Galileo above Vortrag DLR - Abel - 6-Dez-2012 · Galileo above DirkAbel, Aachen 20.4.2011 Folie 1 automotiveGATEund railGATE: Galileobasierte Fahrzeugführung für bodengebundenen

Galileo above �� Dirk Abel, Aachen �� 20.4.2011 �� Folie 1

automotiveGATE und railGATE:Galileo-basierte Fahrzeugführung für bodengebundenen Verkehr

Prof. Dr.- Ing. Dirk AbelRWTH Aachen

Institut für Regelungstechnik

Vortrag im Braunschweiger VerkehrskolloquiumDLR �� 6. Dezember 2012

Quelle DLR

Satellitennavigationssysteme

2 Satellitennavigation, Galileo, TestgebieteProf. Dirk Abel | Institut für Regelungstechnik

� Satelliten und Ortung

� Galileo-Testgebiete

� Anwendungen





� Anwendungen

Einsatzgebiete Satellitennavigation


Luftverkehr

Schifffahrt

Straßenverkehr

Mobil-Navigation

Flottenmanagement

Vermessung

Tourismus

Landwirtschaft

Schienenverkehr

Rettungswesen

Zeitsynchronisation

Logistik



GPSin Betrieb, U.S.-amerikanisch

Glonassin Betrieb, russisch

Galileoim Aufbau, europäisch

Compassim Aufbau, chinesisch

IRNSSin Planung, indisch, regional

QZSSin Planung, japanisch, region.

Satellitennavigation, Galileo, TestgebieteThomas Engelhardt | Institut für Regelungstechnik Quellen: ESA, Wikipedia

Galileo Satellitenbahnen

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Galileo Satellitennavigationssystem

Zeitliche Eckdaten� IOC (Initial Operational Capability): ca. 2014

� FOC (Full Operational Capability): ca. 2016-2018

Merkmale� Ziviles System

� Verfügbarkeits-Garantie, Rechtssicherheit(vertraglich im Commercial Service)

� Integritätsinformationen (Safety of Life Service)Time to Alarm: 6 s

� Für Europa optimierte Konstellation (Walker)

� Mehrfrequenzbetrieb für Genauigkeiten bis 4-6 m

Vorteile hinsichtlich: Verfügbarkeit, Integrität und Genauigkeit

�� Wichtige Eigenschaften für sicherheitskritische Anwendungen


Bildquelle: ESA

Ortung in der Fahrzeugführung


Anforderung Umsetzung

Verfügbarkeit • Rechtssicherheit von Galileo• Gleichzeitige Nutzung mehrerer GNSS• Stützung durch andere Sensoren bei Signalausfall (z.B. in

Tunneln)

Integrität • Galileo-eigene Informationen (Safety of Life Service)• EGNOS Integritätsinformation• Plausibilisierung mit Fahrzeugsensoren

Genauigkeit • Mehrfrequenzbetrieb• Gleichzeitige Nutzung mehrerer GNSS• Augmentierungsdienste wie EGNOS, WAAS• Sensorfusion im Fahrzeug

• Beschleunigungs- / Drehratensensoren• Kamera• Radar• Digitale Karte

• „Lokale Elemente“ an Orten mit hohen Anforderungen

AutomotiveZiel: spurgenauBahn2m für Gleisselektivität





� Anwendungen

Ortung


Satellitennavigation


Pseudoliten


Galileo Testgebiete mit Pseudoliten


Galileo Testgebiete mit Pseudoliten

Galileo above

Anwendungszentrum für bodengebundenen Verkehr

Testgebiete

� railGATE (Wildenrath)Anwendungen im Schienenverkehr

� automotiveGATE (Aldenhoven)Anwendungen im Straßenverkehr


Galileo above


Aufbau Infrastrukturgefördert durch

� DLR mit Mitteln des BmWi

Initialprojektegefördert durch

� DLR mit Mitteln des BmWi(Raumfahrtagentur)

� Land NRW

Beteiligte RWTH-Institute

� Regelungstechnik (Prof. Abel, Koordination)

� Kraftfahrzeuge (Prof. Eckstein)

� Schienenfahrzeuge (Prof. Dellmann)

Geplante Systemeigenschaften

Betriebsmodi� Base Mode: ausschließliche Ortung mit Pseudolitensignalen

(Codephasenlösung)� Genauigkeit mind.

2,3 m im automotiveGATE und2,7 m im railGATE

� Assisted Mode: Daten der Referenzstation über Datenlink(Trägerphasenlösung)

� Genauigkeit mind. 0,8 m

Konstellationen� Pseudoliten only (nur 2D)

� Pseudoliten + Galileo

� Pseudol. + Galileo + EGNOS

� Pseudoliten + GPS


� Pseudoliten + GPS + EGNOS

� Pseudoliten + GPS + Galileo

� Pseudol. + GPS + Galileo + EGNOS

� Galileo / GPS

railGATETestgebiet für Bahn-Anwendungen

railGATETestgebiet für Bahn-Anwendungen

Test- and Validationcenter


• in Wegberg-Wildenrath

• enge Kooperation zwischen RWTHund Siemens

• Testzentrum für Bahnfahrzeuge,-systeme und Komponenten

• Ideale Test-Bedingungen

• 28 km Gleise

Sources: Siemens, tim-online.nrw.de

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railGATE

Referenzstation

Master Control Station

Testumgebung zur Entwicklungvon Galileo-Bahnanwendungen

• Im PCW Wildenrath

• 8 „Pseudoliten“ sendenGalileo-Navigations-signale

Zeitplan railGATE

� Hoch- / Tiefbau abgeschlossen

� Inbetriebnahme Systemtechnik läuft

� Fertigstellung Sommer 2013


PSL W1

PSL W6 und W7 (im Hintergrund)

PSL W4

Bildquellen: Cenalo GmbH, Agit mbH

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automotiveGATETestgebiet für Automobil-Anwendungen

automotiveGATETestgebiet für Automobil-Anwendungen

Aldenhoven Testing Center (ATC)of RWTH Aachen University


Fahrdynamikfläche ATC


50 m AnfahrtRückfahrtrichtung

D = 200 mL = 400 m

R = 45 m

B1 = 6 m

B2 = 3 m

B3 = 10,5 m

B5 = 4 m

B4 = 40 m

B6 = 4 m

Geländezugang

R = 40 m

Luftaufnahme der Fahrdynamikfläche (01/2010)

Eigenschaften der FahrdynamikflächeBefahrbarer RadiusBeschleunigungsspurNutzlastOberfläche – Asphalt

Die Fahrdynamikfläche verfügt über eine unabhängige Rückführung, die einen kontinuierlichen Testablauf ermöglicht.

R = 100 ml = 400 mm = 44 tµ ~ 0,8

Übersicht der Testanlage(nach Fertigstellung in 2013)


FahrdynamikflächeDurchmesser: 200 m

OvalrundkursDreispurig für PKW und LKW, querkraft-freies Fahren bis zu 130 km/h

Handlingparcours

Bremsstreckenverschiedene Oberflächen mit unterschiedlichen Reibwerten

SchlechtwegstreckeSpezielle, künstliche Hindernisse zur Fahrkomfortbewertung von PKW und LKW

SteigungshügelSteigungen bis zu 40 %

bereits fertiggestellt

automotiveGATE

25 Satellitennavigation, Galileo, TestgebieteThomas Engelhardt | Institut für Regelungstechnik

Master Control Station

ReferenzstationNutzer

26 Satellitennavigation, Galileo, TestgebieteThomas Engelhardt | Institut für Regelungstechnik

Sendemast PSL A6, Filmautobahn, Fahrdynamikfläche im Hintergrund

Bildquelle: Cenalo GmbH

Zeitplan automotiveGATE

� Hoch- / Tiefbau abgeschlossen

� Inbetriebnahme Systemtechnik läuft

� Fertigstellung Frühjahr 2013


PSL A1 am Schornstein, Fahrdynamikfläche im Hintergrund

PSL A2, A3, A4, A5 an Hochspannungsmasten

Bildquellen: Cenalo GmbH, RWTH Aachen





� Anwendungen

Initialprojekte

RailInitialprojekte

Rail

Bahnprojekte Galileo


Exaktes kuppelbereites Positionieren

Rangierassistent

Genauigkeitserhöhung und Integritätsprüfung mit Balisen

Automatische Begrenzung von RangierbereichenHauptgleis

Exaktes kuppelbereites Positionieren


Anforderungen

� Exakte Positionsbestimmung von Lok und Waggon

� Exakte Geschwindigkeitsbestimmung

� Schlupf-Bestimmung für dynamische Bremsmanöver � Zeitersparnis

� Erkennung des Aufeinandertreffens

DLR-Projekt

Erprobungsträger IFS

Rangierassistent


Motivation

� Wenige zentrale Zugbildungsanlagen

� Lange Aufenthaltzeiten unattraktiv für Einzelwagenverkehr

Ziel

� Flachrangieren in dezentralen Zugbildungsanlagen

� Rationalisierung durch Teilautomatisierung

Rangiereinheit

Pseudolite

Disposition und Prozess-Steuerung

IKT.NRW Projekt

Projekt SiPosSicherheitsrelevante Positionsbestimmung


Balise # Pos.

x y z 12356

Onboard Computer

Ionosphere

Balise

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Initialprojekte

AutomotiveInitialprojekte

Automotive


Collision Avoidance (CAS)

Curve Speed Warning (CSW)Adaptive Front Lighting (AFL)

Adaptive Cruise Control (ACC)

Automotive-Initialprojekte Galileo

Collision Avoidance



DLR-Projekt

Kollisionsvermeidung durchKoordination von Ausweichmanövern

� Erkennung von unbewegten und bewegten Objekten auf Kollisionskurs

� Autonome Notbremsung oder Ausweichen wenn Fahrer nicht reagiert

� Sensorik:

� Galileo-basierter Ortung

� Car2Car-Kommunikation

� bordautonome Sensorik,z.B. Radar

Collision Avoidance


Collision Avoidance

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Experiment. Setup und SystemdesignSystemkonzept

Sensorik

Inertial-sensorik

GNSS C2XRadar / Kamera

Fahrzeug-CAN

Sensorfusion

Navigation und Fahrzustandsschätzung (Ego-Fzg.)

Umfeldfusion

Manöverkoordination Bahnplanung

Fahrzeugführung (längs/quer)

Aktorik (Lenkung, Bremsbooster), HMI

Satellitennavigation, Galileo, TestgebieteProf. Dirk Abel | Institut für Regelungstechnik

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Experiment. Setup und Systemdesign

Fahrzustandsschätzung

� Schätzung von für die Regelung relevanten Fahrzustandsgrößen

� Verwendung der GNSS Übergrund-Geschwindigkeit für verbesserte Schätzung

� Adaptionsfähigkeit (Reibpaarung Rad/Straße)

Fahrdynamikregelung

� Längs-/Querführung des Fahrzeugs auf einer Ausweichbahn/-trajektorie

� Adaptionsfähigkeit durch Beobachterstruktur

Navigation

� Schätzung von Position, Geschwindigkeit und Orientierung des Fahrzeugs

� GNSS-Receiver mit geringer Update-Rate (5 Hz)

� INS (Beschleunigungen / Drehraten) mit hoher Update-Rate (100 Hz)

Experiment. Setup und SystemdesignUmsetzung im Versuchsträger

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Versuchsträger (VW Passat CC)• Antriebs-CAN• Sensorik (Radar, Kamera)• Ansteuerung Aktorik

(EPS-Lenkung, Bremsbooster)

uBlox LEA-6TLow-Cost GNSS-Empfänger(momentan GPS,später Galileo Pseudlites)

MicroAutobox II 1401/1511/1512

Oxford RT3003GPS-RTK Empfänger (Referenz)und Inertial-Messplattform (IMU)

RS-232 (Seriell)CAN-Bus

CAN-Bus

100 Hz 5 Hz

CorrevitOptischer Referenzssensor(Übergrundgeschwindigkeitin der Längs- und Querrichtung)

analog



Collision Avoidance

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Autonomes Kreuzungsmanagement


Problemfeld

� Kreuzungen sind komplexe Fahrsituationen: über 30% aller Verkehrsunfälle in Deutschland ereignen sich an Kreuzungen

� Kreuzungen sind Verkehrsengpässe: Kapazitätslimit konventioneller ampelgesteuer-ter Kreuzungen bei ca. 2000 Fahrzeugen / h

� Bauliche Alternativen (Kreisverkehre) sind aus Platzgründen häufig nicht realisierbar

Ziel des Assistenzsystems

� Fahrzeuge fahren selbständig gemäß Routen-vorgaben einer zentralen Kreuzungssteuerung

� Vorteile:

o Steigerung der Kapazität um Faktor 3-4

o Steigerung der Verkehrssicherheit

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Optimierung der Fahrzeugbewegung

� 4-armige Kreuzung ohne Abbiegerspuren

� Unterteilung der 12 Routen in Segmente i gemäß ihrer Kreuzungspunkte

� Optimierung der Beschleunigungen ai in den Sektoren für minimale Durchfahrtszeit

� Mindestzeitabstand ∆Ts zwischen zwei Fzg. an einem Knotenpunkt j

Optimierungsaufgabe

∑

∑

∆++∆≤

≤≤

≤≤

∆

j

Route

is

j

last

iii

i

Route

ia

tTTT

vvv

aaa

t

0

max,min,

maxmin

u.B.v.

min

x-Richtung [m]

y-Richtung [m

]

Geradeaus-Routen

Rechtsabbieger

Linksabbieger

Knotenpunkte

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46



47

� Galileo bietet neue Chancenfür Wissenschaft und Technik C

� C in vielfältigen Kompetenzbereichenvon der Signalgenerierung bis zur Anwendung.

� Anwendungen speziell im BereichFahrerassistenz / Fahrzeugführung.

� Galileo-Testgebiete stellen dafür eineeinzigartige Infrastruktur bereit.

Mit Dank an Ralf Beck, Thomas Engelhardt, Björn Schäfer,Alexander Katriniok und René Rütters für deren Beiträge.

Resumée

Galileo above �� Dirk Abel, Aachen �� 20.4.2011 �� Folie 48

automotiveGATE und railGATE:Galileo-basierte Fahrzeugführung für bodengebundenen Verkehr

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Vortrag im Braunschweiger VerkehrskolloquiumDLR �� 6. Dezember 2012

Quelle DLR

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