Ortung von Schienenfahrzeugen und Kartierung von Bahntrassen unter Ausnutzung geometrischer Trassierungselemente

Die sichere Durchführung von Zugfahrten ist aufgrund der langen Bremswege im Schienenverkehr nur mit einem technischen Sicherungssystem möglich. Eine zentrale Rolle bei der Sicherung kommt der Ortung der Schienenfahrzeuge zu. Die momentan etablierten Ortungssysteme arbeiten mit streckenseitig installierten Sensoren und haben sich seit Jahrzehnten bewährt, allerdings erschweren sie eine kapazitätsoptimale und gleichzeitig wirtschaftliche Nutzung des Schienennetzes. Deswegen wird aktuell an neuen Ortungsverfahren geforscht, die eine deutlich effizientere und flexiblere Nutzung des Schienennetzes erlauben. Vor allem bordautonome Ortungssysteme, bei denen die Ortung direkt auf dem Schienenfahrzeug stattfindet, gelten als ein vielversprechender Kandidat, dieses Ziel zu erreichen. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung dieser sind die hohen Anforderungen an die zu erreichende Genauigkeit und Verfügbarkeit der Ortungslösung. Es muss permanent eine Genauigkeit von ±1,5 m erreicht werden, damit stets zwischen zwei parallel verlaufenden Gleisen unterschieden werden kann. Momentan existiert noch kein System, das diese Anforderungen dauerhaft erfüllen kann. Diese Dissertation beschäftigt sich deswegen mit der Entwicklung einer bordautonomen Ortungslösung für Schienenfahrzeuge, basierend auf den Messdaten von IMU und GPS, die diese Anforderungen möglichst lange einhalten soll. Außerdem wird aufbauend auf der Ortungslösung eine Methode zur Erzeugung von Streckenkarten vorgestellt. Die Ortungslösung wird durch einen Filter berechnet, der die Sensordaten in zwei Stufen zu einer Ortungslösung fusioniert. In der ersten Stufe wird die aktuell befahrene Gleisgeoemetrie identifiziert und in der zweiten Stufe wird mit diesem Zusatzwissen eine verbesserte Ortungslösung berechnet. Auf diese Weise kann vor allem das Ortungsergebnis in Gleis-Querrichtung verbessert werden, wodurch die Verfügbarkeit einer gleisgenauen Ortungslösung gesteigert werden kann. Eine Möglichkeit zur weiteren Verbesserung des Ortungsergebnisses bietet die Integration einer Streckenkarte in den Ortungsfilter. Da geeignete Streckenkarten jedoch noch nicht flächendeckend zur Verfügung stehen, wird neben dem Ortungsfilter auch eine Methode zur Erzeugung von Streckenkarten vorgestellt, die auf den Ergebnissen des Ortungsfilters beruhen. Beide Ansätze werden mithilfe von realen Messdaten evaluiert, die im Rahmen von drei Messkampagnen aufgenommen und veröffentlicht wurden.

Due to the long braking distances in rail traffic, a safe operation of trains is only possible with a technical safety system. Locating the rail vehicles plays a central role in the safety system. The tracking systems currently in use work with sensors installed on the trackside and have proven themselves for decades, however, they make it difficult to use the rail network in a capacity optimated and economically reasonable way at the same time. For this reason, research is currently being carried out into new train positioning methods that will allow a more efficient and flexible use of the rail network. In particular, on-board positioning systems, in which positioning takes place directly on the rail vehicle, are considered a promising candidate for achieving this goal. One of the biggest challenges in developing these are the high demands on the accuracy and availability of the tracking solution. An accuracy of ±1,5 m must be achieved permanently so that a distinction can always be made between two parallel tracks. Currently, no system exists that can fulfill these requirements reliably. This dissertation therefore deals with the development of an on-board positioning solution for rail vehicles, based on the measurement data of IMU and GPS, which should meet these requirements as long as possible. Furthermore, based on the positioning solution, a method for the generation of track maps is presented. The positioning solution is computed by a filter that fuses the sensor data into a position solution in two stages. In the first stage, the currently traveled track geometry is identified and in the second stage, an improved positioning solution is computed using the additional geometry knowledge. In this way, the positioning result in cross-track direction in particular can be improved, which increases the availability of a track-selective positioning solution. One possibility to further improve the positioning result is the integration of a track map into the positioning filter. However, since suitable track maps are not yet available nationwide, a method for generating track maps based on the results of the positioning filter is presented. Both approaches are evaluated with the help of real measurement data, which were recorded and published in the course of three measurement campaigns.