Möglichkeiten und Grenzen der Satellitennavigation in urbanen Schienennetzen

Transkript

1 Keeping on Track - GNSS 1 / 18 Möglichkeiten und Grenzen der Satellitennavigation in urbanen Schienennetzen Bernhard Ömer Austrian Research Centers in Zusammenarbeit mit den Wiener Linien bernhard.oemer@arcs.ac.at

2 Keeping on Track - GNSS 2 / 18 CUBAL und NetScan Der Straßenbahnmesswagen EM6117 ( Eva ) der Wiener Linien ist der weltweit erste volldigitale Gleismesswagen für Rillenschienen. Die messtechnische Ausstattung umfasst zwei Profilmessgeräten (Laser-Lichtschnittverfahren), eine inertial-unit zur Messung der Streckengeometrie sowie einen GPS/GLONASS Empfänger mit Dachantenne. Ziel der I-2 Projekte CUBAL und NetScan waren die Verortung der aufgezeichneten Gleismessdaten (1 record / 25cm) nach Linie, Gleisnummer und Streckenkilometer und die Nutzung des Messwages zur digitalen Netzaufnahme.

3 Keeping on Track - GNSS 3 / 18 GPS im urbanen Bereich Bei der Vollbahn wird GPS erfolgreich zur Verortung verwendet. Im urbanen Verbauungsgebiet wird der Einsatz von Satellitennavigationssystemen jedoch beeinträchtigt durch Abschattung und Reflexionen. Gleichzeitig sind aber die Genauigkeitsanforderungen im dichten Straßenbahnnetz höher als bei der Vollbahn. Ein System von nur 24 Satelliten kann die resultierenden Anforderungen an Verfügbarkeit und Redundanz bei kinematischen Messungen Innenstadtbereich nicht gewährleisten.

4 Keeping on Track - GNSS 4 / 18 GLONASS Das russische GLONASS System ist auf 21 aktive Satelliten in 3 um jeweils 12 o verschobenen Eben ausgelegt und befindet sich nach wie vor in der Aufbauphase. 24 bis 27 waren nur ca. 1 aktive Satelliten im Einsatz. Die Genauigkeit des zivilen SP Signals ist nur etwa 1/3 des GPS SPS Signals (ohne SA). Aber: Durch Hinzunahme von GLONASS kann die effektive Satellitenanzahl im Vergleich zu reinem GPS um 4% gesteigert werden.

5 Keeping on Track - GNSS 5 / 18 Abschattung in Häuserschluchten Für ein fixing ist freie Sicht zu mindestens 4 Satelliten erforderlich. Im urbanen Verbauungsgebiet sind aber häufig große Teile des Himmels durch Gebäude abgeschattet ω b h H Einsehbarer Raumwinkel Ω = 2ω = 4 arctan b 2(H h) sterad

6 Keeping on Track - GNSS 6 / 18 Abschattung und Verfügbarkeit Auch bei Kombination von GPS und GLONASS kann im Stadtgebiet (ohne U-StraB) nur eine mittlere Verfügbarkeit von ca. 9% erreicht werden mit durchschnittlich ca. 7.5 Satelliten. Diese sind allerdings nicht gleich verteilt...

7 Keeping on Track - GNSS 7 / 18 Abschattung im Wiener Straßenbahnnetz Legende: vier Satelliten, fünf, sechs, sieben oder mehr

8 Keeping on Track - GNSS 8 / 18 Spiegelungen an reflektierenden Oberflächen Reflexionen können Positionierungsfehler bis zum doppelten Normalabstand zum reflektierenden Objekt verursachen. Diese Fehler sind durch Korrektursignale (DGPS) nicht behebbar. Zur Erkennung ist freie Sicht auf zusätzlichen Satelliten notwendig α d Signalstreckendifferenz l = d(1 + cos 2α) sec α 2d

9 Keeping on Track - GNSS 9 / 18 Post Processing Die aufgezeichneten GPS-Daten werden in einem post-processing mit den Daten der inertial-unit abgeglichen: 1. Jedes GPS-fixing wird anhand des Krümmungsverlaufs extrapoliert. 2. Die Extrapolationen werden lokal gewichtet aufsummiert. 3. Stark inkonsistente fixings werden erkannt und ausgeschieden. 4. Die Schritte 1 bis 3 werden bis zu dreimal wiederholt. Dieser Algorithmus eliminiert punktuelle Ausreißer und unterdrückt den stochastischen Fehler (Rauschen). Systematische Fehler über mehrere fixings hinweg bleiben aber unerkannt.

10 Keeping on Track - GNSS 1 / 18 Punktuelle Fehler Die Graphik zeigt die Abweichungen der GPS fixings zu der korrigierten und geglätteten Ortskurve. Die Größe der Ausreißer ist erwartungsgemäß stark von der Anzahl der sichtbaren Satelliten abhängig.

11 Keeping on Track - GNSS 11 / 18 Punktuelle Abweichungen im Wiener Straßenbahnnetz Legende: weniger als 1 m, 1 bis 5 m, 5 bis 25 m, mehr als 25 m

12 Keeping on Track - GNSS 12 / 18 Reproduktionsgenauigkeit Um Zeitreihen zu bilden ist es nötig, Daten identischer Gleisabschnitte aus verschiedenen Befahrungen einander zuzuordnen. Bei der Verortung der Messdaten kommt der Reproduktionsgenauigkeit daher eine besondere Bedeutung zu. Anders als bei anderen Systemen sind bei GPS auftretende Fehler immer von der momentanen Satellitenkonstellationen abhängig und daher per se nicht reproduzierbar. In den folgenden Graphiken wurden die roten und blauen GPS-Ortskurven auf identischen Gleisabschnitten aufgezeichnet.

13 Keeping on Track - GNSS 13 / 18 Match 162, left - / -37 mrad, right +29 / + mrad build Oct :12:25, options: -u -P graph.ps -M mat -o route1-6.net [m] 9864 Match 15, left - / -41 mrad, right + / +63 mrad build Oct :12:25, options: -u -P graph.ps -M mat -o route1-6.net [m] 1768 Curvature [rad/km] Curvature [rad/km] Superelev [mm] Superelev [mm] Gauge [mm] Gauge [mm] route6.geo: (blue) = route2.geo: (red), m, stretch -.13% route5.geo: (blue) = route5.geo: (red), m, stretch.7%

14 Keeping on Track - GNSS 14 / 18 Systematische Fehler Größere Gebäude und Anlagen im urbanen Verbauungsgebiet können bei ungünstigen Satellitenkonstellationen zu weiträumigen und konsistenten Störungen führen, die sich über mehrere hundert Meter fortsetzten. Diese Fehler sind auch mit aufwendigeren Konsistenzprüfungen schwer bis gar nicht zu erkennen. In Anbetracht der hohen Netzdichte und der Häufigkeit von parallel geführten Gleisen und Linien in Straßenbahnnetzten kann dies bei rein GPS basierter Verortung zu Zuordnungsfehlern führen.

15 Keeping on Track - GNSS 15 / 18 Match 14, left - / +27 mrad, right + / +63 mrad build Oct :12:25, options: -u -P graph.ps -M mat -o route1-6.net [m] 4842 Match 35, left - / -7 mrad, right + / +98 mrad build Oct :12:25, options: -u -P graph.ps -M mat -o route1-6.net [m] 4913 Curvature [rad/km] Curvature [rad/km] Superelev [mm] Superelev [mm] Gauge [mm] Gauge [mm] route3.geo: (blue) = route1.geo: (red), 47.6 m, stretch.3% route6.geo: (blue) = route5.geo: (red), m, stretch.17%

16 Keeping on Track - GNSS 16 / 18 Krümmungsbasierte Verortung und Netzaufnahme CUBAL und NetScan beruhen primär auf der Auswertung von Mustern des aufgezeichneten Krümmungsbildes zur Abbildung auf ein bzw. zur Rekonstruktion eines krümmungsbasierten Referenznetztes.

17 Keeping on Track - GNSS 17 / 18 Einsatz von Satellitennavigationssystemen Wegen der beschränkten Zuverlässigkeit von GPS/GLONASS im urbanen Verbauungsgebiet werden Satellitendaten bei CUBAL und NetScan nur unterstützend eingesetzt zur Vorselektion potentiell überlappender bzw. identischer Gleisabschnitte, Konsistenzprüfung von gefundener Korrelationen, Konsistenzprüfung beim Zusammenhängen von Teilpfaden, zur Ermittlung der Tangentenrichtung bei langen Geraden und zur Visualisierung bei niedrigen Genauigkeitsanforderungen.

18 Keeping on Track - GNSS 18 / 18 Visualisierung mit GPS Krümmungsbasiert aufgenommener Gleisplan mit GPS Koordinaten.