DE60107684T4

DE60107684T4 - Verfahren zur sicheren ortung eines objekts, vorzugsweise eines fahrzeuges, das sich auf einer bekannten fahrbahn bewegt

Info

Publication number: DE60107684T4
Application number: DE60107684T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Franckart
Original assignee: Alstom Belgium SA
Current assignee: Alstom Belgium SA
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: EP1299746A2; PT1299746E; ES2232648T3; WO2002003094A2; HU229304B1; CZ304692B6; EP1299746B1; CA2411797A1; CA2411797C; CN1443311A; ATE284540T1; PL360261A1; BR0111762A; CN100362363C; SK18572002A3; AU2001275609B2; DE60107684T2; UA72621C2; HUP0301104A2; AU7560901A

Description

GEGENSTAND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Bestimmung der Lage und/oder der Position eines Gegenstands, der sich entlang einer von der Vorrichtung zur Bestimmung der Lage bekannten Strecke fortbewegt.
Unter „Strecke" ist ein durch eine rohrförmige Fläche mit einem beliebigen und veränderlichen Querschnitt begrenzter Raumabschnitt zu verstehen, in dem das Fahrzeug strikt gezwungen ist sich zu fortbewegen. Braucht der Querschnitt dieses Rohrs nicht beachtet zu werden, so ergeben sich zwei Gleichungen, welche die geographische Länge, Breite und Höhe des Fahrzeugs verbinden.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Zuges, welcher auf einer Bahnstrecke fährt, deren Verlauf genau bekannt ist.
Das gleiche Prinzip kann für den Fall angewendet werden, in dem nur eine einzige Gleichung bekannt ist (Fortbewegung des Fahrzeugs auf einer bekannten Fläche).
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur im eisenbahntechnischen Sinn sicheren Bestimmung der Lage und/oder der Position eines Fahrzeugs, d.h. es geht darum, die Lage bzw. die Bereiche der Nicht-Anwesenheit des Fahrzeugs auf einem Streckenabschnitt quasi unverzüglich und mit einer gegebenen Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, wobei das Fahrzeug sich auf einer bekannten Strecke fortbewegt.
Diese Positionsbestimmung beruht auf der Verwendung von Navigationssatelliten oder von gleichwertigen terrestrischen Navigationsbaken, welche im Folgenden gattungsgemäß „Satelliten" genannt werden.
STAND DER TECHNIK
In der Eisenbahnsicherungstechnik wird das Einfahren eines Zuges in einen bestimmten Streckenabschnitt erst dann erlaubt, wenn der vorhergehende Zug mit Sicherheit diesen verlassen hat, d.h. wenn der betreffende Streckenabschnitt frei ist. Zu diesem Zweck ist es notwendig, innerhalb einer vorbestimmten, selbstverständlich extrem geringen Fehlergrenze im eisenbahnsicherungstechnischen Sinne, beispielsweise mit einer maximalen Fehlerrate in der Größenordnung von 10^–9, vorzugsweise in der Größenordnung von 10^–12, die Bereiche zu kennen, in denen sich der Zug mit Sicherheit nicht befindet, und dies bei jeder Iteration der Berechnung.
Es ist bekannt, die genaue Position eines Gegenstands, und insbesondere eines Zuges, durch Berechnung der Position im Verhältnis zu drei Satelliten zu bestimmen, wobei die Empfänger zum Empfangen der von den Satelliten gesandten Daten in der Lage sind, die Koordinaten des sich fortbewegenden Gegenstands mit einer mehr oder weniger hohen Genauigkeit zu berechnen.
Es ist jedoch notwendig eine genaue Messung der Universalzeit hinzuzufügen, wobei sich die Durchführung einer solchen Messung hinsichtlich eines beispielsweise im Zug angeordneten Empfängers aufwändig und manchmal teuer erweist. Darüber hinaus gilt es zu bemerken, dass die verschiedenen Satelliten einer gleichen Konstellation angehören und die gleiche Referenzzeit verwenden müssen.
Daher wird im Allgemeinen ein vierter Satellit verwendet, der über die Lösung eines aus vier Gleichungen mit jeweils vier Unbekannten bestehenden Gleichungssystems, aus welcher sich die drei Koordinaten des betreffenden Punktes und der Zeitwert ergeben, die genaue Positionsbestimmung des betreffenden Gegenstands ermöglicht.
In Wirklichkeit wird aufgrund der Kenntnis der Koordinaten dieser Satelliten die Entfernung zwischen den Satelliten und dem empfangenden Gegenstand, dessen Position man schätzen möchte, durch Berechnung geschätzt.
Zahlreiche Strategien zur Erhöhung der Qualität und/oder Quantität der verwendeten Daten haben, sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich, dazu beigetragen, die Genauigkeit dieser Messungen zu verbessern.
Zu diesem Zweck seien hier unter anderem folgende genannt:

– Erhöhung der Anzahl an Satelliten, die an der Messung beteiligt sind (einschließlich der am Boden stationierten),
– Korrelation aufeinander folgender Messungen, um die Wichtigkeit bestimmter Fehlerursachen zu verringern,
– Funkübertragung (per Satellit oder nicht) von Korrekturdaten (DGPS, WAAS zum Beispiel),
– Erhöhung der Genauigkeit der Zeitmessung durch Synchronisierung auf die Satellitenträger,
– Verwendung von Wartungs- und Kontrolldaten, die von dem bzw. den Bodenüberwachungssystem bzw. -systemen zur Überwachung der Satellitenkonstellationen übertragen werden.

Diese verschiedenen Daten werden zusammengetragen, um den wahrscheinlichsten Wert für die Position des gesuchten Gegenstands so weit wie möglich einzugrenzen und dadurch dessen Genauigkeit zu erhöhen.
Darüber hinaus wurden auch Kodierungs- und Autokorrelationstechniken vorgeschlagen, die einen Schutz gegen möglicherweise während der Messung auftretende elektromagnetische Störungen oder böswillige Handlungen bieten.
Schließlich können bei bestimmten Anwendungen dem Satelliten-Ortungssystem noch weitere ergänzende Sensoren hinzugefügt werden, welche die Menge oder die Qualität der verfügbaren Daten noch verbessern können, beispielsweise Luftdrucksensoren in der Luftfahrt, Sensoren zur Erfassung der Rotation der Zugachsen, welche mit einem Doppler-Radar gekoppelt sind, partielle oder komplette Trägheitssensorstationen, usw.
Die US-A-5977909 beschreibt beispielsweise ein System zur Positionsbestimmung eines Zuges anhand mindestens eines Satelliten und eines Kartensystems.
AUFGABENSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu beschreiben, mit denen die Lage und/oder die Position eines sich entlang einer bekannten Strecke fortbewegenden Gegenstands, und insbesondere eines Fahrzeugs, eines Zuges zum Beispiel, im eisenbahntechnischen Sinn sicher bestimmt werden kann.
Unter sicherungstechnische Positionsbestimmung ist die Positionsbestimmung, bzw. die Nichtanwesenheit eines Zuges außerhalb eines bei jeder Berechnung neu definierten Bereichs zu verstehen, wobei die Fehlerrate unter 10^–9 liegt und vorzugsweise bis zu 10^–12 betragen kann.
WICHTIGSTE KENNZEICHNENDE MERKMALE DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur im eisenbahntechnischen Sinn sicheren Bestimmung der Lage und/oder der Position eines Gegenstands nach Anspruch 1, insbesondere eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Zuges, der sich entlang einer bekannten Strecke fortbewegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und/oder die Position des Gegenstands durch eine zu einer gegebenen Zeit gültige Berechnung bestimmt wird, wobei die Berechnung einerseits auf Grundmessungen, die jeweils mindestens einen Satelliten Miteinbeziehen, und andererseits auf einem Kartensystem mit sicherheitsrelevanten Daten der bekannten Strecke beruht.
Vorzugsweise können aufgrund des Kartensystems mit sicherheitsrelevanten Daten zwei Relationen mit drei Unbekannten, die die Koordinaten des Gegenstands, dessen Lage und/oder Position man wissen möchte, darstellen, erstellt werden, wobei mindestens eine weitere Relation zwischen den drei gleichen Unbekannten aufgrund der durch mindestens einen Satelliten, dessen Position bekannt ist, übertragenen Informationen erstellt wird.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem jede Grundmessung darin besteht, entlang der Strecke zwischen zwei Kilometerpunkten einen Einzelbereich zu bestimmen, wobei dieser Bereich abhängig ist von der Standardabweichung der zeitlichen Messfehler der Grundmessung, der Lichtgeschwindigkeit, einem mit den Koordinaten des betreffenden Satelliten und dem Verlauf der Bahnstrecke in Zusammenhang stehenden Koeffizienten und einem Gewichtungsfaktor, der die Geometrie der Fehlerverteilung für jede erfolgte Messung definiert, so dass die Wahrscheinlichkeit der Nichtanwesenheit des Zuges in dem Einzelbereich vordefiniert wird.
Jede Messung wird vorteilhaft durch eine Redundanzmessung wiederholt, so dass durch mehrere, zur gleichen gegebenen Zeit, aufgrund von unterschiedlichen Satelliten oder von Satellitenpaaren, gleichzeitig durchgeführte Grundmessungen mehrere Einzelbereiche bestimmbar sind.
Nach einer ersten Ausführungsform wird eine Grundmessung anhand eines die gleiche Referenzzeit verwendenden Satellitenpaares durchgeführt. Das Satellitenpaar gehört vorzugsweise derselben Konstellation an.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird anhand von mindestens einem einer Konstellation angehörenden Satelliten und einem mit dem sich entlang der bekannten Strecke fortbewegenden Gegenstand verbundenen Empfänger eine Grundmessung durchgeführt, wobei der Empfänger einen Taktgeber besitzt, welcher auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit angehört, synchronisiert, ist.
Dies bedeutet, dass zur gleichzeitigen Durchführung von mehreren Grundmessungen lediglich die Anzahl an Satelliten erhöht werden muss.
Vorzugsweise wird das Vorhandensein eines gemeinsamen Bereichs bestimmt, der definiert ist als Schnittstelle oder Durchschnitt der und vorzugsweise aller verschiedenen Einzelbereiche. Besonders vorteilhaft verwirft man die Einzelbereiche, die keinen gemeinsamen Punkt mit dem gemeinsamen Bereich aufweisen.
Somit wird bei Vorhandensein eines gemeinsamen Bereichs, der nicht gleich Null ist, der Bereich der möglichen Anwesenheit des mobilen Gegenstands als ein Bereich bestimmt, der die nicht verworfenen Einzelbereiche in sich vereint.
Hieraus wird deutlich, dass die Wahrscheinlichkeit der Nichtanwesenheit außerhalb des Vereinigungsbereichs definiert wird als die Multiplikation der Wahrscheinlichkeiten der Nichtanwesenheit in den bekannten Einzelbereichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die den Vereinigungsbereich definierenden Einzelbereiche von einem Parameter abhängig, der die Geometrie der Fehlerverteilung definiert und größer/gleich dem Parameter ist, der zur Bestimmung der den gemeinsamen Bereich definierenden Einzelbereiche ausgewählt wurde.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verfahren zur Bestimmung der Lage und/oder Position eines Gegenstands, insbesondere eines Zuges, der sich entlang einer bekannten Strecke fortbewegt, kann eigentlich nach zwei unterschiedlichen Betriebsweisen umgesetzt werden:

– die lineare Betriebsweise, wenn der Zug auf einer Strecke fährt, die in der Nähe seiner Position keine Abzweigung aufweist, und
– die topologische Betriebsweise, wenn ein Zug in einen Weichenbereich einfährt oder wenn noch nicht sichergestellt ist, dass er diesen verlassen hat.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Positionsbestimmung eines sich linear fortbewegenden Zuges.
Im Falle einer topologischen Fortbewegungsart, d.h. in einem Weichenbereich zum Beispiel, werden im Folgenden Beispiele beschrieben, die es ermöglichen, aus der topologischen Betriebsweise schnell in die lineare Betriebsweise zurückzukehren und somit das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.
Es versteht sich, dass dieses Verfahren sich auf jedes beliebige sich entlang einer bekannten Strecke fortbewegende Fahrzeug erstreckt und beispielsweise auf ein in einem Kanalsystem sich fortbewegendes Schiff, auf ein sich auf einer Autobahn, deren genauer Verlauf bekannt ist, fortbewegendes Auto usw. angewendet werden kann.
Es ist zu bemerken, dass auf dem Gebiet der Eisenbahnsicherungstechnik die Strecke, die der Gegenstand, insbesondere der Zug, zurücklegt, im eisenbahntechnischen Sinn sicher und präzise bekannt ist. Daher gilt es einfach sicherzu stellen, dass ein Zug sich nicht einem gefährlichen Punkt (bestimmter Streckenabschnitt) nähert, seine Anwesenheit dem Folgezug bekannt zu geben und diesem mitzuteilen, wie weit er fahren kann, ohne den ersteren zu treffen.
Die Auffrischzeit in einem Eisenbahnsystem darf höchstens ein bis einige Sekunden betragen.
DIE LINEARE BETRIEBSWEISE
In dieser Betriebsweise wird die Position des Zuges als ein durch zwei Kilometerpunkte definierter Bereich, das heißt als ein durch zwei krummlinige Koordinaten definierter Vertrauensintervall, bestimmt, in dem es möglich ist, für eine identifizierte Strecke, deren genauer – bzw. wenn nicht genauer, so doch im eisenbahntechnischen sicheren Sinne wahrscheinlicher – Verlauf bekannt ist, die Nichtanwesenheit eines Zuges mit einer so kleinen Fehlerrate wie nötig zu definieren.
Das Kartensystem der Strecke gibt zwei sicherungstechnisch bekannte Gleichungen zwischen drei Koordinaten an (geographische Höhe, Breite und Länge). Das Kartensystem wird in eine sicherungstechnische Datenbank hinterlegt und vor Beginn der Inbetriebnahme an Bord des Zuges übertragen, indem die Vollständigkeit des Inhalts über die bekannten Mittel der Eisenbahnsicherungstechnik gewährleistet wird: Kodierung, Redundanz. Die gegebenenfalls erforderliche Aktualisierung derselben wird vorzugsweise über ein geeignetes Protokoll verwaltet.
Die dritte Gleichung ergibt sich aus einer Grundmessung, welche mindestens einen Satelliten und vorzugsweise ein Satellitenpaar mit einbezieht. Es handelt sich hierbei:

– entweder um eine Messung der Übertragungszeit zwischen einem Satelliten und einem am mobilen Gegenstand (dem Zug) angeordneten Empfänger, wodurch die Entfernung zwischen diesem Satelliten und dem Empfänger definiert wird, wobei dies für den Fall gilt, in dem der Empfänger einen Taktgeber besitzt, welcher auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit angehört, synchronisiert ist,
– oder um eine Messung des Unterschieds zwischen den Übertragungszeiten der jeweiligen Satelliten eines Satellitenpaares und ihres im mobilen Gegenstand (dem Zug) angeordneten Empfängers in dem Fall, in dem der Empfänger nicht mit einem Taktgeber ausgestattet ist, welcher auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit angehört, synchronisiert ist.

Es ist zu bemerken, dass bei Durchführung einer Grundmessung anhand von zwei Satelliten, die derselben Konstellation oder zumindest Konstellationen angehören, die die gleiche Referenzzeit verwenden, der im Zug angeordnete Empfänger nicht mit einem auf diese Referenzzeit synchronisierten Taktgeber versehen sein muss.
Wird hingegen eine Grundmessung mit nur einem einzigen Satelliten durchgeführt, so ist es unerlässlich, den im Zug angeordneten Empfänger mit einem Taktgeber auszustatten, welcher auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit angehört, synchronisiert ist.
Dadurch erhöhen sich die Kosten bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei sich jedoch die Anzahl der für jede Grundmessung benötigten Satelliten verringert.
Während einer Grundmessung (i = 1) wird man also versuchen, über ein Gleichungssystem (bestehend aus drei oder vier Gleichungen) mit mehreren Unbekannten (drei oder vier), die Position des sich fortbewegenden Fahrzeugs bzw. den auf der Strecke durch die beiden Kilometerpunkte Kⁱ _min und Kⁱ _max begrenzten Bereich D_i zu bestimmen, wobei die Zählung der beiden Kilometerpunkte von einer beliebigen Referenz ausgeht, die jedoch für jede Linie einzig ist, und die Entfernung zwischen den Kilometerpunkten
2 η_a c σ_i α_i
beträgt, wobei

– η ein die Geometrie der Fehlerverteilung definierender dimensionsloser Koeffizient ist,
– c die Lichtgeschwindigkeit ist,
– σ_i die bekannte Standardabweichung der zeitlichen Messfehler ist und
– α_i ein mit den Koordinaten der Satelliten und dem Verlauf der Bahnstrecke in Zusammenhang stehender dimensionsloser Koeffizient ist.

Bezeichnet man mit σ₁ die bekannte Standardabweichung der zeitlichen Messfehler bei dieser ersten Grundmessung, die beispielsweise anhand eines ersten Satellitenpaares vorgenommen wird, so kann ± η_a σ₁ mit einer Wahrscheinlichkeit von P_a (10^–2 bis 10^–4 zum Beispiel) als die Messfehlergrenze betrachtet werden, wodurch η_a als ein dimensionsloser Koeffizient definiert wird, welcher die Hypothese erlaubt, dass es sich bei einer Grundmessung um eine Gaußsche Verteilung handelt. Üblicherweise liegt η_a zwischen 1 und 4, vorzugsweise zwischen 2 und 3. Ist nämlich η_a zu groß, so verringern sich die Sicherheitskriterien bei den Messungen, d.h., es steigt die Wahrscheinlichkeit der Fehlerrate. Wird hingegen η_a zu klein gewählt, so erhöht sich die Gefahr, dass die Messungen nicht konvergieren und die Grundmessung also verworfen wird.
η_a und die Anzahl an Grundmessungen (und demnach die Anzahl der verwendeten Satelliten) müssen so ausgewählt werden, dass die vordefinierten Wahrscheinlichkeitsbedingungen erfüllt sind.
Zu bemerken ist, dass σ₁ die zufällige Verteilung von Fehlern einschließt, welche beispielsweise

– mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der Ionosphäre und der Troposphäre,
– mit den relativen Kalibrierungsfehlern der inneren Taktgeber der Satelliten,
– mit den Fehlern zwischen ihrer tatsächlichen und ihrer gesandten Position,
– mit den Synchronisierungsfehlern der erhaltenen Nachrichten,
– usw.

Die Grundmessung wird k mal (mit k Satelliten oder k verschiedenen Satellitenpaaren) wiederholt. Die k Grundmessungen können unter Verwendung von unterschiedlichen Konstellationen vorgenommen werden. Dadurch kommt es zur Bestimmung der Bereiche D₂a ... D_ka, die in der Art D₁a entsprechen.
Wenn alle diese Bereiche Dia eine Untermenge an Kilometerpunkten enthalten, die ihnen gemeinsam ist, so wird der gemeinsame Bereich D₀a als der Schnittpunkt der Bereiche Dia definiert. In diesem Fall sind die Parameter des Teilsystems der verwendeten Satelliten in ihrem normalen Betriebsmodus, jedenfalls was die zu diesem Zeitpunkt geforderte Messung anbelangt. Man kann diesen als notwendige Voraussetzung im Berechnungsalgorithmus vorgeben.
Zudem kann, wenn die Voraussetzung des Vorhandenseins D₀a erfüllt ist, die Wahrscheinlichkeit einer unbekannten Störung im Teilsystem der verwendeten Satelliten vernachlässigt werden, wobei diese Störung zur Nichtigkeit einer Messung oder zur Unterschätzung der Fehlerwahrscheinlichkeit im berechneten Bereich führen würde. Im umgekehrten Fall können ergänzende Messungen vorgenommen werden, wobei hierfür ein oder zwei zusätzliche Satelliten verwendet werden müssen.
Zu bemerken ist, dass die oben dargelegten Überlegungen auf die Verwendung von Satellitenpaaren beruht. Die gleiche Gedankenführung könnte selbstverständlich auch erfolgen, wenn einzelne mit dem Empfänger in Wechselwirkung stehende Satelliten verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass der Empfänger selbst einen Taktgeber besitzt, der auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit bzw. die Satelliten angehört bzw. angehören, synchronisiert ist. Dennoch bleibt das Vorsehen eines auf die Referenzzeit der Konstellation synchronisierten Taktgebers, beispielsweise eines Caesiumatomtaktgebers, relativ teuer und es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Lösung nicht unmittelbar in Erwägung gezogen wird.
Gehören schließlich die verwendeten Satellitenpaare unterschiedlichen Konstellationen an oder besteht über ein geeignetes Kontrollsystem die Möglichkeit, sich zu vergewissern, dass innerhalb ein und derselben Konstellation kein gemeinsamer Betriebsmodusfehler vorliegt, so beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass die tatsächliche Positionsbestimmung außerhalb eines – als die Vereinigung der Einzelbereiche D_i ^b : 2 η_b c σ_i α_i definierten – Vereinigungsbereichs D_u ^b liegt, höchstens (P_b)^k, wodurch die erforderlichen Fehlerwahrscheinlichkeiten von zwischen 10^–9 und 10^–12 erzielt werden können.
Der Koeffizient η_b wird mit η_b ≥ η_a definiert, so dass die Wahrscheinlichkeit P_b, dass eine Positionsbestimmung außerhalb des Bereichs 2 η_b c σ_i α_i liegt, so gering wie nötig gewählt werden kann (beispielsweise 10^–3 bis 10^–6).
Innerhalb ein und derselben Konstellation kann die Nichtanwesenheit eines gemeinsamen Betriebsmodusfehlers beispielsweise durch die Positionssuche von bekannten feststehenden Stationen aufgrund der gleichen Satellitenpaare bestimmt werden. Eine Störung kann den Zügen entweder über das Zentralstellwerk oder über eine lokale Funkverbindung bekannt gegeben werden. Die für diesen Vorgang benötigte Zeit muss dann der eigentlichen Berechnungszeit hinzugefügt werden.
DIE TOPOLOGISCHE BETRIEBSWEISE
Wie bereits eingangs beschrieben, sollte die Fahrt des Zuges in der topologischen Betriebsweise so schnell wie möglich in eine lineare Betriebsweise zurückgeführt werden, in der dann das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden kann.
Folgt beispielsweise ein Zug einem anderen und weist die zwischen ihnen liegende Bahnstrecke keine Weiche auf, so erfolgt die Positionierung des Folgezuges ausschließlich in der linearen Betriebsweise; seine zugelassene Bewegungsgrenze wird aufgrund der möglichen Kenntnis des Hinterteils des Zuges, der vor ihm fährt, berechnet, wobei dies im direkten oder indirekten Dialog mit diesem Zug erfolgt.
In der gleichen Weise gibt das System einem auf eine Weiche zu fahrenden Zug die Gewissheit, dass sich zwischen dieser Weiche und ihm kein weiterer Gegenstand befindet, indem beispielsweise der Zug die Berechtigung erhält, einen der Weiche zugeordneten Informationsträger („Token") in Besitz zu nehmen.
Sobald er im Besitz dieses Informationsträgers ist, kann der Zug entsprechend der ihm durch das Kontrollzentrum zugewiesenen Fahrstrecke die Weiche stellen. Indem er die Bestätigung erhält, dass die Weiche in der geforderten Position fixiert ist, ist die Topologie der Bahnstrecke für diesen Zug in der Nachbarschaft der Weiche bekannt: so kommt man zum vorhergehenden Fall zurück, und die Positionsbestimmung kann wieder linear erfolgen, nur dass jetzt, nach dem Überfahren der Weiche, möglicherweise der Referenz-Kilometerpunkt geändert und auf der neuen Strecke, auf der der Zug nun fährt, festgelegt werden muss.
Der Informationsträger wird der Weiche zurückgegeben, wenn sichergestellt ist, dass das Ende des Zuges diese verlassen hat; sie steht dann dem nächsten Zug zur Verfügung.
Das Zurückgeben des Informationsträgers geht häufig mit einem neuen Kartensystem einher (neue bekannte Strecke).
Abschließend sei angemerkt, dass man in diesem hypothetischen Fall wieder in den linearen Betriebsmodus zurückgekehrt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt die zur Durchführung des Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform erforderliche Einrichtung an Bord des Zuges.
2 zeigt die zur Durchführung des Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform erforderliche Einrichtung auf der Bahnstrecke.
3 zeigt die zur Durchführung des Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform erforderliche Einrichtung im Zentralstellwerk.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Unter den verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die im Folgenden beschriebene die charakteristischste. Sie wird anhand der oben erwähnten Figuren beschrieben, welche jeweils spezifische oder angepasste Elemente beschreiben, die an Bord des Zuges, auf der Bahnstrecke und am Kontrollzentrum angeordnet sind.
1 zeigt die zur Durchführung des Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform erforderliche Einrichtung an Bord des Zuges in einer nicht redundierten Fassung zur besseren Verfügbarkeit.
Nach der Technologie des verwendeten Satellitenempfängers und seines Decoders, kann diese Einrichtung zweigeteilt werden, so dass es nicht dazu kommen kann, dass Fehler die unterschiedliche Satelliten betreffenden übertragenen Daten in einer anscheinend kohärenten Weise beeinträchtigen.
Das Element Zielschnittstelle Train Interface Unit 1 (TIU) wird dann implementiert, wenn ein Zugschutz (ATP) dem System zugefügt wurde.
Die Bedienoberfläche Man Machine Interface 2 (MMI) ist normalerweise vorhanden und dient dem Dialog mit dem Zugführer. Bei einem ausschließlich zum Schutz vorgesehenen System, das nicht mit der Signalisierung im Stellwerk verbunden ist, würde diese entfallen. Die Einrichtung von zwei Stellwerken eines gleichen Zuges kann über denselben sicherungstechnischen Rechner 10 erfolgen.
Das Kartensystem 3 der Bahnstrecke ist ein Speicherbereich, der während des normalen Betriebs über den sicherungstechnischen Rechner 10 verwaltet wird, wobei zu Beginn der Inbetriebnahme ein Kontrollvorgang zusätzlich den Inhalt des Kartensystems über das Funkgerät 4 und das Zentralstellwerk prüft. Ist eine Aktualisierung notwendig, so wird eine angemessene Prozedur eingerichtet. Sie kann eine Validierung durch den Zugführer über die Bedienoberfläche Man Machine Interface 2 umfassen.
Das Funkgerät 4 ist eine Standardschnittstelle zu einem analogen oder digitalen Funkgerät Boden-Zug (einem GSM-R zum Beispiel).
Der sicherungstechnische (eigentlich eisenbahnsicherungstechnische) Rechner 10 bedient sich der herkömmlichen Technologien: Kodierung (NISAL oder FIDARE zum Beispiel) oder Redundanz (2 von 2), gegebenenfalls mit einer Redundanz zur Verbesserung der Verfügbarkeit (1 von 2, 2 von 3, 2 von 4) verbunden.
Der sicherungstechnische Rechner 10 ist mit dem Empfänger/Decoder des ersten Satelliten 5 und mit dem Empfänger/Decoder des zweiten Satelliten 6 in Kontakt. Üblicherweise sind diese Empfänger/Decoder Multikanal-Empfänger/Decoder und können gleichzeitig mit mehreren Satelliten in Verbindung stehen.
Nach einer weiteren Ausführungsform genügt es, einen Empfänger/Decoder vorzusehen, der im Zug angeordnet ist und über einen Taktgeber verfügt, der auf die Referenzzeit der Satellitenkonstellation synchronisiert ist. In diesem hypothetischen Fall genügt für jede Messung ein einziger Satellit.
Ausführungen mit verbesserter Verfügbarkeit werden dadurch realisiert, dass je nach Bedarf folgende Elemente hinzugefügt werden:

– zusätzliche Empfänger,
– eine zusätzliche Funkschnittstelle,
– eine Redundanzarchitektur für den Zentralrechner (dessen Speicher der Träger für das Kartensystem ist),
– eine ganz oder teilweise redundierte Architektur für die Bedienoberfläche Man Machine Interface (MMI) und für die Zielschnittstelle Train Interface Unit (TIU).

Ausführungen mit verbesserter Genauigkeit werden dadurch realisiert, dass gegebenenfalls ergänzende Sensoren 7 (Beschleunigungssensoren, Kreiselsensoren, Doppler-Radare, usw.) hinzugefügt werden.
2 stellt eine Grundausführung dar, die zur Verbesserung der Verfügbarkeit der in der Bahnstrecke erforderlichen wesentlichen Einrichtungen des Gegenstandscontrollers redundiert werden kann.
Der Gegenstandscontroller 20 steuert bei Bedarf das auf der Bahnstrecke befindliche betreffende Glied 22 (Gegenstand) und empfängt von diesem die relevanten Regelgrößen und Zustandsvariablen. Er verwaltet den Informationsträger 23, den er hütet, wenn dieser nicht von einem Zug oder einer spezialisierten, tragbaren oder feststehenden Einrichtung verwendet wird. Die Funkschnittstelle 24 ist derjenigen der Bordeinrichtung ähnlich.
Wie in dem Fall der Bordeinrichtung können verschiedene Redundanzausführungen realisiert werden.
Eine tragbare Streckeneinrichtung für die Streckenarbeiter und für bestimmte dringende Kopplungen auf den Verkehr ist ebenfalls denkbar. Sie ermöglicht es insbesondere den Arbeitern, ihre Position im Bahnnetz fehlerfrei zu bestimmen, sicherungstechnisch die geeigneten Verkehrseinschrän kungen einzurichten (und später wieder aufzuheben) und gegebenenfalls Meldungen über herannahende Züge zu erhalten.
In einer möglichen Ausführungsform ist die Architektur dieser Einrichtung derjenigen der Bordeinrichtung sehr ähnlich.
Die Funktionalitäten der Bedienoberfläche Man Machine Interface (MMI) sind angepasst: sie beinhalten nicht diejenigen, die auf dynamische Daten der Einrichtung beruhen (Entfernung, Ziel, Geschwindigkeit, usw.), ermöglichen aber bestimmte Operationen auf den Informationsträgern des Systems.
Die Zielschnittstelle Train Interface Unit (TIU) wird zur Alarmschnittstelle (zum akustischen Alarm beispielsweise) eines herannahenden Zuges.
Zur Erhöhung der Genauigkeit in der Nähe von kritischen Stellen (bei der Einfahrt in einen Bahnhof zum Beispiel) oder zu Überwachungszwecken der verwendeten Konstellation, kann eine ergänzende feststehende Einrichtung zur Positionsbestimmung auf der Bahnstrecke an den geeigneten Stellen montiert werden. Auch diese Einrichtung ist der 1 beschriebenen sehr ähnlich, sie umfasst aber diesmal weder eine Zielschnittstelle Train Interface Unit (TIU) noch eine Bedienoberfläche Man Machine Interfache (MMI). Zudem hat sie im Prinzip keine Funktionalitäten zur Verwaltung der Informationsträger, sondern ist nur dafür vorgesehen, auf Anfrage den Zügen oder dem Zentralstellwerk die von ihm erfassbaren momentanen Abweichungen in der Positionsbestimmung (lineare Positionsbestimmung) für jedes vom System verwendetes Satellitenpaar mitzuteilen. Diese Abweichungen werden dazu verwendet, das Vertrauensintervall der Messungen zu verringern und die verwendeten Satelliten zu validieren.
3 beschreibt das Zentralstellwerk nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Mindestanzahl an Funktionen sicherungstechnisch verarbeitet wird. Mit Ausnahme der Kontrolle des Kartensystems werden die Grundfunktionen der Einrichtung ausgeführt, ohne auf die Sicherungstechnik im Zentralstellwerk zurückzugreifen.
In der Praxis können sicherungstechnische Einrichtungen 40, 41, 42, 43, 44 hinzugefügt werden, um so vom Zentralrechner 30 aus ergänzende Funktionen auszuführen: Sicherheit der Streckenarbeiter, verschiedene Schutzvorrichtungen, verlagerte Funktion zur Kompatibilität mit nicht vollständig ausgerüsteten Fahrzeugen, Backup im Falle einer Störung, usw.
Die Verwaltung des Kartensystems 33 erfolgt nicht in Echtzeit aber sicherungstechnisch über eine mit 38 bezeichnete Einrichtung.
Die Systemanordnung (Vorfahrt für die Züge, Anweisung an diese, mit den verschiedenen Gegenstandscontrollern einen Kontakt herzustellen, um dort die sie betreffenden Informationsträger in Besitz zu nehmen, usw.) erfolgt durch den Zentralrechner und den Operator über die Konsole 42 zur Überwachung der Vorgänge in Übereinstimmung mit den zuvor erstellten Zeittabellen über die Konsole 41 für die Zeitverwaltung.
Die Wartungsüberwachung und die besonderen Eingriffe (Dringlichkeiten, Backup für teilweise mit einer Störung behaftete Züge, usw.) können über spezialisierte Konsolen 40, 41, 42, 43, 44 (wie sie in 3 dargestellt sind) oder über dieselbe Konsole wie die Konsole zur Überwachung der Vorgänge zum Beispiel vorgenommen werden. Eigentlich muss die Gesamtzahl der Konsolen 40, 41, 42, 43, 44 an die Bedürfnisse der Anlage angepasst werden.
Die Funkschnittstellen 34, 35, 36 stellen über einen Funkbus 37, der im Allgemeinen redundiert wird, die Verbindung zwischen dem Zentralrechner 30 und den Satelliten her.

Claims

Verfahren zur im eisenbahntechnischen Sinn sicheren Bestimmung der Lage und/oder der Position eines aus einem Schienenfahrzeug bestehenden Gegenstands, bei dem die besagte Lage und/oder die besagte Position des Gegenstands durch eine zu einer gegebenen Zeit gültige Berechnung bestimmt wird, wobei die Berechnung einerseits auf Grundmessungen, die jeweils mindestens einen Satelliten miteinbeziehen, und andererseits auf einem Kartensystem mit sicherheitsrelevanten Daten der bekannten Strecke beruht, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Grundmessungen (i) darin bestehen, entlang der besagten Strecke zwischen zwei Kilometerpunkten (Kⁱmin und Kⁱmax) einen Einzelbereich (D_i) durch Messung zu bestimmen, wobei jeder Bereich abhängig ist von der Standardabweichung (σ_i) der zeitlichen Messfehler der besagten Grundmessung (I), der Lichtgeschwindigkeit (c), einem mit den Koordinaten des besagten betreffenden Satelliten und dem Verlauf der Bahnstrecke in Zusammenhang stehenden Koeffizienten (α_i), und einem Gewichtungsfaktor (η), der die Geometrie der Fehlerverteilung für jede erfolgte Messung definiert, so dass die Wahrscheinlichkeit (P_i) der Nichtanwesenheit des Zuges in dem besagten Einzelbereich (D_i) vordefiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des besagten Kartensystems mit sicherheitsrelevanten Daten zwei Relationen mit drei Unbekannten, die die Koordinate des besagten Gegenstands, dessen Lage und/oder Position man wissen möchte, darstellen, erstellt werden können, wobei mindestens eine weitere Relation zwischen den drei gleichen Unbekannten aufgrund der durch mindestens einen Satelliten, dessen Position bekannt ist, übertragenen Informationen erstellt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmessung durch eine Redundanzmessung wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrere zur gleichen gegebenen Zeit aufgrund von unterschiedlichen Satelliten oder von unterschiedlichen Satellitenpaaren gleichzeitig durchgeführte Grundmessungen (i) mehrere Einzelbereiche (D_i) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Durchführung von mehreren Grundmessungen die Anzahl an Satelliten erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein eines gemeinsamen Bereichs (D₀) bestimmt wird, der als Schnittpunkt der, vorzugsweise aller, unterschiedlichen Einzelbereiche (D_i) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbereiche (D_i), die mit dem gemeinsamen Bereich (D₀) keine Gemeinsamkeit aufweisen, verworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (D_u) als Bereich der möglichen Anwesenheit bestimmt wird, der die nicht verworfenen Einzelbereiche (D_i) in sich vereint.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeit der Nichtanwesenheit im Vereinigungsbereich (D_u) die Multiplikation der Wahrscheinlichkeiten der Nichtanwesenheit in den bekannten Einzelbereichen (D_i) ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Vereinigungsbereich (D_u) definierenden Einzelbereiche (D_i ^b) von einem Parameter (η_b) abhängig sind, der die Geometrie der Fehlerverteilung definiert und größer/gleich dem Parameter (η_a) ist, der zur Bestimmung der den gemeinsamen Bereich (D₀) definierenden Einzelbereiche (D_i ^a) ausgewählt wurde.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundmessung anhand von mindestens einem Satellitenpaar durchgeführt wird, wobei die Satelliten die gleiche Referenzzeit verwenden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Grundmessung verwendete Satellitenpaar derselben Konstellation angehört.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von mindestens einem einer Konstellation angehörenden Satelliten und eines mit dem sich entlang der bekannten Strecke fortbewegenden Gegenstand verbundenen Empfängers eine Grundmessung durchgeführt wird, wobei der besagte Empfänger einen Taktgeber besitzt, welcher auf die Referenzzeit der Konstellation, welcher der Satellit angehört, synchronisiert ist.