NAVSTAR-GPS, das globale Positionierungssystem

Die TRAINSAT Komponenten

Robert Grüller

Im Anschluß an den Artikel über GPS Anwendungen im Eisenbahnwesen soll hier eine detailliertere Beschreibung der einzelnen Baugruppen eines sich im Konzeptstadium befindlichen Eisenbahnsicherungssystems gegeben werden. Es werden auch die Funktionen der unterschiedlichen Module erläutert.

Der Verfasser hat dieses Konzept, in Übereinstimmung mit der im Vertrag von Maastricht im Artikel 75 geforderten Erhöhung der Transportsicherheit, bereits 1995 den ÖBB und in weiterer Folge 1996 auch der Eisenbahnaufsichtsbehörde im Österreichischen Verkehrsministerium vorgestellt. Bisher ist jedoch von keiner der beiden Stellen eine Reaktion auf diesen Vorschlag zur Erhöhung der Betriebssicherheit bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erfolgt.

TRAINSAT ist ein System das zur Standortfeststellung von Eisenbahnfahzeugen mittels GPS Satellitensignalen verwendet werden kann.
Der Vorgänger dieses Systems wurde entwickelt, um Standorte von LKW´s feststellen zu können, ihre Fahrtroute zu verfolgen und im Bedarfsfall Funktionen der Fahrzeuge, auch automatisch fernsteuern zu können. Damit hatte man ein wirksames Überwachungsinstrument zur Bekämpfung des organisierten Verbrechens in der Hand.

Ähnliche Systeme mit zum Teil unterschiedlichem Funktionsumfang sind bereits seit Ende 1996 bei TRI-Rail der Herzog Services Inc. in Florida, USA und seit etwa Juni 1996 bei Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya (FCG) in Spanien im Regelbetrieb im Einsatz.

Der entscheidende Vorteil von TRAINSAT ist seine individuelle Konfigurierbarkeit an die jeweilige Anforderung und seine weitgehende Automatisierbarkeit. Zusätzlich zu den entscheidenden Kostenvorteilen die durch den Entfall der umfangreichen Infrastruktur entlang der Bahnstrecken begründet sind, bietet TRAINSAT weitere finanzielle Vorteile durch Funktionsintegration von bisher durch externe Baugruppen durchzuführenden Aufgaben. Dazu gehören neben der Positionsbestimmung unter anderem die Ansteuerung des digitalen Fahrplanes und die Fahrdatenspeicherung, sowie vieles mehr. Darüber hinaus sind weitere ökonomische Vorteile durch den Preisverfall elektronischer Bauteile, begleitet von deren gestiegener Leistungsfähigkeit, ein weiteres Plus für den Einsatz von TRAINSAT.

Das komplette System besteht aus den Mobilgeräten mit, GPS-Empfänger, Antenne und Rechner mit Speicher, weiters einer Kommunikationsverbindung zu einer Zentrale, bei den Disponenten und den Computern dieser Zentrale.


Die wichtigsten Funktionen des TRAINSAT Mobilgerätes


Die verfügbaren Module eines TRAINSAT Mobilgerätes

Metallgehäuse in dem die wichtigsten Module der Mobileinheit untergebracht sind. Aufgrund der geringen Abmessungen kann leicht ein Einbauort in der Lokomotive gefunden werden.

 

Externes Schutzgehäuse

Übergehäuse in dem zusätzlich eine Pufferbatterie eingebaut ist. Sollte dieses Gehäuse unbefugt geöffnet werden, oder die Zuleitungen gekappt werden, sendet TRAINSAT einen Alarm mit Positions- Zeit- und Statusmeldung an die Zentrale und schützt sich so vor Vandalismus und die Lok vor unbefugter Inbetriebnahme.

GPS- Empfänger

Blockschaltbild

 

Berechnet jede Sekunde seine Position neu. Daraus wird auch die Geschwindigkeit der Lokomotive abgeleitet und mit den Werten des Geschwindigkeitsmessers der Lokomotive verglichen. Damit ist selbst wenn der Lokomotiv-geschwindigkeitsmesser ausfallen sollte, eine problemlose Weiterfahrt mit Geschwindigkeitsanzeige durch das GPS-System möglich.

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1 Blockschaltbild eines GPS Empfängers

 

GPS Antenne

Antennenbauarten

 

Zum Empfang der Satellitensignale. Es gibt verschiedene Antennenbauarten und je nach Einbauort und Einsatz finden Helix-, Kreuzdipol- oder Patchantennen Verwendung.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.2 GPS Antennenbauarten

 

 

Mobiltelefon

Ein D-Netz oder GSM-R (Group Special Mobile-Railway) Telefon kann zur Kommunikation mit der Zentrale verwendet werden. (Das österreichische C-Mobilfunk-Netz wurde zum Jahreswechsel 1997/1998 abgeschaltet .)

 

Funkgerät

Wenn noch kein Lokomotivfunkgerät vorhanden ist, kann dieses Funkgerät auch für die Kommunikation mit der Zentrale verwendet werden.

 

Batterie

Eine Gel-Type Batterie, die alle zur Alarmabsetzung notwendigen Funktionen, falls das Bordnetz ausfallen sollte, oder im Sabotagefall mit Spannung versorgt.

 

Telefonmodem

Zum senden/empfangen von Daten von/zur Zentrale per D-Netz oder GSM (Group Special Mobile) Telefon.

 

Funkmodem

Zum senden/empfangen von Daten von und zur Zentrale per Funk.

 

Audio System

Freisprecheinrichtung für den Lokführer, kann von Sensoren in der Lok oder von der Zentrale aus aktiviert werden.

 

Mikroprozessor

Verarbeitet und decodiert die von den Satelliten empfangenen Signale. Frägt die Sensoren ab und löst aufgrund der von der Zentrale erhaltenen Daten selbsttätig Funktionen aus.

 

Speicher

Festwertspeicher RAM (Random Access Memory) der zusätzlich zu den Systemfunktionen auch die Fahrdaten aufzeichnet.

 

Odometer

Ermittelt unabhängig vom Satellitensignal, oder im Tunnel die zurückgelegte Strecke und Geschwindigkeit und erhöht durch Datenvergleich mittels eines Kalmanfilters die Fehlertoleranz des Gesamtsystems.

 

Fluxgate Kompaß

Ein gegen die magnetischen Störungen in der Lok unempfindlicher elektronischer Kompaß. Dient wie das Odometer zur Verbesserung und Überprüfung der Genauigkeit der Position.

 

Gyroscope

Ein Drehratensensor der es ermöglicht bei überschreiten von vorgegebenen Werten, eine Entgleisung der Lok festzustellen, um dann automatisch Statuszustände an die Zentrale zu übertragen und Funktionen automatisch ablaufen zu lassen. (zB Nothalt für alle Züge im Umkreis, senden der Position, Zeit-, und Statusinformationen, und einer Freihandsprechverbindung des Lokomotivführers mit der Zentrale)

 

Kalmanfilter

Ein mathematischer Algorithmus zum rekursiven Anpassen sich dynamisch verändernder Positionsdaten die von mehreren konkurrierenden Sensoren. (DGPS, Gyro, Kompaß, Map matching) kommen. Ergibt in einer iterativen Schleife eine genauere Position als jene die einzelne Sensoren liefern.

 

Stoßsensor

Ein Verzögerungssensor, der bei überschreiten eines bestimmten Wertes automatisch Zeit, Position, und alle Statuszustände des Mobilgerätes an die Zentrale überträgt und Funktionen in der Lok auslösen kann. (zum Beispiel Freihandsprechverbindung mit der Zentrale, Senden der Statusinfos)

 

Display

Zusätzlich zum Fahrplandisplay kann diese vierzeilige LC-Anzeige zum Nachrichtenempfang von der Zentrale, sowie zur lokinternen Statusanzeige verwendet werden. Über 100 vordefinierte Nachrichten können an die oder von der Zentrale abgeschickt werden. Dadurch kann ein genau definierter, und somit eindeutiger Wortlaut vorgegeben werden. Kann zur Befehlsübermittlung an den Zug verwendet werden. Die Übertragungszeit ist wesentlich geringer als für gesprochene Meldungen. Für Strecken mit geringer Verkehrsdichte ist ein mitprotokollieren mittels billigem Drucker machbar. Dadurch ist der Verzicht auf einen teuren Sprachspeicher möglich.

 

Videokamera

Diese Mikrokamera nimmt Bilder in und/oder außerhalb der Lokomotive auf. Es sind bis zu vier Kameras, die mit Infrarotleuchten zur Aufnahme bei Dunkelheit ausgerüstet sind, an die Mobileinheit anschließbar.

 

Videokarte

Übernimmt die Aufbereitung der Videobilddaten zur Übertragung an die Zentrale, wo sie angezeigt und gespeichert werden können. Je nach Bildauflösung und Signalbandbreite des Transportmediums können pro Minute 5 bis maximal 12 monochrome Still-Video Bilder gesendet werden.


Die zentrale Kontrollstation

Zentrale 1

Die zentrale Kontrollstation des TRAINSAT Systems besteht aus vier Personalcomputern, die in einem Netzwerk zusammengeschlossen sind. Zwei dieser Computer halten die Verbindung zu den Mobilgeräten via Funk und Telefon aufrecht, und verwalten die Datenbank.
In dieser Datenbank sind die Fahrpläne aller Züge enthalten. Sie werden von hier an die Züge, jeweils vor deren Abfahrt per Funk oder Telefon übertragen. Beide PCs erhalten alle Daten und speichern sie, aber nur einer (master) setzt Aktionen. Sollte ein Fehler auftreten übernimmt der zweite PC (slave) ohne Unterbrechung das System. Die beiden anderen PCs werden nur zur Berechnung der Grafikdarstellungen eingesetzt. Auch diese beiden arbeiten nach dem master/slave Prinzip.
 


Abb.3 Die zentrale Kontrollstation

 

Die zentrale Kontrollstation des TRAINSAT Systems kann aus folgenden Elementen bestehen :

Zentrale 2Abb.4 Die zentrale Kontrollstation


Vereinfachte zentrale Kontrollstation

Dieses System verwendet nur einen PC für Kommunikation und Berechnung, auch wird hier nur ein Monitor verwendet Geeignet als preiswerte Demonstrationsanlage, oder zur Überwachung von wenigen Mobilgeräten. Dies ist vermutlich die kostengünstigste Variante, um eine wenig befahrene Nebenstrecke mit einem hochwertigen und effizienten Sicherungssystem auszurüsten, ohne dabei das Kosten Nutzen Verhältnis aus dem Gleichgewicht zu bringen.


 

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Der Europäische Radionavigationsplan ERNP

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