TU Braunschweig

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SATNAB I

Voruntersuchung für ein satelliten-navigationsgestütztes Bodenexperiment

Projektbearbeiter: Gert Bikker, Ilona Illgen, Martin Schroeder, Akbar Shah
Auftraggeber: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Standort Oberpfaffenhofen,
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektpartner: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Standort Oberpfaffenhofen,
Astrium GmbH (ehemals Dornier Satellitensysteme GmbH)

Im Rahmen der Studie ist ein Meßverfahren entwickelt worden, das die genaue Positionsbestimmung eines mobilen Nutzers mit Hilfe eines einzelnen Navigations-Satelliten der künftigen GNSS-2 Generation (Global Navigation Satellite System 2) ermöglichen kann. Dieser Ansatz wird u.a. deshalb verfolgt, um in einer frühen Ausbaustufe des zukünftigen europäischen Satellitennavigationssystems, in der vorerst einmal nur einige Satelliten verfügbar sein werden. Aussagen über die Navigationsqualität bei bewegten Landfahrezugen vornehmen zu können.

Mit einem einzelen Satellitensignal kann die Schrägentfernung zu einem mobilen Nutzer gemessen werden, wenn dieser eine mit der Satellitenuhr synchronisierte sehr genaue Uhr (Atomuhr) besitzt. Bewegt sich der Nutzer entlag einer genau definierten Trajektorie, beispielsweise entlang einer exakt vermessenen Schiene, dann kann im Falle geeigneter geometrischer Verhältnisse seine Position ermittelt werden. Für eine genaue Ortung muss die Blickrichtung zum Navigationssatelliten in etwa der Schienenausrichtung entsprechen ( < +/- 30° Azimutwinkel, <30° Elevation).

Im Rahmen eines Schienenexperiments soll auf Basis dieses Konzeptes die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Navigationssatelliten bezüglich mobiler Anwendungen unter relaistischen Umweltbedingungen und genau definierten Bewegungen des Empfängers überprüft werden. Die tatsächlichen Positionen des Fahrzeugs werden an genau bekannten Referenzpunkten entlang der Schiene bestimmt und mittels Odometer oder Inertialsensorik fortgeschrieben. Es wurden zwei Szenarione definiert :

  • Im ersten Szenario soll die aktuelle Position eines bewegten spurgeführten Fahrzeuges ermittelt werden. Aus der Schrägentfernung wird eine Kugeloberfläche um den Satelliten gebildet, deren Schnittpunkt mit der Eisenbahntrajektorie aus einem Streckenatlas die gegenwärtige Position ergibt.

Das Ziel beim Szenario 2 ist die Ermittlung einer statischen Verteilung der Entfernung zwischen genau vermessenen Referenzpunkten auf der Trajektorie und der Kugeloberfläche. Diese Verteilung ist ein Maß für die Genauigkeit der Positionsbestimmung.

Dieses erste Verfahren kann in erweiterter Form auch für spätere operationelle Anwendungen im spurgebundenen Verkehr genutzt werden - bereits mit zwei verfügbaren Satellitensiganlen ist eine hochgenaue Positionsbestimmung entlang einer bekannten Trajektorie möglich. Im Empfangsgerät ist dann keine Atomuhr erforderlich. Trotzdem könnte eine Ortungslösung für kleine Zeitabschnitte durch eine wenig präzisere Uhr gestützt werden. Im praktischen Betrieb wird die Ortung vorzugsweise auf der Basis einer räumlichen Abfrage von einem digitalen Streckenatlas (map matching) erfolgen.

Da für operationelle Anwendungen dann jeweils nur Satellitensignale genutzt werden, die entweder schräg von vorne oder schräg von hinten am Fahrzeug eintreffen, bieten sich fest montierte Richtantennen auf dem Fahrzeugdach an. Wegen der dadurch erhöhten Empfangs- Signalleistung und der Unterdrückung von Mehrwegesignalen verspricht das hier untersuchte Verfahren eine gegenüber der konventionellen Satellitennavigation deutlich verbesserte Positionsbestimmungsgenauigkeit und unterliegt auch nur in eingeschränktem Umfang den Abschattungsproblemen im spurgebundenen Verkehr.

Verschiedene Untersuchungen dieser konventionellen Satellitennavigation haben gezeigt [z.B. RailOrt], dass die operationellen Anforderungen des Betriebes in Hinsicht auf Genauigkeiten insbesondere längs des Gleises hinreichend erfüllt werden können. Nachweislich widerspricht aber einer Einführung gerade im sicherheitsrelevanten Bereich die reduzierte Verfügbarkeit der Satelliten-Navigation basierten Ortung. Diese wird durch die Erweiterung auf komplementäre Sensorsysteme (z.B. Gyro und Odometrie) erhöht. Diese Multisensorsysteme repräsentieren jedoch technisch komplexe Einrichtungen, die einen nicht unbeträchtlichen Installationsaufwand auf den Schienenfahrzeug hervorrufen. Das vorab skizzierte Verfahren in Hinblick auf über die Reduzierung der notwendigen sichtbaren Anzahl von Satelliten in Richtung der Trajektorie kann eine wirtschaftliche Alternative repräsentieren, der gerade in der Einführung eines zukünftigen europäischen Satellitennavigationssystems eien gute Chance zuzurechnen ist.

Das vorgeschlagene Verfahren für spurgebundene Nutzer ist aber im Prinzip unabhängig von der Bahnhöhe der Navigationsatelliten (IGSO und MEO). Für einen Test der Experimentalumgebung beitet sich vorerst die Nutzung des Satelliten GPS mit den Nummern 15 an (GPS #15), der nicht der selective availability unterworfen ist. Alternativ ist auch die Verwendung eine GLONASS Satelliten denkbar. An diesen derzeit verfügbaren System wird die Experimentalumgebung validiert werden.

Das im Rahmen der SATNAB-Studienphase erarbeitete Verfahren soll in Zukunft für die Überprüfung der Systemeigenschaften einzelner Navigationssatelliten des GNSS-2 herangezogen werden.


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