DE102021204372A1

DE102021204372A1 - Orientierungsbasierte Positionsermittlung von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE102021204372A1
Application number: DE102021204372.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Seidel; Kristian Weiß
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03
Also published as: US20240140504A1; WO2022228738A1; EP4277827A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs (2) beschrieben. Bei dem Verfahren werden Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, erfasst. Auf Basis der Sensordaten (SD) wird eine zeitabhängige Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt. Auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten wird außerdem eine geschätzte Geschwindigkeit (Vlok) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt wird. Auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (Vlok) und der zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) wird nachfolgend eine wegabhängige Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt. Weiterhin wird eine absolute Position (pabs(t)) des Schienenfahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung ermittelt. Es wird auch eine Positionsermittlungseinrichtung (20) beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (2) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs. Außerdem betrifft die Erfindung eine Positionsermittlungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
Die Kenntnis der Position eines Schienenfahrzeugs kann für die Lösung vieler unterschiedlicher Aufgaben und Problemstellungen genutzt werden. Beispielsweise kann eine automatisierte Steuerung der Fahrt des Schienenfahrzeugs ortsabhängig erfolgen. Allgemein kann das Fahrverhalten eines Schienenfahrzeugs, insbesondere die Geschwindigkeit oder Haltemanöver ortsabhängig gesteuert werden.
Eine Möglichkeit, die Position eines Fahrzeugs zu ermitteln, kann mit Hilfe eines satellitenbasierten Navigationssystems (GNSS = global navigation satellite system) realisiert werden. Allerdings sind Satellitensignale nicht immer verfügbar und außerdem ist die Genauigkeit der Satellitennavigation bei standardmäßig aufgebauten Systemen auf einige wenige Meter beschränkt. Verbesserte Genauigkeiten können zum Beispiel durch RTK-Positionsmessungen erreicht werden. Bei RTK-Positionsmessungen werden zwei Empfangsantennen benötigt, die erste ist die Referenzstation, die zweite der sogenannte Rover, dessen Position durch dreidimensionales polares Anhängen an die Referenzstation nach dem Basislinienverfahren bestimmt wird. Meist existiert ein durch einen Betreiber bereitgestelltes Netz von Referenzstationen. Mithin müssen fest installierte Referenzstationen bereitgestellt werden, was zu einem im Vergleich zur herkömmlichen Satellitennavigation deutlich erhöhten Ressourcenaufwand beiträgt.
Eine andere Herangehensweise zur Positionsbestimmung ist durch eine simultane Positionsbestimmung und Kartierung (SLAM = Simultaneous Localization and Mapping = Simultane Positionsbestimmung und Kartierung) gekennzeichnet. Dabei wird durch Sensoren eine Karte der Umgebung eines Schienenfahrzeugs erstellt und seine räumliche Lage innerhalb dieser Karte ermittelt. Durch einen Vergleich der erstellten Karte mit einer Referenzkarte kann dann eine absolute Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden. Eine besondere Herausforderung bei dieser Herangehensweise besteht darin, dass für eine genaue Positionsbestimmung eine entsprechend detaillierte Karte benötigt wird und für die Generierung einer detaillierten Karte die genaue Position der Sensoreinheit bekannt sein muss. Mithin können also die Kartenerstellung sowie die Selbstlokalisierung nicht unabhängig voneinander gelöst werden. Die Ermittlung der Karte erfolgt inkrementell, wobei die Bewegung des Schienenfahrzeugs anhand von Positionsänderungen von Kartenpunkten ermittelt werden kann. Da die Bewegung des Schienenfahrzeugs zwischen zwei Messungen aber nie exakt ermittelbar ist, wird die berechnete Position des Schienenfahrzeugs immer weiter von der wahren Position abweichen. Um die Konsistenz der Karte zu erhalten, muss mit Hilfe eines Algorithmus erkannt werden, wenn ein schon bekannter Teil der Umgebung erneut vermessen wird. Diese Verfahren sind oft sehr rechenaufwändig und gegebenenfalls eher ungenau.
Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs bereitzustellen, welches mit reduziertem Aufwand und ausreichender Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1, eine Positionsermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12, und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs werden Sensordaten, welche mit einer Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs korreliert sind, erfasst. Die Sensordaten können zum Beispiel mit einem winkelauflösenden Sensor, vorzugsweise einem winkelauflösenden Radarsensor, erfasst werden. Der Sensor ist vorzugsweise an der Frontseite des Schienenfahrzeugs angeordnet und in Fahrtrichtung bzw. in Richtung der Längsachse des Schienenfahrzeugs ausgerichtet. Der Sensor kann aber auch an einer anderen Stelle des Schienenfahrzeugs angeordnet sein. Wie später noch ausführlicher erläutert, kann ein Schienenfahrzeug auch mehrere, auch an unterschiedlichen Stellen des Schienenfahrzeugs angeordnete Sensoren aufweisen. Die Sensoren können auch unterschiedliche Funktionsweisen aufweisen, bzw. deren Messungen können auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren. Auf Basis der Sensordaten wird eine zeitabhängige Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs ermittelt. Außerdem wird auf Basis der erfassten Sensordaten und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten eine geschätzte Geschwindigkeit ermittelt. Eine solche geschätzte Geschwindigkeit weist im Gegensatz zu einer auf Basis der durch das erfindungsgemäße Verfahren zu ermittelnden Position des Schienenfahrzeugs bzw. auf Basis einer daraus zeitlich abgeleiteten Positionsänderung ermittelten Geschwindigkeit eine geringere Genauigkeit auf. Wird diese Geschwindigkeit auf Basis von Sensordaten von Sensoren, welche die Umgebung des Schienenfahrzeug abtasten, als Relativgeschwindigkeit zur Umgebung ermittelt, so kann von einer „lokalen Geschwindigkeit“ des Schienenfahrzeugs gesprochen werden, die durch die beschriebene Schätzung ermittelt wird. Die geschätzte Geschwindigkeit kann aber auch auf Basis zusätzlicher Sensordaten, welche auf ein globales System bezogen sind, wie zum Beispiel Satellitennavigationsdaten, ermittelt werden.
Auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit und der zeitabhängigen Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs wird eine wegabhängige Orientierung des Schienenfahrzeugs ermittelt. Als Orientierung, auch „Heading“ genannt, soll die Richtung verstanden werden, in die eine durch das Schienenfahrzeug verlaufende Längsachse gerichtet ist. Diese Richtung kann in Richtung des Schienenstrangs bzw. tangential zum Schienenstrang orientiert sein. Weiterhin wird eine absolute Position des Schienenfahrzeugs durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs mit Referenzdaten einer wegabhängigen Orientierung ermittelt. Die Referenzdaten können zum Beispiel auf Basis von Kartendaten, in denen ein Schienenverlauf eingezeichnet ist, gewonnen werden. Sie können aber auch durch Abfahren einer Strecke und eine simultane Orientierungsmessung oder eine Kombination aus den beiden genannten Vorgehensweisen gewonnen werden.
Vorteilhaft werden für die Positionsermittlung des Schienenfahrzeugs keine infrastrukturseitigen Systeme, wie zum Beispiel Satelliten, Balisen, Magnetschleifen, benötigt und es wird auch keine Verwendung von Gray Codes oder optischen Markern benötigt. Vorteilhaft werden Kosten im Vergleich zu den mit einer Aufrüstung der Infrastruktur verbundenen Verfahren gespart. Trotz des reduzierten Aufwands wird eine im Vergleich zu einfachen herkömmlichen Positionsermittlungsverfahren erhöhte Genauigkeit erreicht. Im Gegensatz zu Ansätzen mit der bereits erwähnten SLAM-Technik müssen erfindungsgemäß keine Merkmalspunkte oder Landmarken in aufeinanderfolgenden Zeitschritten wiedergefunden werden. Weiterhin lässt sich eine robuste Lokalisierung erreichen, welche insbesondere im Gegensatz zur Rad-Odometrie auch robust gegen Rutschen und Gleiten, im Englischen als „Slip and Slide“ bezeichnet, sind.
Die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung weist eine Orientierung-Sensoreinheit zum Erfassen von Sensordaten, beispielsweise von der Umgebung eines Schienenfahrzeugs, auf, welche mit einer Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs korreliert sind. Teil der erfindungsgemäßen Positionsermittlungseinrichtung ist auch eine Orientierungsänderung-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs auf Basis der erfassten Sensordaten. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung eine Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs auf Basis der erfassten Sensordaten und/oder von zusätzlich erfassten Sensordaten. Außerdem weist die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung eine Orientierung-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit und der erfassten Sensordaten auf. Überdies umfasst die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung eine Position-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer absoluten Position des Schienenfahrzeugs durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs mit Referenzdaten einer wegabhängigen Orientierung. Die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs.
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung auf. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug eine Steuereinheit zur Steuerung einer Fahrt des Schienenfahrzeugs auf Basis einer von der Positionsermittlungseinrichtung ermittelten Position des Schienenfahrzeugs und eine Traktionseinheit zum Antrieb des Schienenfahrzeugs auf Basis von Steuerbefehlen der Steuereinheit. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsermittlungseinrichtung.
Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsermittlungseinrichtung können, gegebenenfalls nach Ergänzung um Hardwaresysteme, wie zum Beispiel eine Sensoreinheit, zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Orientierungsänderung-Ermittlungseinheit, der Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit, der Orientierung-Ermittlungseinheit und der Position-Ermittlungseinheit.
Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme nach einer eventuellen Ergänzung durch zusätzliche Hardwareelemente, wie zum Beispiel zusätzliche Sensoreinheiten, auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Software realisierbaren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.
Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs umfasst der Abgleich eine Ermittlung einer Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs und den Referenzdaten einer wegabhängigen Orientierung eines Schienenfahrzeugs. Zusätzlich zu der Orientierung des Schienenfahrzeugs kann auf Basis der Sensordaten auch die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt werden und ein zurückgelegter Weg auf Basis der ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt werden, um das Messsignal auf das Referenzsignal bzw. die durch Sensormessung ermittelten Orientierungsdaten auf die Referenzdaten zu normieren.
Für die Referenzdaten, welche auf Kartendaten basieren, sowie die Sensordaten, also die Messdaten, wird ein gemeinsames Sampling-Intervall festgelegt, welches nicht zu grob gewählt werden sollte, um nicht an Auflösung zu verlieren. Anschließend wird die Orientierung für beide Datensätze entsprechend der gewählten Abtastung linear interpoliert.
Die beiden Datensätze können zum Beispiel komplexe Phasen i* h_mess, i*h_map von Orientierungswinkeln umfassen, die mit einer komplexen Kreuzkorrelationsfunktion r(k) miteinander korreliert werden: $r (k) = \sum_{n = - \infty}^{n = \infty} e^{- i h_{m a p} [n]} e^{i h_{m e s s} [n + k]} .$
Die beiden Variablen n und k sind ganze Zahlen, die die Abtastintervalle abzählen. Bei dem Abgleich wird ein betragsmäßiges Maximum der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion r(k) ermittelt. An der Stelle kmax des Maximums wird ermittelt, ob das Maximum ausreichend ausgeprägt ist. Das bedeutet insbesondere, dass ermittelt wird, ob das Maximum der Korrelationsfunktion r(k) der bereits zurückgelegten Wegstrecke ausreichend groß ist bzw. eindeutig ist.
Ist das der Fall, so beschreibt die Stelle des Maximums kmax den Versatz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal. Die Eindeutigkeit des Maximums kann auch durch die Auswertung einer Autokorrelationsfunktion der durch Messung ermittelten wegabhängigen Orientierung über den bereits zurückgelegten Weg ermittelt werden. Wenn die Autokorrelationsfunktion nur Nebenmaxima unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts aufweist, ist die Lokalisierung innerhalb der bisher zurückgelegten Strecke möglich. Es kann auch eine Korrelation in einem Suchbereich durch vorheriges Wissen basierend beispielsweise auf Satellitennavigation, Ortungsmarken oder Mobilfunkdaten abgeschätzt werden und ermittelt werden, ob die derart abgeschätzte Korrelationsfunktion ein hinreichend ausgeprägtes Maximum aufweist, damit eine eindeutige Lokalisierung möglich ist.
Allgemein kann gesagt werden, dass die Höhe der Kreuzkorrelation ein Gütemaß für die Schätzung der Position eines Schienenfahrzeugs ist.
Die komplexe Phase beschreibt die Differenz der Phase des Vergleichssignals zum Referenzsignal und kann als Korrekturwert für die Orientierungsmessung genutzt werden. Auf Basis des ermittelten Versatzes kann der korrekte Startpunkt des Messsignals im Referenzsignal ermittelt werden. Anschließend wird über die Projektion der zurückgelegten Entfernung auf die kartierte Strecke der aktuelle Streckenpunkt ermittelt. Weiterhin kann eine absolute bzw. globale Position mit Hilfe von den Streckenpunkten zugeordneten Koordinaten von Kartendaten ermittelt werden.
Der Graph der wegabhängigen Orientierung der Karte und der Messung kann auch in stetige Abschnitte unterteilt werden, mit dem Ziel, die Datenmenge zu reduzieren und gegebenenfalls „Störstellen“, d.h. Abweichungen von dem Heading des Streckenverlaufs, z.B. durch S-Verlauf entstandene kleine Variationen, zu eliminieren. Für eine Positionsermittlung werden nachfolgend Kartenabschnitte bevorzugt, welche ein gutes Korrelationsergebnis aufweisen.
Das für die Kreuzkorrelation genutzte Messsignal bzw. die auf dessen Basis ermittelte wegabhängige Orientierung kann in stetigen Bereichen gestaucht bzw. gestreckt werden, um die Korrelation zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein Fehler einer odometrischen Wegschätzung ausgeglichen bzw. ermittelt werden und so eine genauere Lokalisierung ermöglicht werden.
Die Kreuzkorrelationsfunktion r(k) kann auch alternativ eine reelle Korrelationsfunktion umfassen. Allerdings liefert eine komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r(k) in der Regel eindeutigere Maxima, so dass sie sich besser zur Positionsermittlung eignet.
Zur Erfassung der Sensordaten, welche mit einer Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs korreliert sind, kann eine der folgenden Sensorsystemarten genutzt werden:

- ein Radarsystem,
- eine inertiale Messeinheit,
- ein Satellitennavigationssystem,
- ein Beschleunigungssensorsystem,
- ein Magnetfeldsensorsystem,
- ein Ultraschallsensorsystem,
- ein laserbasiertes Messsystem,
- ein auf der Modulation radioaktiver Strahlung basierendes Messsystem,
- ein kamerabasiertes, vorzugsweise stereokamerabasiertes Messsystem.

Wird ein Radarsystem genutzt, so kann insbesondere das REMER-Verfahren (REMER = Robust Ego Motion Estimation with Radar) verwendet werden, um eine Orientierungsänderung sowie eine Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs zu ermitteln. Das genannte REMER-Verfahren ist in einer deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2020 206 771.6 beschrieben.
Auch mit einer inertialen Messeinheit kann eine Orientierungsänderung eines Schienenfahrzeugs ermittelt werden.
Es können auch unterschiedliche Messmethoden mit unterschiedlichen Sensoren oder Sende-/Empfangssystemen kombiniert werden. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Satellitennavigationssystems eine grobe Position eines Schienenfahrzeugs ermittelt werden, deren Kenntnis dazu verwendet wird, Referenzdaten eines korrespondierenden Schienenabschnitts mit dem auf einer Messung basierenden Signal einer Orientierung des Schienenfahrzeugs zu korrelieren.
Beispielsweise können auch 3D-Daten von einer Umgebung eines Schienenfahrzeugs erfasst und/oder erzeugt werden, mit denen eine exakte Einschätzung einer Positionierung des Schienenfahrzeugs möglich ist.
Es können auch als 3D-Daten von der Umgebung Tiefensensordaten erfasst werden. Ein solcher Tiefensensor erlaubt eine dreidimensionale Abtastung eines zu überwachenden Bereichs, wodurch eine Position oder eine Orientierung eines Schienenfahrzeugs im dreidimensionalen Raum genauer ermittelbar ist.
Die 3D-Daten können beispielsweise durch eine Lidareinheit oder eine Stereokamera von der überwachten Umgebung erfasst werden. Lidareinheiten oder Stereokameras werden auch zur Detektion von Kollisionshindernissen für ein Schienenfahrzeug genutzt. Vorteilhaft können diese speziellen Sensoreinheiten zusätzlich für die Selbstlokalisierung des Schienenfahrzeugs verwendet werden, ohne zusätzliche Sensoreinheit installieren zu müssen.
Die 3D-Daten können vorzugsweise als Tiefenbild oder als Punktwolke wiedergegeben werden. Punktwolken eignen sich insbesondere für die Erfassung der Umgebung durch Lidarsysteme oder allgemein laserbasierte Systeme, da damit die zu verarbeitende Datenmenge beschränkt wird.
Die 3D-Daten können auch auf Basis von Videodaten von einer Mono-Kamera und auf Basis der Detektion des optischen Flusses der erfassten Videodaten ermittelt werden. Das Konzept der Ermittlung von 3D-Daten auf Basis der Erfassung des optischen Flusses lässt sich zum Beispiel durch Anwendung eines „structure from motion“-Algorithmus realisieren. Vorteilhaft kann auf eine aufwändige 3D-Kamera verzichtet werden und trotzdem können dreidimensionale Informationen von der Umgebung des Schienenfahrzeugs erzeugt werden, auf deren Basis eine Orientierung und Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden kann.
Zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs wird vorzugsweise durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs mit Referenzdaten zunächst ein Anfangspunkt für die erfassten Orientierungsdaten in den Referenzdaten ermittelt, welcher einem Anfangspunkt einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten entspricht. Weiterhin wird eine absolute Startposition des Schienenfahrzeugs durch eine dem Anfangspunkt in den Referenzdaten zugeordnete Absolutposition in einer Karte ermittelt. Eine dynamische Absolutposition kann dann durch Ermittlung einer zurückgelegten Wegstrecke auf Basis der korrelierten Referenzdaten und einer Projektion der Länge der zurückgelegten Wegstrecke auf einen in der Karte eingezeichneten Streckenverlauf ermittelt werden. Vorteilhaft kann eine exakte globale Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden, deren Genauigkeit nur durch die Genauigkeit der Messungen und die Genauigkeit der verwendeten Karte sowie durch das der Karte zugrundeliegende geodätische Modell limitiert ist.
Die Zuverlässigkeit der ermittelten Absolutposition des Schienenfahrzeugs kann durch eine der folgenden Methoden geprüft werden:

- Ermitteln von Konfidenzwerten auf Basis der Ermittlung der Orientierungswerte,
- Ermitteln auf Basis der Kurvenform der Kreuzkorrelationsfunktion, ob ein eindeutiger Abgleich zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs und den Referenzdaten möglich ist,
- Vergleichen von sequentiellen Korrelationsverschiebungen, welche auf die Trajektorie des Schienenfahrzeugs in longitudinaler Richtung abgebildet werden, mit einer aktuell gemessenen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, um zu prüfen, ob die Schätzung im Zeitverlauf plausibel ist.

Die Konfidenzwerte werden auf Basis der über die Streckenlänge normierten Peakhöhe der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der auf dem Messsignal basierenden Orientierung und der referenzdatenbasierten Orientierung sowie auf Basis der Höhe der Nebenmaxima der Autokorrelationsfunktion der Messung und der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der Messung und den streckenbasierten Referenzdaten ermittelt.
Die Untersuchung der Kurvenform umfasst die Untersuchung der Höhe von Nebenmaxima, des Abstands dieser Nebenmaxima sowie der Schärfe des Hauptmaximums der Kreuzkorrelationsfunktion. Ein scharfes Maximum erlaubt eine präzisiere Positionsbestimmung als ein schwächer ausgeprägtes Maximum. Außerdem wird das höchste lokale Maximum neben dem absoluten Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion sowie dessen Abstand zu dem absoluten Maximum ermittelt.
Das Vergleichen von sequenziellen Korrelationsverschiebungen umfasst den Vergleich einer Streckendistanz von durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnenen Positionen zu mindestens zwei nicht zwingend aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten mit einer Strecke, welche durch das bei der Positionsschätzung genutzte Geschwindigkeitsschätzverfahren und durch Integration der geschätzten Geschwindigkeitsdaten in dem korrespondierendem Messzeitraum ermittelt wird. Vorteilhaft kann eine fehlerhafte Positionsermittlung erkannt werden. Auf diese Weise können zum Beispiel auch bestimmte Streckenabschnitte, die nicht für eine Positionsermittlung durch das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, erkannt werden.
Bei der Überprüfung, ob ein Korrelationsergebnis valide ist, kann auch die Korrelationshöhe, also das Verhältnis des Maximums der Korrelationsfunktion zur Länge des korrespondierenden Streckenabschnitts herangezogen werden. Im Fall keines Korrelationsergebnisses innerhalb einer vorgegebenen Toleranz kann dies auf eine Veränderung des Schienenverlaufs hinweisen. Gegebenenfalls kann diese Veränderung an eine zentrale Stelle zur Überprüfung des Schienenverlaufs übermittelt werden, falls das Korrelationsergebnis einen Schwellwert unterschreitet. Beispielsweise kann so eine für die zentrale Stelle bisher noch nicht bekannte Umgehungsführung in einem Streckenabschnitt bekannt gemacht werden.
Eine Kalibration einer Sensorausrichtung von Sensoren eines Schienenfahrzeugs kann durch die erfindungsgemäße Korrelation von unkalibrierten Messdaten mit Referenzdaten erfolgen. Die Orientierung der Sensoren eines Schienenfahrzeugs weist eine gewisse Abweichung von einem Sollwert auf. Um Ungenauigkeiten bei der Messung von Sensordaten und deren Verarbeitung zu vermeiden, kann vorteilhaft eine Kalibration durch Abgleich von auf Sensordaten basierenden Orientierungswerten mit Referenzdaten durchgeführt werden. Der Abweichung entspricht ein linearer Trend bzw. eine Steigung der Orientierungswerte der Messdaten. Auf Basis dieser Steigung Δφ/Δs kann dann ein Abweichungswinkel β berechnet werden.
Für einen geradlinigen Streckenverlauf mit α = 0 ergibt sich für die Abweichung $β = a r c s i n (l \frac{Δ φ}{Δ s}),$
wobei 1 den Abstand des Sensors zum Drehpunkt beschreibt. Die Verdrehung bzw. Abweichung β kann auch durch eine regelmäßige Überprüfung ermittelt werden.
Auf Basis der Positionsermittlung und/oder Kalibration kann auch eine Zustandsüberwachung und/oder eine Asset-Überwachung durchgeführt werden.
Im Rahmen der Zustandsüberwachung kann zum Beispiel eine Karte durch eine präzisierte Trajektorie erstellt werden. Es können auch Fehlstellen und/oder Fehler in einer existierenden Karte auf Basis der präzisierten Trajektorie erkannt und eliminiert werden. Außerdem können auch Fehlstellen in einer physikalischen Schiene eines Gleiskörpers ermittelt werden.
Beispielsweise kann dabei eine einseitige Absenkung, welche sich durch einen Sinus-Lauf eines Schienenfahrzeugs an einer Stelle äußert, an der das nicht zu erwarten ist, ermittelt werden. Die Zustandsüberwachung kann auch das Erkennen einer Gierbewegung oder eines Sinus-Laufs des Schienenfahrzeugs umfassen, da sich eine solche Abweichung in der gemessenen Orientierung des Schienenfahrzeugs äußert.
Es kann auch die Länge eines Schienenfahrzeugs oder Zugs durch Ergänzung eines rückseitigen Sensors ermittelt werden. Der rückwärtige Sensor liefert ebenfalls wie auch ein an der Fronseite des Schienenfahrzeugs angeordneter Sensor ein Orientierungssignal, welches mit dem Streckenverlauf korreliert ist. Die Orientierungssignale des vorderen Sensors und des rückseitigen Sensors können gegeneinander korreliert werden. Die bei der Korrelation ermittelte Verschiebung ergibt dann die Länge des Schienenfahrzeugs bzw. Zuges. Alternativ können die Orientierungswerte auf Basis des vorderen Sensors und des rückseitigen Sensors mit Referenzdaten korreliert werden. Die Differenz der globalen Position der Front und des Endes des Zugs kann dann als Zuglänge ermittelt werden. Beispielsweise kann auf diese Weise beim Anfahren, Bremsen und in Kurvenfahrten beobachtet werden, wie sich eine Zuglänge ändert.
Es können auch andere Abstände bzw. Längen eines Zugs oder Schienenfahrzeugs gemessen werden, wenn ein Sensor nicht an der Rückseite bzw. am Ende des betreffenden Schienenfahrzeugs, sondern irgendwo zwischen dem Anfang und dem Ende des betreffenden Schienenfahrzeugs angeordnet wird.
Auch kann die Kenntnis einer genauen globalen Position eines Schienenfahrzeugs zur Identifikation stationärer Ziele als Landmarken für eine Kartierung oder zur Relokalisierung genutzt werden.
Weiterhin kann die Orientierung einzelner Wagons eines Zugs anhand von Karteninformation basierend auf dem Verlauf der Orientierung der Strecke genauer ermittelt werden, wenn die Position des Zugs genauer bekannt ist.
Darüber hinaus kann auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierend auch eine Asset-Überwachung erfolgen. Diese Überwachung kann im Fall der Verwendung von Radarsignalen zur Orientierungsmessung durch RCS-Filterung (RCS = Radio Cross Section = Radio-Querschnitt) erfolgen. Bei der RCS-Filterung erfolgt eine Selektion anhand eines ermittelten RCS-Wertes basierend auf der empfangenen Signalenergie einzelner Ziele oder Cluster bzw. gruppierter Ziele.
Beispielsweise kann mit RCS-Filterung die Dichte und/oder Feuchtigkeit und/oder der Gesundheitszustand der einen Schienenbereich umgebenden Vegetation überwacht werden oder es kann der Erhaltungszustand von Infrastruktur, wie zum Beispiel Oberleitungsmasten, welche organisches Material umfasst, überwacht werden. Organisches Material ändert z.B. je nach Feuchtigkeit seine Reflexionseigenschaften. Auch die Menge an Material im Raum bzw. die Dichte hat einen Einfluss auf die reflektierte Signalenergie. Allgemein lassen sich so Objekte in der Umgebung des Schienenfahrzeugs und deren Zustand, soweit er mit der Signalenergie der von ihnen reflektierten Signale korreliert ist, überwachen.
Die erfassten Sensordaten können auch kombiniert werden, um die Position und Orientierung des Schienenfahrzeugs oder die Position von Objekten in der Umgebung des Schienenfahrzeugs genauer ermitteln zu können. Beispielsweise sind bestimmte Sensoren besonders geeignet für bestimmte Wetterbedingungen. Gegebenenfalls können diese Sensordaten entsprechend den aktuellen Wetterbedingungen derart gewichtet werden, dass ein angepasstes Messergebnis erreicht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
2 eine schematische Darstellung einer Positionsermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein Schaubild, welches eine reellwertige und eine komplexwertige Autokorrelationsfunktion zwischen einer gemessenen Orientierung eines Schienenfahrzeugs und Referenzdaten veranschaulicht,
4 ein Schaubild, welches Maxima einer reellwertigen und einer komplexwertigen Autokorrelationsfunktion zwischen einer gemessenen Orientierung eines Schienenfahrzeugs und Referenzdaten veranschaulicht,
5 ein Schaubild, welches eine Verschiebung zwischen einer durch reellwertige Korrelation ermittelten Orientierungskurve und einer durch komplexwertige Korrelation ermittelten Orientierungskurve veranschaulicht,
6 ein Schaubild, welches eine Kalibration eines Orientierungssensors durch Vergleich von gemessenen Orientierungsdaten mit Referenzdaten veranschaulicht,
7 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
Bei dem Schritt 1.I werden mit Hilfe eines Radarsensors Sensordaten SD von der Umgebung eines Schienenfahrzeugs 2 erfasst.
Auf Basis der Radarsensordaten SD wird bei dem Schritt 1.II ein Geschwindigkeitsvektor V_lok relativ zur Umgebung geschätzt. Da in der Umgebung eines Schienenfahrzeugs 2, zumindest außerhalb dichter Besiedlung, wenig Verkehr herrscht, verhält sich die Umgebung im Vergleich zu dem fahrenden Schienenfahrzeug 2 im Wesentlichen statisch. Mithin kann anhand der Kenntnis von Abstandsänderungen des Schienenfahrzeugs 2 zur Umgebung und/oder Dopplermessungen ein lokaler Geschwindigkeitsvektor V_lok ermittelt bzw. geschätzt werden. Anhand des lokalen Geschwindigkeitsvektors V_lok lässt sich zwar nicht unmittelbar ein globaler Geschwindigkeitsvektor V oder eine globale Orientierung O ermitteln, aber es lässt sich eine geschätzte skalare Geschwindigkeit v(t) = ds/dt des Schienenfahrzeugs 2 und eine Orientierungsänderung dO/dt bestimmen. Es soll an dieser Stelle nochmals erwähnt werden, dass die Orientierungsänderung dO/dt auch durch andere Sensormessmethoden, wie zum Beispiel Beschleunigungssensormessungen oder Trägheitssensormessungen ermittelt werden kann. Die geschätzte skalare Geschwindigkeit v(t) kann anstatt durch eine Messung von Sensordaten aus der Umgebung des Schienenfahrzeugs 2 auch durch andere Messmethoden, wie zum Beispiel die Odometrie oder die Satellitennavigation ermittelt werden.
Bei dem Schritt 1.III wird anhand des ermittelten lokalen Geschwindigkeitsvektors V_lok eine Orientierungsänderung dO/dt in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelt.
Bei dem Schritt 1.IV wird auf Basis des lokalen Geschwindigkeitsvektors V_lok eine skalare Geschwindigkeit v(t) des Schienenfahrzeugs 2 ermittelt. Der Wert der skalaren Geschwindigkeit v(t) entspricht dabei dem Betrag des lokalen Geschwindigkeitsvektors V_lok. Weiterhin wird durch Division der zeitabhängigen Orientierungsänderung dO/dt durch die skalare Geschwindigkeit v(t) des Schienenfahrzeugs 2 und Aufintegrierung nach dem Weg eine wegabhängige Orientierung O(s) geschätzt (siehe auch Gleichung (3)).
Bei dem Schritt 1.V wird eine sogenannte komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) zwischen der geschätzten wegabhängigen Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs und Referenzdaten O_ref(s) einer wegabhängigen Orientierung ermittelt.
Bei dem Schritt 1.VI wird ein absolutes Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) ermittelt. Bei der dem Maximum zugeordneten Wegposition s₀ liegt der Anfangspunkt für die geschätzten Orientierungsdaten O(s) in den Referenzdaten O_ref(s). Mithin wird bei dem Schritt 1.VI der Anfangspunkt s₀ einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten O_ref(s) exakt ermittelt.
Bei dem Schritt 1.VII wird eine absolute Startposition des Schienenfahrzeugs durch eine dem Anfangspunkt s₀ in den Referenzdaten O_ref(s) zugeordnete Absolutposition p_abs0 in einer Karte ermittelt.
Weiterhin wird bei dem Schritt 1.VIII eine dynamische Absolutposition p_abs(t) durch Ermittlung einer seit der zugeordneten Absolutposition p_abs0 zurückgelegten Wegstrecke s(t) und auf Basis einer Projektion der Länge der zurückgelegten Wegstrecke s(t) auf einen in der Karte der Referenzdaten eingezeichneten Streckenverlauf ermittelt.
Die Schritte 1.I bis 1.VIII werden während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 2 beliebig oft wiederholt, so dass eine präzise und ständig aktualisierte Position p_abs(t) des Schienenfahrzeugs 2 ständig verfügbar ist.
In 2 ist eine Positionsermittlungseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Positionsermittlungseinrichtung 20 ist Teil eines Steuerungssystems eines Schienenfahrzeugs 2 (siehe 7). Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst eine Orientierung-Sensoreinheit 21, welche dazu eingerichtet ist, Radarsensordaten SD, welche mit einer Orientierungsänderung eines Schienenfahrzeugs 2 korreliert sind, von der Umgebung des Schienenfahrzeugs 2 zu erfassen.
Teil der Positionsermittlungseinrichtung 20 ist auch eine Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit 22, welche dazu eingerichtet ist, einen lokalen Geschwindigkeitsvektor V_lok des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der erfassten Radarsensordaten SD zu ermitteln. Anhand der Radarsensordaten SD lässt sich eine Art lokale Karte erzeugen, wobei eine Relativbewegung V_lok des Schienenfahrzeugs 2 zu den statischen Strukturen dieser lokalen Karte ebenfalls durch die Radarsensordaten SD ermittelt wird.
Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst auch eine Orientierung-Änderungsermittlungseinheit 23 zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung dO/dt des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der Radarsensordaten SD bzw. der Relativbewegung V_lok des Schienenfahrzeugs 2. Eine lokale Orientierung relativ zu einer lokalen Karte ergibt sich anhand der Bewegungsrichtung der Relativbewegung V_lok des Schienenfahrzeugs 2. Anhand dieser lokalen Orientierung kann nun eine Änderung dO/dt der Orientierung berechnet werden.
Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst auch eine Orientierung-Ermittlungseinheit 24 zum Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der Änderung dO/dt der Orientierung O(s) sowie der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t).
Auf Basis der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t) = ds/dt und der Änderung dO/dt der Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs 2 ergibt sich die Orientierung gemäß $O (s) = \int \frac{d O}{d t} \cdot \frac{d t}{d s} d s .$
Die Orientierung O(s) lässt sich also auf Basis der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t) = ds/dt und der Änderung dO/dt der Orientierung des Schienenfahrzeugs 2 berechnen.
Die Positionsermittlungseinrichtung 20 weist auch eine Position-Ermittlungseinheit 25 zur Ermittlung einer absoluten Position p_abs(t) des Schienenfahrzeugs 2 auf.
Teil der Position-Ermittlungseinheit 25 ist eine Korrelationsfunktionserzeugungseinheit 25a, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten wegabhängigen Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs 2 und auf Basis von Referenzdaten O_ref(s) einer wegabhängigen Orientierung eine komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) zu erzeugen. Die Referenzdaten O_ref(s) erhält die Korrelationsfunktionserzeugungseinheit 25a von einer Datenbank 25b. Die ermittelte komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) wird an eine Anfangspunktermittlungseinheit 25c übermittelt, welche einen Anfangspunkt s₀ in den Referenzdaten O_ref(s) an der Stelle, an der sich das Maximum der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) befindet, ermittelt.
Anhand des Anfangspunkts s₀ wird eine absolute Startposition p_abs0 des Schienenfahrzeugs 2 durch eine Startpunktermittlungseinheit 25d ermittelt. Die Startpunktermittlungseinheit 25d ermittelt eine dem Anfangspunkt s₀ in den Referenzdaten O_ref(s) zugeordnete absolute Startposition p_abs0 in einer Karte KD, welche sie von der bereits erwähnten Datenbank 25b übermittelt bekommt.
Schließlich wird auf Basis der korrelierten Referenzdaten O_ref(s) eine Wegstrecke s(t) ermittelt, welche das Schienenfahrzeug 2 seit dem Passieren der Absolutposition p_abs0 zurückgelegt hat. Anschließend wird anhand der ermittelten Wegstrecke s(t) und einer Projektion dieser Wegstrecke s(t) auf den Schienenweg auf der Karte KD eine aktuelle, dynamische Absolutposition p_abs(t) des Schienenfahrzeugs 2 auf der Karte KD ermittelt.
In 3 ist ein Schaubild 30 dargestellt, welches eine Autokorrelation a einer Orientierung eines Schienenfahrzeugs 2 in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg s des Schienenfahrzeugs 2 darstellt. Insbesondere werden eine reellwertige Autokorrelationsfunktion a_r(s) (mit durchgezogenen Linien) und eine komplexwertige Autokorrelationsfunktion a_c(s) (mit gestrichelten Linien) einer Orientierung in Abhängigkeit vom Weg s gezeigt.
Die Hauptkeule der komplexen Autokorrelationsfunktion a_c(s) bei s = 0 ist schmaler als die Hauptkeule der reellen Autokorrelationsfunktion a_r(s). Die komplexe Autokorrelationsfunktion a_c(s) weist allerdings kleine Nebenkeulen auf, welche einen Abstand von 600m zur Hauptkeule aufweisen und weniger als 30% des Korrelationswerts der Hauptkeule aufweisen. Mithin weist sie keine hohen Nebenmaxima auf und verspricht eine stabile eindeutige Lokalisierung bei einer Kreuzkorrelation mit einem Referenzsignal.
In 4 ist ein Schaubild 40 gezeigt, welches eine reellwertige Kreuzkorrelationsfunktion r_r(s) (mit durchgezogenen Linien) und eine komplexwerte Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) (mit gestrichelten Linien) veranschaulicht. Die Kreuzkorrelationsfunktionen r_r(s), r_c(s) geben einen Korrelationswert zwischen einer auf Basis von Sensormessdaten SD ermittelten Orientierung O(s) eines Schienenfahrzeugs 2 und einer auf Basis von Kartendaten KD ermittelten Referenz-Orientierung O_ref(s) eines Schienenfahrzeugs 2 an. Der tatsächliche Anfangspunkt s₀ liegt in dem in 4 dargestellten Fall etwa bei 6000 m und wird durch das absolute Maximum der komplexwertigen Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) veranschaulicht. Das absolute Maximum der reellwertigen Kreuzkorrelationsfunktion r_r(s) liegt dagegen bei etwa 4900 m und damit an der falschen Stelle s_0f. Bei der Auswertung der reellwertigen Kreuzkorrelationsfunktion r_r(s) müsste stattdessen das Nebenmaximum bei etwa 6000m als Anfangspunkt s₀ ermittelt werden, obwohl dieses Nebenmaximum mit einer Korrelation von etwa 0,85 niedriger ist als das Hauptmaximum mit einer Korrelation von 1. Zwar weist die komplexwertige Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) bei etwa 200 m und 3000 m Nebenmaxima mit Werten von etwa 0,7 auf, diese sind mit 70% der Werte des Hauptmaximums, welches einen Wert von 1 aufweist, allerdings deutlich gedämpft, so dass eine eindeutige Lokalisierung möglich ist.
In 5 ist ein Schaubild 50 dargestellt, welches einen Abgleich einer durch Messung ermittelten Orientierung O(s) mit einer Referenz-Orientierung O_ref(s) veranschaulicht. Die Orientierung O(s), deren Anfangspunkt s₀ durch die komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r_c(s) ermittelt wurde, stimmt mit der Referenzorientierung O_ref(s) offensichtlich sehr genau überein. Dagegen würde durch die reellwertige Kreuzkorrelationsfunktion r_r(s) ein falscher Anfangspunkt s_0f gefunden werden, so dass auch die beiden Orientierungsfunktionen O(s), Oref(s) nicht gut übereinstimmen würden, sondern um den Wert s₀ - s_0f zueinander verschoben wären. Von dem korrekten Startpunkt s₀ ausgehend wird über die Projektion der zurückgelegten Entfernung auf die kartierte Strecke der aktuelle Streckenpunkt ermittelbar. Daraus ist auch eine absolute Position des Schienenfahrzeugs ermittelbar, da jedem Punkt der Strecke eine absolute Position in der Karte und damit auch global zuzuordnen ist.
In 6 ist ein Schaubild 60 dargestellt, welches eine Kalibration eines Orientierungssensors durch Vergleich von gemessenen Orientierungsdaten O(s) mit Referenz-Orientierungsdaten O_ref(s) veranschaulicht. Das Schaubild 60 zeigt Orientierungswert in der Winkeleinheit.
Ein Sensoreinbau in einem Schienenfahrzeug 2 lässt sich in der Regel nicht exakt unter dem spezifizierten Winkel realisieren, da eine erhöhte Genauigkeit mit einem überproportionalen Montageaufwand verbunden ist. Ein in oder an einem Schienenfahrzeug 2 installierter Sensor weist daher eine Abweichung, insbesondere seiner Orientierung, bezüglich einer vorbestimmten Messebene auf. Dadurch liefert die Ermittlung der Orientierungsänderung auf Basis der Sensormessdaten SD, welche beispielsweise durch das bereits erwähnte REMER-Verfahren (REMER = Robust Ego Motion Estimation with Radar) ermittelt werden, bei einer Geradeausfahrt eine von dem Wert 0 abweichende konstante Drehrate. Eine solche Abweichung ist sowohl ungünstig für eine Bildung einer Kreuzkorrelationsfunktion r(k) als auch für andere Auswertungsvorgänge der Sensordaten SD, wie zum Beispiel eine Objektdetektion. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, den Abweichungswinkel β eines Sensors zu ermitteln und eine Kalibrierung vorzunehmen, um eine genauere Positionsermittlung durchführen zu können.
Bei der Kalibrierung wird zunächst ein langer gerader Schienenabschnitt A_k in den Referenzdaten O_ref(s) (mit durchgezogenen Linien gezeichnet) identifiziert, auf welchem das Schienenfahrzeug 2 bereits gefahren ist und Orientierungsdaten O(s) (gestrichelt gezeichnet) aufgezeichnet wurden. Anschließend wird in dem korrespondierenden Messdatenabschnitt A_k ein linearer Trend bzw. eine Gerade G durch einen Fitting-Prozess an die gemessene Orientierung O(s) ermittelt. Die Steigung m = Δφ/Δs der Geraden G wird anschließend dazu genutzt, um die Abweichung β der Orientierung des Radarsensors zu ermitteln. Für einen geradlinigen Streckenverlauf mit einem Winkel zu einer vorbestimmten Referenzorientierung von α = 0 ergibt sich, wie bereits erwähnt, gemäß Gleichung (2) für die Abweichung $β = a r c s i n (l \frac{Δ φ}{Δ s}),$
wobei 1 den Abstand des Sensors zum Drehpunkt des Schienenfahrzeugs beschreibt. Die Verdrehung bzw. Abweichung β kann auch durch eine regelmäßige Überprüfung ermittelt werden.
In 7 ist eine schematische Darstellung 70 eines Gleisabschnitts bzw. Schienenbereichs 1 gezeigt, auf dem ein Schienenfahrzeug 2 in Pfeilrichtung unterwegs ist. Das Schienenfahrzeug 2 weist eine Positionsermittlungseinrichtung 20 auf, mit der eine Absolutposition p_abs(t) des Schienenfahrzeugs 2 auf die im Zusammenhang mit 1 bis 6 gezeigte Art und Weise ermittelt wird. Die Absolutposition p_abs(t) wird an eine Steuereinheit 71 übermittelt, welche Steuerbefehle SB an eine Antriebseinheit 72 übermittelt.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs (2), aufweisend die Schritte: - Erfassen von Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, - Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der Sensordaten (SD), - Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit (V_lok) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten, - Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (V_lok) und der zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2), - Ermitteln einer absoluten Position (p_abs(t)) des Schienenfahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (O_ref(s)) einer wegabhängigen Orientierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abgleich eine Ermittlung einer Kreuzkorrelationsfunktion (r(k)) zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) und den Referenzdaten (O_ref(s)) einer wegabhängigen Orientierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kreuzkorrelationsfunktion (r(k)) eine komplexe Kreuzkorrelationsfunktion (r_c(s)) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kreuzkorrelationsfunktion (r(k)) eine reelle Kreuzkorrelationsfunktion (r_r(s)) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Erfassung der Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, eines der folgenden Sensorsysteme genutzt wird: - ein Radarsystem, - eine inertiale Messeinheit, - ein Satellitennavigationssystem, - ein Beschleunigungssensorsystem, - ein Magnetfeldsensorsystem, - ein Ultraschallsensorsystem, - ein laserbasiertes Messsystem, - ein auf der Modulation radioaktiver Strahlung basierendes Messsystem, - ein kamerabasiertes Messsystem.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (V_lok) eine skalare Geschwindigkeit (v(t)) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt wird, - ein zurückgelegter Weg (s) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der skalaren Geschwindigkeit (v(t)) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt wird und - auf Basis des zurückgelegten Wegs (s) eine Kalibrierung zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) und den Referenzdaten (O_ref(s)) einer wegabhängigen Orientierung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (O_ref(s)) zunächst ein Anfangspunkt (s₀) für die erfassten Orientierungsdaten (O(s)) in den Referenzdaten (O_ref(s)) ermittelt wird, welcher einem Anfangspunkt einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten (O_ref(s)) entspricht, und - eine absolute Startposition (p_abs0) des Schienenfahrzeugs (2) durch eine dem Anfangspunkt (s₀) in den Referenzdaten (O_ref(s)) zugeordnete Absolutposition in einer Karte (KD) ermittelt wird, und - eine dynamische Absolutposition (p_abs(t)) des Schienenfahrzeugs (2) durch Ermittlung einer zurückgelegten Wegstrecke (s(t)) auf Basis der korrelierten Referenzdaten (O_ref(s)) und einer Projektion der Länge der zurückgelegten Strecke (s(t)) auf einen in der Karte (KD) eingezeichneten Streckenverlauf ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Zuverlässigkeit der ermittelten Absolutposition (p_abs(t)) des Schienenfahrzeugs (2) geprüft wird durch eine der folgenden Methoden: - Ermitteln von Konfidenzwerten auf Basis der Ermittlung der Orientierungswerte (O(s), O_ref(s)), - Ermitteln auf Basis der Kurvenform der Kreuzkorrelationsfunktion (r(k)), ob ein eindeutiger Abgleich zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) und den Referenzdaten (O_ref(s)) möglich ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Kalibration einer Sensorausrichtung von Sensoren des Schienenfahrzeugs (2) durch Korrelation von unkalibrierten Messdaten (O(s)) mit Referenzdaten (O_ref(s)) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf Basis der Positionsermittlung und/oder Kalibration - eine Zustandsüberwachung und/oder - eine Asset-Überwachung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zustandsüberwachung einen der folgenden Verfahrensschritte umfasst: - das Erstellen einer Karte durch eine präzisierte Trajektorie, - das Ermitteln von Fehlstellen und/oder Fehlern in einer existierenden Karte auf Basis der präzisierten Trajektorie, - das Ermitteln von Fehlstellen in einer Schiene eines Gleiskörpers, - das Erkennen einer Gierbewegung und/oder eines Sinus-Laufs des Schienenfahrzeugs (2), und/oder die Asset-Überwachung einen der folgenden Verfahrensschritte umfasst: - das Ermitteln der Dichte und/oder Feuchtigkeit und/oder des Gesundheitszustands der einen Schienenbereich (1) umgebenden Vegetation, - das Ermitteln des Erhaltungszustands von Infrastruktur, welche organisches Material umfasst.
Positionsermittlungseinrichtung (20), aufweisend: - eine Orientierung-Sensoreinheit (21) zum Erfassen von Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) eines Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, - eine Orientierungsänderung-Ermittlungseinheit (22) zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der Sensordaten (SD), - eine Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit (23) zum Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit (V_lok) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder zusätzlich erfassten Sensordaten (SD), - eine Orientierung-Ermittlungseinheit (24) zum Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (V_lok) und der ermittelten zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2), - eine Position-Ermittlungseinheit (25) zum Ermitteln einer absoluten Position (p_abs(t) des Schienenfahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (O_ref(s)) einer wegabhängigen Orientierung.
Schienenfahrzeug (2), aufweisend - eine Positionsermittlungseinrichtung (20) nach Anspruch 12, - eine Steuereinheit (71) zur Steuerung einer Fahrt des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis einer von der Positionsermittlungseinrichtung (20) ermittelten Position des Schienenfahrzeugs (2), - eine Traktionseinheit (72) zum Antrieb des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis von Steuerbefehlen (SB) der Steuereinheit (71).
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Steuereinrichtung eines Schienenfahrzeugs (2) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.