferably installed on non-driven wheels. The acceleration sensor 8 is suitable for determining accelerations in the direction of travel, if appropriate (for the detection of cornering) also transversely to the direction of travel and possibly also for measuring accelerations in the vertical direction in order to completely record the vehicle inclination.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Radarsystem 9 realisiert. Das Radarsystem wird an der Unter seite des Fahrzeuges so installiert, daß ausgesandte Signale (vorzugsweise elektromagnetische Wellen, aber auch [Ultra- ]Schall oder Licht) von dem Untergrund reflektiert werden und aus der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ermittelt werden kann. Das empfangene Meßsignal eines solchen Radarsensors hängt von den ortsspezifischen Gegebenheiten ab. Das Meßsignal kann in die auftretenden Frequenzen zerlegt werden, was üblicherweise durch Fouriertransformation (vorzugsweise Fast Fourier Trans formation, FFT) geschieht. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein besonderes Verfahren verwendet, um die von einem Radarsensor gelieferte Information auszuwerten. Als Radarsensor wird z. B. ein Mikrowellensensor verwendet, der kontinuierlich auf den Untergrund, z. B. auf das Gleisbett, eine elektromagneti sche Welle als Signal abstrahlt, die dort von den statistisch verteilten Streukörpern (zum Teil diffus) reflektiert wird. Das durch die Relativgeschwindigkeit des Fahrzeuges zum Un tergrund dopplerverschobene reflektierte Signal wird im Ra darsensor mit dem Sendesignal gemischt. Das Resultat der Mi schung beinhaltet das Dopplersignal, das in der bekannten Weise zur Ermittlung der Geschwindigkeit über Grund verwendet werden kann. Einzelheiten dazu werden weiter unten erläutert.The device according to the invention is preferably implemented with a radar system 9 . The radar system is installed on the underside of the vehicle so that emitted signals (preferably electromagnetic waves, but also [ultra] sound or light) are reflected from the surface and the speed of the vehicle can be determined from the frequency shift due to the Doppler effect. The received measurement signal from such a radar sensor depends on the location-specific conditions. The measurement signal can be broken down into the frequencies that occur, which is usually done by Fourier transformation (preferably Fast Fourier Trans formation, FFT). According to the invention, a special method is preferably used to evaluate the information supplied by a radar sensor. As a radar sensor, for. B. uses a microwave sensor that continuously on the surface, for. B. on the track bed, an electromagnetic wave is emitted as a signal, which is reflected there by the statistically distributed scattering bodies (partly diffuse). The reflected by the relative speed of the vehicle to the underground Doppler-shifted reflected signal is mixed in the radar sensor with the transmission signal. The result of the mixture includes the Doppler signal, which can be used in the known way to determine the speed over the ground. Details of this are explained below.
Das von dem Radarsensor gelieferte Empfangssignal 20 (s. Fig. 4) wird durch eine Zeit-Ort-Transformation 22 (TST) umge wandelt, so daß es mit einem Bezugssignal verglichen werden kann. Dieses Bezugssignal ist zuvor in dem Speichermedium als Streckenatlas abgespeichert worden. Um ein aktuelles Sensor signal mit dem abgespeicherten Signal vergleichen zu können, muß es so transformiert werden, daß die den beiden Signalen zugrundeliegenden Fahrzeuggeschwindigkeiten gleich sind. Eine solche Transformation setzt eine Geschwindigkeitsmessung vor aus. Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges kann entweder über ein eingebautes Tachometer (Radimpulsgeber) oder direkt mit dem Dopplerradarsensor gemessen werden. Der Quotient aus der momentanen Geschwindigkeit und der Bezugsgeschwindigkeit kann dann zum Umrechnen des Sensorsignales auf ein Bezugssignal verwendet werden.The received signal 20 supplied by the radar sensor (see FIG. 4) is converted by a time-location transformation 22 (TST) so that it can be compared with a reference signal. This reference signal has previously been stored in the storage medium as a route atlas. In order to be able to compare a current sensor signal with the stored signal, it must be transformed so that the vehicle speeds on which the two signals are based are the same. Such a transformation requires a speed measurement. The speed of the vehicle can either be measured using a built-in tachometer (wheel pulse generator) or directly with the Doppler radar sensor. The quotient of the current speed and the reference speed can then be used to convert the sensor signal to a reference signal.
Das Sensorsignal wird an diskreten Zeitpunkten abgetastet und das sich daraus ergebende digitalisierte Sensorsignal in Blöcke zu je N Abtastpunkten unterteilt. Innerhalb eines Blockes wird die wegen der kurzen Zeitdauer eines Blockes (typisch etwa 200 ms) als konstant angenommene Momentange schwindigkeit vorzugsweise aus dem Dopplersignal bestimmt. Wie bereits erläutert, kann die Geschwindigkeit auch mit ei nem eingebauten Tachometer oder mit einem anderen eingebauten Sensor bestimmt werden. Anhand einer konstant vorgegebenen Bezugsgeschwindigkeit wird eine neue Blocklänge errechnet, indem die Anzahl der Abtastpunkte N mit dem Quotienten aus der Momentangeschwindigkeit und der Bezugsgeschwindigkeit multipliziert wird. Diese neue Blocklänge gibt die Anzahl der Abtastpunkte an, denen der besagte Block in dem Bezugssignal entspricht. Das ursprüngliche Dopplersignal des Blockes mit N Abtastwerten und der ermittelten Momentangeschwindigkeit wird zu einem Signal mit der umgerechneten Anzahl von Abtastwerten und der Bezugsgeschwindigkeit interpoliert. Dieses Verfahren wird blockweise sowohl einmalig bei der Aufnahme eines Si gnalverlaufes 21 entsprechend dem Streckenverlauf auf den Streckenatlas als auch auf die momentan aufgenommenen Signal verläufe 20 bei einer beliebigen späteren Durchfahrt der Strecke angewendet. Aufgrund der Tatsache, daß die beiden Si gnalsequenzen (Streckenatlas und Momentanverlauf) auf diesel be Bezugsgeschwindigkeit (Referenzgeschwindigkeit) berechnet sind, sind die Signale miteinander vergleichbar und liefern unmittelbar die Ortsinformation.The sensor signal is sampled at discrete times and the resulting digitized sensor signal is divided into blocks of N sampling points each. Within a block, the instantaneous speed assumed to be constant due to the short duration of a block (typically about 200 ms) is preferably determined from the Doppler signal. As already explained, the speed can also be determined with a built-in tachometer or with another built-in sensor. A new block length is calculated on the basis of a constantly predetermined reference speed by multiplying the number of sampling points N by the quotient of the current speed and the reference speed. This new block length indicates the number of sample points to which the said block in the reference signal corresponds. The original Doppler signal of the block with N samples and the determined instantaneous speed is interpolated into a signal with the converted number of samples and the reference speed. This method is applied block-wise both once when recording a signal course 21 corresponding to the route course on the route atlas and also to the currently recorded signal courses 20 during any later passage of the route. Due to the fact that the two signal sequences (route atlas and current curve) are calculated at the same reference speed (reference speed), the signals are comparable with each other and immediately provide the location information.
Nach der Transformation 22 des aktuellen Sensorsignales wird durch eine Amplitudendemodulation 23 (DEMOD) des Dopplerorts signales die Hüllkurve des Signales gebildet, d. h. die glat te Kurve, die die Amplituden miteinander verbindet. Diese Hüllkurve wird mit der entsprechenden Hüllkurve des Bezugs signales in dem Streckenatlas verglichen und dazu die Berech nung 24 (CCF) der Kreuzkorrelationsfunktion durchgeführt. Die Position größter Übereinstimmung mit einem im Streckenatlas gespeicherten Streckenabschnitt wird durch ein ausgeprägtes Maximum in der Kreuzkorrelationsfunktion 25 angezeigt. Der Streckenatlas ermöglicht daher die Zuordnung der Lage des Ma ximums dieser Funktion zu der absoluten Position des Fahrzeu ges und damit eine sehr genaue Ortung.After the transformation 22 of the current sensor signal, the envelope of the signal is formed by an amplitude demodulation 23 (DEMOD) of the Doppler location signal, ie the smooth curve that connects the amplitudes to one another. This envelope is compared with the corresponding envelope of the reference signal in the route atlas and the calculation 24 (CCF) of the cross-correlation function is carried out for this purpose. The position of greatest correspondence with a route section stored in the route atlas is indicated by a pronounced maximum in the cross-correlation function 25 . The route atlas therefore enables the location of the maximum of this function to be assigned to the absolute position of the vehicle, and thus a very precise location.
Das in der Kreuzkorrelationsfunktion auftretende Maximum ist dann besonders gut ausgeprägt, wenn die Umrechnung des Sen sorsignales anhand der aktuellen Geschwindigkeit sehr präzise erfolgt. Die Geschwindigkeit muß daher sehr genau bestimmt werden. Vorzugsweise wird bei dem Einsatz eines Radarsystems der Radarsensor selbst als Dopplersensor zur Geschwindig keitsmessung verwendet. Dazu wird das von dem Sensor gelie ferte Meßsignal zunächst zu einem Frequenzspektrum verarbei tet. Dazu ist z. B. in üblichen Anwendungen das Verfahren der FFT (Fast Fourier Transformation) geeignet. Das Frequenzspek trum wird anschließend geglättet. Ein für die Geschwindig keitsbestimmung maßgebliches Maximum wird dann vorzugsweise von hohen Frequenzen her in diesem Frequenzspektrum gesucht. The maximum occurring in the cross-correlation function is then particularly well pronounced if the conversion of the Sen signals very precisely based on the current speed he follows. The speed must therefore be determined very precisely become. Preferably when using a radar system the radar sensor itself as a Doppler sensor for speed measurement used. This is done by the sensor processed signal to a frequency spectrum tet. For this purpose, e.g. B. in usual applications the method of FFT (Fast Fourier Transformation) suitable. The frequency spec The strum is then smoothed. One for the fast Determination of the maximum is then preferred searched for high frequencies in this frequency spectrum.
Es wird dabei ein erster auftretender Maximalwert bestimmt, der größer ist als ein vorgegebener absoluter Wert oder grö ßer als vorgegebene relative Werte, oder ein signifikanter Anstieg der das Frequenzspektrum repräsentierenden Frequenz kurve. Auf diese Weise wird erreicht, daß ggf. auftretende Nebenmaxima (lokale Maxima mit beidseitig abfallender Fre quenzkurve), insbesondere dem Grundrauschen zuzuordnende niedrige Maxima, ignoriert werden können.A first occurring maximum value is determined, which is greater than a predetermined absolute value or larger greater than specified relative values, or a significant one Increase in the frequency representing the frequency spectrum Curve. In this way it is achieved that any occurring Secondary maxima (local maxima with fre frequency curve), in particular to be assigned to the background noise low maxima that can be ignored.
Durch die statistische Verteilung der Streukörper auf dem Un tergrund wird das Frequenzspektrum verrauscht oder gestört. Außerdem verbreitert es sich durch die keulenförmige Abstrah lung des Radarsensors z. B. durch auftretende Nebenkeulen, die von der Sendeantenne hervorgerufen werden. Es reicht da her nicht aus, einfach das Maximum im Frequenzspektrum zu be stimmen. Es wird deshalb die zu höheren Frequenzen hin fal lende Flanke oder Kante des Frequenzspektrums, oberhalb derer im wesentlichen nur noch Grundrauschen im Spektrum auftritt, ausgewertet. Diese Kante ist sehr steil, weil sie durch Streukörper hervorgerufen wird, die unter vergleichsweise flachem Abstrahlwinkel erfaßt werden, d. h. die Streuung er folgt weitgehend parallel zur Erdoberfläche. Außerdem treten zu höheren Frequenzen hin weniger Störungen auf, da die flach angestrahlten Streukörper die höchste Relativgeschwindigkeit zum Fahrzeug aufweisen. Statistisch verteilte höhere Fre quenzanteile dürften also nicht existieren. Bei einem Dopp lerradar kann daher davon ausgegangen werden, daß im Bereich oberhalb der Frequenz eines signifikanten Maximalwertes keine wesentlichen Maxima mehr auftreten und das Grundrauschen des Spektrums relativ gering ist. Bei einem derartigen Spektrum wird vorzugsweise ausgehend von einer vorgegebenen hohen Fre quenz, die oberhalb der für signifikante Maximalwerte zu er wartenden Frequenz liegt, in Richtung hin zu niedrigeren Fre quenzen das Frequenzspektrum abgesucht. Wird dabei ein Maxi mum oder ein Ansteigen der Frequenzkurve festgestellt, das die vorgegebenen Eigenschaften in bezug auf die absolute Grö ße des erreichten Maximalwertes oder eine relative Größe im Vergleich zu anderen Maximalwerten oder dem Grundrauschen be sitzt, wird auf die zu höheren Frequenzen hin abfallende Kan te das nachfolgend anhand des Beispiels der Fig. 3 beschrie bene Verfahren angewendet.Due to the statistical distribution of the scattering bodies on the underground, the frequency spectrum is noisy or disturbed. In addition, it widens through the lobe-shaped radiation of the radar sensor z. B. by occurring side lobes, which are caused by the transmitting antenna. It is therefore not sufficient to simply determine the maximum in the frequency spectrum. The edge or edge of the frequency spectrum falling towards higher frequencies, above which essentially only background noise occurs in the spectrum, is therefore evaluated. This edge is very steep because it is caused by scattering bodies that are detected at a comparatively flat beam angle, ie the scattering is largely parallel to the surface of the earth. In addition, less interference occurs at higher frequencies, since the flatly scattered scattering bodies have the highest relative speed to the vehicle. Statistically distributed higher frequency components are therefore unlikely to exist. In the case of a double radar, it can therefore be assumed that in the area above the frequency of a significant maximum value there are no longer any significant maxima and the background noise of the spectrum is relatively low. In the case of such a spectrum, the frequency spectrum is preferably searched in the direction of lower frequencies, starting from a predetermined high frequency that lies above the frequency to be expected for significant maximum values. If a maximum or an increase in the frequency curve is found, which has the specified properties in relation to the absolute size of the maximum value achieved or a relative size compared to other maximum values or the noise floor, the channel falling to higher frequencies is used The method described below using the example of FIG. 3 was used.
Fig. 3 zeigt als Beispiel ein typisches Doppler-Frequenz spektrum, bei dem auf der Abszissenachse die Frequenz f in der Einheit Hz abgetragen und auf der Ordinatenachse die Grö ße der Frequenzamplituden in einer geeignet gewählten Einheit abgetragen ist. Es ist ein stark ausgeprägtes Maximum bei et wa 2800 Hz vorhanden. Aus dem Diagramm ist zu erkennen, daß das Rauschen zu höheren Frequenzen hin vergleichsweise gering ist, während zu niedrigeren Frequenzen hin Nebenmaxima und größere Störungen auftreten. Die zu höheren Frequenzen hin abfallende Kante des Maximums wird durch eine Kurve, die an die Kante angepaßt ist, approximiert. Im einfachen Fall wird dazu eine Gerade so an die Frequenzkurve angepaßt, daß eine möglichst große Übereinstimmung im Bereich der betreffenden Kante erreicht wird. Bei einer einfachen Ausgestaltung wird dafür gesorgt, daß die angepaßte Kurve oder Gerade zwei Punk te mit der Frequenzkurve gemeinsam hat. D. h., es existieren zwei verschiedene Frequenzen im Bereich der Kante, bei denen der Wert der angepaßten Funktion mit dem Wert der Frequenz kurve (Amplituden der betreffenden Frequenzen) übereinstimmt. Die Punkte, an denen die Übereinstimmung vorhanden sein soll, können z. B. in bezug auf den Maximalwert festgelegt werden. Zur Anpassung der Geraden kann statt dessen eines der übli chen Verfahren zur Anpassung einer Geraden an eine Kurve (lineare Regression) verwendet werden. Dabei wird z. B. die Summe der Quadrate der Abweichungen der Funktionswerte von den Werten der Frequenzkurve minimiert. Fig. 3 shows an example of a typical Doppler frequency spectrum, in which the frequency f is plotted in the unit Hz on the abscissa axis and the size of the frequency amplitudes is plotted in a suitably selected unit on the ordinate axis. There is a strong maximum at around 2800 Hz. From the diagram it can be seen that the noise is comparatively low towards higher frequencies, while secondary maxima and larger disturbances occur towards lower frequencies. The edge of the maximum falling towards higher frequencies is approximated by a curve which is adapted to the edge. In a simple case, a straight line is adapted to the frequency curve in such a way that the greatest possible match is achieved in the area of the edge in question. In a simple embodiment, it is ensured that the adapted curve or straight line has two points in common with the frequency curve. That is, there are two different frequencies in the area of the edge, at which the value of the adapted function matches the value of the frequency curve (amplitudes of the frequencies in question). The points at which the match should exist can e.g. B. be set in relation to the maximum value. Instead, one of the usual methods for fitting a straight line to a curve (linear regression) can be used to adapt the straight line. Here, for. B. minimizes the sum of the squares of the deviations of the function values from the values of the frequency curve.
Durch die Vorgabe eines Fixpunktes bei der Frequenz null für die angepaßte Gerade auf der Ordinatenachse kann einer zen trischen Streckung des Spektrums (zur Geschwindigkeit propor tionale Dehnung des Spektrums), wie sie bei Doppler- Radarsystemen auftritt, Rechnung getragen werden. Wenn man die Frequenzkurve im Bereich eines Maximums näherungsweise als ein gleichschenkliges Dreieck ansieht, gelangt man zu der in Fig. 2 dargestellten Konstruktion. Es sind dort auf der Abszissenachse die Frequenzen f abgetragen und auf der Ordi natenachse die Amplituden y. Eine geschwindigkeitsproportio nale Streckung des Frequenzspektrums verschiebt eine einge zeichnete Frequenz f1 nach f2 bzw. f3. Die Maximalwerte, die durch eine waagerechte gestrichelte Linie angedeutet sind, bleiben dabei erhalten. Die geradlinigen Verlängerungen der rechten Schenkel der die jeweilige Frequenzkurve schematisie rend repräsentierenden Dreiecke treffen sich in einem Fix punkt fix auf der Ordinatenachse. Aus der geometrischen Kon struktion ergibt sich, daß die jeweiligen zugehörigen (Doppler-)Frequenzen (Nullstellen der rechten Schenkel der Dreiecke) proportional sind zu den jeweiligen zwischen den Nullstellen der Dreiecksschenkel liegenden Abschnitten der Abszissenachse (sogenannte Hauptkeulenbreite). Ein derartiger Fixpunkt fix auf der Ordinatenachse ist daher geeignet, die Approximation der in diesem Beispiel rechten Kante der Fre quenzkurve zu erleichtern. Die Dreiecke der Frequenzkurve sind in Fig. 2 übertrieben flach gezeichnet, um die zentri sche Streckung des Spektrums zu verdeutlichen. In der Praxis verläuft die Kante hinreichend steil, so daß die Nullstelle der angepaßten Geraden eine ausreichend gute Näherung an die gesuchte Frequenz darstellt.By specifying a fixed point at the frequency zero for the adapted straight line on the ordinate axis, a cen trical stretching of the spectrum (stretching of the spectrum proportional to the speed), as occurs in Doppler radar systems, can be taken into account. If one looks at the frequency curve in the area of a maximum approximately as an isosceles triangle, one arrives at the construction shown in FIG. 2. There the frequencies f are plotted on the abscissa axis and the amplitudes y on the ordinate axis. A speed proportional stretching of the frequency spectrum shifts a frequency f 1 to f 2 or f 3 . The maximum values, which are indicated by a horizontal dashed line, are retained. The straight extensions of the right leg of the triangle, which schematically represents the respective frequency curve, meet at a fixed point on the ordinate axis. From the geometric con struction it follows that the respective associated (Doppler) frequencies (zeros of the right leg of the triangles) are proportional to the respective sections of the abscissa axis lying between the zeros of the triangle legs (so-called main lobe width). Such a fixed point fixed on the ordinate axis is therefore suitable for facilitating the approximation of the right edge of the frequency curve in this example. The triangles of the frequency curve are drawn excessively flat in FIG. 2 in order to illustrate the centric stretching of the spectrum. In practice, the edge is sufficiently steep so that the zero point of the adjusted straight line is a sufficiently good approximation to the frequency sought.
In dem in Fig. 3 gezeigten Diagramm ist eine Gerade an die rechte Kante der Frequenzkurve derart angepaßt, daß die Gera de durch den vorgegebenen Fixpunkt fix (Fig. 2) läuft und zwischen den Punkten S1 (bei 80% des Maximalwertes) und S2 (bei 25% des Maximalwertes) die Frequenzkurve bestmöglich nä hert. Alternativ ist eine Approximation durch geradliniges Verbinden von S1 und S2 oder durch lineare Regression der Kante möglich. Die Nullstelle der Geraden und damit die dem Frequenzspektrum zugehörige Frequenz, die die zu ermittelnde Geschwindigkeit repräsentiert, ist durch den Schnittpunkt der Geraden mit der Abszissenachse, in Fig. 3 mit fd bezeichnet, gegeben.In the diagram shown in FIG. 3, a straight line is adapted to the right edge of the frequency curve in such a way that the straight line runs through the predetermined fixed point ( FIG. 2) and between points S1 (at 80% of the maximum value) and S2 ( at 25% of the maximum value) the frequency curve approximates as best as possible. Alternatively, an approximation is possible by connecting S1 and S2 in a straight line or by linear regression of the edge. The zero point of the straight line and thus the frequency associated with the frequency spectrum, which represents the speed to be determined, is given by the intersection of the straight line with the abscissa axis, designated fd in FIG. 3.
Statt einer Geraden kann eine andere Kurve an die Frequenz kurve angepaßt werden. Es ist dabei nur erforderlich, daß die Nullstelle dieser angepaßten Kurve möglichst genau die Grenze zu dem nur aus Grundrauschen bestehenden Anteil des Frequenz spektrums markiert. Der steile Verlauf der Kante muß daher durch die angepaßte Kurve möglichst parallel zur Ordina tenachse fortgesetzt werden. Ggf. kann eine Normierung der Amplitudenwerte erforderlich sein. Damit wird sichergestellt, daß bei einer zentrischen Streckung des Spektrums entspre chend Fig. 2 die Maximalwerte, die für die Analyse in Be tracht zu ziehen sind, etwa auf demselben Niveau liegen. Das ermöglicht insbesondere die Konstruktion mit dem Fixpunkt auf der Ordinatenachse gemäß Fig. 2.Instead of a straight line, another curve can be adapted to the frequency curve. It is only necessary that the zero of this adapted curve marks the limit as precisely as possible on the part of the frequency spectrum consisting only of background noise. The steep course of the edge must therefore continue through the adapted curve as parallel as possible to the ordinal axis. Possibly. it may be necessary to standardize the amplitude values. This ensures that with a central stretching of the spectrum in accordance with FIG. 2, the maximum values to be considered for the analysis are approximately at the same level. This enables in particular the construction with the fixed point on the ordinate axis according to FIG. 2.
Es wurde experimentell gezeigt, daß die von einem Radarsensor übermittelten Dopplersignale derart ortsabhängig sind, daß eine Ortsidentifizierung nach dem beschriebenen Prinzip durchführbar ist. Entscheidend ist dafür, daß ein Vergleich der Hüllkurven für die Ortsidentifizierung ausreicht. Daher ist eine erhebliche Datenreduktion bei der Kreuzkorrelation möglich. Die Hüllkurve ist auch weniger kritisch, was Fehler bei der unumgänglichen Zeit-Ort-Transformation des aktuellen Signales anbetrifft. Daher ist die Bestimmung der für die Zeit-Orts-Transformation notwendigen Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Dopplerradarsignal selbst möglich. Alle für die Orts identifikation relevanten Informationen können daher aus ei nem Dopplerradarsensor gewonnen werden. Eine zusätzliche Mög lichkeit der Plausibilitätskontrolle ist dadurch möglich, daß der zurückgelegte Weg mittels einer Integration der Fahrge schwindigkeit berechnet wird. Es ist dazu aber erforderlich, einen Anfangspunkt der Fahrstrecke festzulegen.It has been shown experimentally that by a radar sensor transmitted Doppler signals are so location-dependent that a location identification according to the principle described is feasible. It is crucial that a comparison the envelopes are sufficient for location identification. Therefore is a significant data reduction in cross correlation possible. The envelope is also less critical as to errors in the inevitable time-place transformation of the current one Concerning signals. Therefore, the determination of the for Time-location transformation necessary vehicle speed possible from the Doppler radar signal itself. All for the local Identification-relevant information can therefore be obtained from ei be obtained from a Doppler radar sensor. An additional possibility plausibility check is possible in that the distance covered by integrating the vehicle speed is calculated. However, this requires to set a starting point of the route.
Mit einer Zugortung durch Korrelation der aktuellen Hüllkurve mit einer gespeicherten Bezugshüllkurve unter Verwendung ei nes 24 GHz-Dopplerradars mit richtscharfer Antenne ist eine Ortungsgenauigkeit von etwa 50 cm möglich, während die Satel litennavigation lediglich eine Ortung im Bereich von etwa 100 Metern zuläßt.With a train location by correlating the current envelope with a stored reference envelope using ei A 24 GHz Doppler radar with a sharp antenna is one Location accuracy of about 50 cm possible while the satellite Litennavigation only a location in the range of about 100 Meters.
In Fig. 1 ist der Radarsensor so eingezeichnet, daß eine größere Anzahl von Sendekeulen 10, 11, 12 von dem Radarsensor abgestrahlt wird. Für die Geschwindigkeitsermittlung ist eine möglichst stark gebündelte und flach abgestrahlte Sendekeule und eine entsprechende Antenne von Vorteil. Die Sendefrequenz (typisch 24 GHz) sollte hoch sein. In Fahrtrichtung wird die Sendekeule 12 abgestrahlt, entgegen der Fahrtrichtung die Sendekeule 10, die auch weggelassen sein kann. Für die Ortung ist man an einer möglichst breiten Abstrahlung in einen gro ßen Raumwinkel interessiert, um viele ortsspezifische Infor mationen zu erfassen. Außerdem verspricht eine niedrigere Sendefrequenz (typisch im Bereich von etwa 100 MHz bis zu ei nigen Ghz) eine größere Unabhängigkeit von Witterungseinflüs sen wie z. B. Schnee und Umweltveränderungen. Die Sendekeule 11 für die Aufnahme ortsabhängiger Daten wird daher vorzugs weise steiler nach unten ausgesendet. Ein verbessertes Kon zept der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des zugehörigen Verfahrens sieht daher vor, zwei unterschiedliche Radarsenso ren oder zumindest zwei unterschiedlich konzipierte Antennen für getrennte Geschwindigkeits- und Ortserfassung zu verwen den.In Fig. 1, the radar sensor is located so that a larger number of transmission lobes 10 , 11 , 12 is emitted by the radar sensor. For the determination of the speed, it is advantageous to have a beam that is bundled as flatly as possible and a corresponding antenna. The transmission frequency (typically 24 GHz) should be high. The transmitting lobe 12 is emitted in the direction of travel, and the transmitting lobe 10 , which can also be omitted, is emitted in the opposite direction. For the location, one is interested in the broadest possible radiation in a large solid angle in order to capture a lot of location-specific information. In addition, a lower transmission frequency (typically in the range of about 100 MHz to egg nigen Ghz) promises greater independence from weather influences such. B. Snow and environmental changes. The transmitting lobe 11 for the recording of location-dependent data is therefore preferably sent down more steeply. An improved concept of the device according to the invention and the associated method therefore provides to use two different radar sensors or at least two differently designed antennas for separate speed and location detection.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist nicht auf die Verwendung ei nes Millimeter- oder Mikrometer-Dopplerradars beschränkt, sondern kann bei unterschiedlichen Sensoren eingesetzt wer den, die z. B. Ultraschall, Licht im Infrarotbereich oder im optischen Bereich verwenden oder die Beschleunigung bzw. auf tretende Trägheitskräfte messen. Beschleunigungssensoren sind insbesondere geeignet, Erschütterungen des Fahrzeuges, die an markanten Wegabschnitten (Weichen) auftreten, zu erfassen. Ein Multisensorkonzept bestehend aus einer Kombination der erwähnten Sensoren erhöht die Betriebssicherheit wesentlich, da grundsätzlich nicht vermeidbare Schwächen wie z. B. Sig nalausfälle bei Abschattungen, die einzelne Komponenten be treffen, durch die jeweils anderen Sensoren kompensiert wer den können. Bindeglied zwischen den aktuellen Sensordaten und der aktuellen Fahrzeugposition ist in jedem Fall die als Streckenatlas abgespeicherte Datenbasis.The principle according to the invention is not based on the use of egg limited millimeter or micrometer Doppler radar, but can be used with different sensors the z. B. ultrasound, light in the infrared range or use optical range or acceleration or on measure the inertial forces. Accelerometers are particularly suitable for shocks to the vehicle striking path sections (switches) occur. A multi-sensor concept consisting of a combination of mentioned sensors significantly increases operational safety, because fundamentally unavoidable weaknesses such. B. Sig nal failures in the case of shadows that affect individual components meet who compensates each other with the other sensors that can. Link between the current sensor data and the current vehicle position is in any case as Route atlas stored database.
Claims (5)
- 1. bei der ein Speichermedium vorhanden ist, in dem ortsidenti fizierende Daten gespeichert werden können,
- 2. bei der mindestens ein Sensor vorhanden ist, der eine Ge schwindigkeit parallel zur Erdoberfläche mißt,
- 3. bei der mindestens ein Dopplerradarsensor vorhanden ist, der ein ortsabhängiges Sensorsignal empfängt, und
- 4. bei der eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, mit der
folgende Operationen durchgeführt werden können:
- a) das Sensorsignal an diskreten Zeitpunkten abtasten,
- b) das sich daraus ergebende digitalisierte Sensorsignal in Blöcke zu je einer vorgegebenen Anzahl N von Abtastpunkten unterteilen,
- c) eine neue Blocklänge errechnen, indem die Anzahl N der Ab tastpunkte mit dem Quotienten aus einer gemessenen Ge schwindigkeit und einer Bezugsgeschwindigkeit multipliziert wird,
- d) das ursprüngliche Sensorsignal zu einem neuen Signal mit der umgerechneten Anzahl von Abtastwerten und der Bezugsge schwindigkeit interpolieren,
- e) durch eine Amplitudendemodulation die Hüllkurve des neuen Signales bilden und
- f) diese Hüllkurve mit einer entsprechenden Hüllkurve eines in dem Speichermedium gespeicherten Bezugssignales durch Be rechnung der Kreuzkorrelationsfunktion auf Übereinstimmung vergleichen.
- 1. in which there is a storage medium in which location-identifying data can be stored,
- 2. where there is at least one sensor that measures a speed parallel to the earth's surface,
- 3. at least one Doppler radar sensor is present, which receives a location-dependent sensor signal, and
- 4. with an evaluation device with which the following operations can be carried out:
- a) sample the sensor signal at discrete times,
- b) divide the resulting digitized sensor signal into blocks of a predetermined number N of sampling points each,
- c) calculate a new block length by multiplying the number N of sampling points by the quotient of a measured speed and a reference speed,
- d) interpolate the original sensor signal to a new signal with the converted number of samples and the reference speed,
- e) form the envelope of the new signal by means of amplitude demodulation and
- f) compare this envelope curve with a corresponding envelope curve of a reference signal stored in the storage medium by calculating the cross-correlation function.
- 1. bei der die Auswerteeinrichtung dafür vorgesehen ist, aus
einem Sensorsignal des Dopplerradarsensors die Geschwindig
keit parallel zur Erdoberfläche zu ermitteln, indem
- a) eine Fourier-Transformation des Sensorsignals zur Erzeugung eines Frequenzspektrums vorgenommen wird,
- b) eine größte in dem Frequenzspektrum auftretende Dopplerfre quenz dadurch bestimmt wird, daß an eine zu höheren Fre quenzen hin abfallende Flanke oder Kante einer das Fre quenzspektrum repräsentierenden Frequenzkurve eine Kurve angepaßt wird und eine im Bereich dieser Flanke liegende Nullstelle dieser Kurve bestimmt und mit dieser Dopplerfre quenz identifiziert wird, und
- c) aus dieser Dopplerfrequenz die Geschwindigkeit berechnet wird, und
- 2. bei der die Auswerteeinrichtung so eingerichtet ist, daß die so berechnete Geschwindigkeit verwendet wird, um das neue Signal zu errechnen.
- 1. in which the evaluation device is intended to determine the speed parallel to the earth's surface from a sensor signal of the Doppler radar sensor by
- a) a Fourier transformation of the sensor signal is carried out in order to generate a frequency spectrum,
- b) a largest Doppler frequency occurring in the frequency spectrum is determined by adapting a curve to an edge or edge of a frequency curve representing the frequency spectrum falling towards higher frequencies and determining a zero point of this curve lying in the region of this edge and with it Dopplerfrequency is identified, and
- c) the speed is calculated from this Doppler frequency, and
- 2. in which the evaluation device is set up so that the speed calculated in this way is used to calculate the new signal.
ein ortsabhängige Daten enthaltendes Sensorsignal eines Dopp lerradarsensors aufgenommen wird und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gemessen wird,
- a) das Sensorsignal an diskreten Zeitpunkten abgetastet wird,
- b) das sich daraus ergebende digitalisierte Sensorsignal in Blöcke zu je einer vorgegebenen Anzahl N von Abtastpunkten unterteilt wird,
- c) eine neue Blocklänge errechnet wird, indem die Anzahl N der Abtastpunkte mit dem Quotienten aus einer gemessenen Ge schwindigkeit und einer Bezugsgeschwindigkeit multipliziert wird,
- d) das ursprüngliche Sensorsignal zu einem neuen Signal mit der umgerechneten Anzahl von Abtastwerten und der Bezugsge schwindigkeit interpoliert wird,
- e) durch eine Amplitudendemodulation die Hüllkurve des neuen Signales gebildet wird und
- f) diese Hüllkurve mit einer entsprechenden Hüllkurve eines Bezugssignales durch Berechnung der Kreuzkorrelationsfunk tion auf Übereinstimmung verglichen wird.
a location-dependent data-containing sensor signal of a double radar sensor is recorded and the speed of the vehicle is measured,
- a) the sensor signal is sampled at discrete times,
- b) the resulting digitized sensor signal is divided into blocks of a predetermined number N of sampling points each,
- c) a new block length is calculated by multiplying the number N of sampling points by the quotient of a measured speed and a reference speed,
- d) the original sensor signal is interpolated into a new signal with the converted number of samples and the reference speed,
- e) the envelope of the new signal is formed by an amplitude demodulation and
- f) this envelope is compared with a corresponding envelope of a reference signal by calculating the cross-correlation function.
- a) eine Fourier-Transformation des Sensorsignals zur Erzeugung eines Frequenzspektrums vorgenommen wird,
- b) eine größte in dem Frequenzspektrum auftretende Dopplerfre quenz dadurch bestimmt wird, daß an eine zu höheren Fre quenzen hin abfallende Flanke oder Kante einer das Fre quenzspektrum repräsentierenden Frequenzkurve eine Kurve angepaßt wird und eine im Bereich dieser Flanke liegende Nullstelle dieser Kurve bestimmt und mit dieser Dopplerfre quenz identifiziert wird, und
- c) aus dieser Dopplerfrequenz die Geschwindigkeit berechnet wird.
- a) a Fourier transformation of the sensor signal is carried out in order to generate a frequency spectrum,
- b) a largest Doppler frequency occurring in the frequency spectrum is determined by adapting a curve to an edge or edge of a frequency curve representing the frequency spectrum falling towards higher frequencies and determining a zero point of this curve lying in the region of this edge and with it Dopplerfrequency is identified, and
- c) the speed is calculated from this Doppler frequency.
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Publications (1)
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| DE19735161C1 true DE19735161C1 (en) | 1999-09-02 |
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