Precise and integer Localisation and Navigation in Rail and Inlandwater Traffic
Hochgenaue und verlässliche Ortung und Navigation im Schienen- und Wasserverkehr
Um eine optimale Ausnutzung der Kapazitäten auf den Schienen- und Binnenschifffahrtswegen zu garantieren, ist eine hochgenaue Orts-, Navigations- und Zeitkenntnis erforderlich. Die Satellitennavigation (engl. `Global Navigation Satellite System`, kurz GNSS) bietet sich als ein optimales Werkzeug zur Gewinnung der erforderlichen Daten an. Mit dem `European Geostationary Navigation Overlay Service` (EGNOS) und dem zukünftigen GALILEO stehen Europa Technologien zur Verfügung, die die bisherigen Satellitennavigationssysteme in punkto Zuverlässigkeit und Genauigkeit verbessern oder übertreffen werden. Für besonders kritische Situationen im Schienen- und Binnenschifffahrtsverkehr werden die erreichbaren Genauigkeiten von Satellitennavigationssystemen von wenigen Metern jedoch nicht ausreichend sein. Zur weiteren Verbesserung und Steigerung der Zuverlässigkeit der Erfassung von Ortungs-, Navigations- und Zeitinformationen sollen neben der Verwendung von Satellitennavigationssystemen daher auch terrestrische Sensoren einbezogen werden.
Im Mittelpunkt des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BmWi) geförderten Projekts ´Hochgenaue und verlässliche Ortung und Navigation im Schienen- und Wasserverkehr` (engl. `Precise and Integer Localisation and Navigation in Rail and Inlandwater Traffic`, kurz PiLoNav) steht daher die integrative Entwicklung eines sensorfusionsbasierten Systems (Ortungsplattform) zur hochpräzisen und verlässlichen Orts-, Navigations- und Zeitbestimmung. Ziel des Projektes ist es, durch Ausnutzung des angestrebten technischen Mehrwerts der Ortungsplattform neue schienen- und binnenwasserverkehrstypische Anwendungsentwicklungen in den Bereichen Operatives Verkehrsmanagement und Fahrerassistenzsysteme zu erproben.
Herausforderung
Die Satellitennavigation hat in die zu untersuchenden Bereiche bereits Einzug gehalten. So kommen globale Satellitennavigationssysteme - aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit - in der Schifffahrt seit Jahren zum Einsatz. Einige Szenarien erfordern jedoch Positions-, Navigations- und Zeitinformation, die mit Satellitensystemen allein nicht ohne weiteres zu erreichen sind. Dazu gehören z.B. in der Binnen- und Hochseeschifffahrt das automatische Andocken oder speziell für die Binnenschifffahrt das Durchfahren von Brücken sowie das Schleusen zur Überwindung von Höhendifferenzen. Beim Schleusenvorgang ist der zeitintensivste und sicherheitskritischste Teil die Einfahrt des Schiffes in die Schleusenkammer. Da passierende Schiffe leicht die vorhandene Schleusenkammerbreite ausfüllen können, müssen das Einfahren sowie das Aufstoppen ohne oder mit möglichst geringen Korrekturmanövern durchgeführt werden. Gelingt dies, kann von einer zeit- und kraftstoffoptimierten Schleusung gesprochen werden. Für eine solche manöveroptimierte Schleusung sind demzufolge hochgenaue und zuverlässige Positions- und Richtungsbestimmungen ausschlaggebend. Die dazu erforderlichen Positionsgenauigkeiten sind bislang noch nicht spezifiziert. Aktuelle Studien kommen zu dem Schluss, dass Positionsgenauigkeiten im Bereich von 1 bis 2 dm erreicht werden müssen. Da bei Schleusungen Höhenunterschiede von mehreren Metern überwunden werden müssen, ist davon auszugehen, dass die GNSS-Signale durch Abschattungen blockiert oder durch Mehrwegeeffekte stark verfälscht werden, sodass eine exakte Positionierung in dem geforderten Genauigkeitsbereich ohne weiteres nicht möglich ist.
Im Schienenverkehr sind ähnliche Szenarien zu finden. Um eine Lokalisierung eines Schienenfahrzeuges zu realisieren, wird streckenseitig auf ortsfeste Gleisfreimeldeeinrichtungen zurückgegriffen. Die Kommunikation erfolgt über ortsfeste Signale. Damit ist nur eine Rasterung der Schienenstrecken mit einer sehr geringen Auflösung von mehreren Kilometern möglich, was wiederum sehr hohe Mindestabstände zwischen nachfolgenden Schienenfahrzeugen erfordert. Um jedoch eine optimale Ausnutzung der Schienenwege sicherzustellen, ist diese blockweise Freigabe zu dynamisieren, d.h. die Ortung verlässlicher und höher auflösend zu ermöglichen sowie eine kontinuierliche Kommunikation zwischen der Streckenzentrale und dem Schienenfahrzeug zu garantieren und die Zugfolge der momentanen Auslastung der Strecke anzupassen. Um diese Anforderungen zu realisieren, wird derzeit auf kostenintensive infrastrukturseitige Investitionen zurückgegriffen. Als Beispiele dafür sollen die bei der linienförmigen Zugbeeinflussung (LZB) verlegten Kabellinienleiter oder die im europäischen Schienenverkehrsmanagementsystem (engl. `European Rail Traffic Management System`, kurz ERTMS) bzw. dem europäischen Zugkontrollsystem (engl. `European Train Control System`, kurz ETCS) benutzten elektronischen Meilensteine, s.g. Balisen, erwähnt werden. Aufgrund ihrer enormen Kosten werden diese Systeme jedoch ausschließlich auf stark ausgelasteten Streckenabschnitten eingesetzt. Die zu entwickelnden Assistenzsysteme würden eine preiswerte Alternative zu den teuren Infrastrukturmodellen darstellen.
Projektinhalte
In dem Projekt PiLoNav soll versucht werden, fahrzeugseitig Daten zusätzlicher terrestrischer Sensoren (IMUs, Radar, optische Sensoren etc.) mit seitens GNSS gewonnenen Positions-, Navigations- und Zeitinformationen zu fusionieren und somit ein integriertes System zu bilden. In der Binnenschifffahrt spricht man in diesem Fall von einer `Position, Navigation and Timing Unit`, kurz PNT-Unit und im Schienenverkehr von einer `Train Location Unit`, kurz TLU, respektive. Darauf aufbauend sollen Anwendungen in den Bereichen operatives Verkehrsmanagement und Fahrassistenz entwickelt werden, die zuverlässige und kontinuierliche Positions- Navigations- und Zeitinformationen benötigen.
Um geeignete Sensoren spezifizieren zu können, müssen mögliche Einflussfaktoren auf den Verkehrsfluss detektiert und formuliert werden. Das heißt, in der Binnenschifffahrt reicht die alleinige Position des jeweiligen Schiffes nicht aus, um sensible Manöver zu planen und durchführen zu können. Zusätzlich ist es erforderlich, neben statischen Faktoren (Brücken, Kaimauern, Schleusen etc.) auch dynamische (zeitliche Schwankungen des Pegelstands, Positionen und Kurse anderer Verkehrsteilnehmer etc.) in die Bewertung mit einzubeziehen sowie zeitnah und prädiktiv auf diese zu reagieren. Auch im Schienenverkehr sind Kenntnisse über den Streckenverlauf und die Streckenbedingung (Tunnel, Bahnhöfe etc.) sowie über die geografischen Eigenheiten (Schluchten, Bergkuppen etc.) mit einzubeziehen.
Um im Rahmen des Entwicklungsprozesses unterschiedliche Bedingungen zu simulieren, besteht ein weiterer Projektinhalt von PiLoNav darin, geeignete Umfeldsimulatoren und Signalgeneratoren für Technologieentwicklungen im Schienen- und Binnenwasserverkehr bereitzustellen.
Partner
Um die vielfältigen Anforderungen zu bündeln, wird PiLoNav als interdisziplinäres Verbundprojekt mit Partnern aus Forschung und Entwicklung (den Instituten für Kommunikation und Navigation (IKN) sowie für Verkehrssystemtechnik (ITS) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR. e.V.), dem Institut für Verkehrstelematik und dem Geodätschen Institut der TU Dresden sowie Anwendungspartnern aus dem Bereich Binnenschifffahrt (Fachstelle der Wasserschifffahrtsverwaltung (WSV) für Verkehrstechniken (FTV)) sowie dem Schienenverkehr (Interautomation GmbH und Delimon GmbH) realisiert.
Förderung
durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 19 G 10015A
Projektlaufzeit
01.12.2010 bis 31.01.2014