Radarbasierte Geschwindigkeitsbestimmung für Schienenfahrzeuge mit Hilfe eines Kreuzkorrelationsschätzers

Der Schienenverkehr steht als effiziente Alternative zu Kraftfahrzeugen zunehmend im Fokus zukünftiger Mobilitätskonzepte. Um die damit einhergehenden Anforderungen an Pünktlichkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, bedarf es unter anderem einer möglichst genauen und robusten Sensorik zur Geschwindigkeitserfassung der Schienenfahrzeuge. Wie im Rahmen der vorliegenden Arbeit dargestellt wird, erfüllen vorhandene Systeme diese Aufgabe nur unzureichend.

Diese Arbeit bietet zu diesem Problem einen neuen Lösungsansatz. Mit einem seitlich gerichteten Radarsystem wird der Untergrund räumlich versetzt von zwei Empfängern aufgenommen. Durch die Kreuzkorrelation der kontinuierlich aufgenommenen Bilder kann deren zeitlicher Versatz bestimmt werden. Aus dem zeitlichen und räumlichen Abstand der aufgenommenen Bilder lässt sich schließlich die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bestimmen.

Das System arbeitet dabei als Frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal (engl. Frequency Modulated Continuous Wave) (FMCW)-Radar bei einer Frequenz von 24 GHz mit wahlweise 250 MHz oder 1 GHz Bandbreite. Neben der Bandbreite bietet es noch einige weitere Konfigurationsmöglichkeiten hinsichtlich der Messgeometrie, des Multiplexings der beiden Sender und vor allem der Signalverarbeitung.

Zur Bewertung der Möglichkeiten und Grenzen des Ansatzes liegt eine ausführliche analytische Einführung vor. In dieser wird dargestellt, welche Störeinflüsse zu erwarten sind und in welchem Geschwindigkeitsbereich die Sensorik einsetzbar ist. Der Einfluss unterschiedlicher Systemparameter auf diese Störeinflüsse und den Geschwindigkeitsbereich wird ausführlich erörtert.

Das entwickelte System wird in der realen Anwendung bei Geschwindigkeiten von bis zu 130 km/h getestet. Der niedrigste ermittelte Effektivwert der Messabweichungen unter allen möglichen Konfigurationen liegt bei 0,11 km/h. Diese Genauigkeit ist mit bisherigen Ansätzen zur Geschwindigkeitsbestimmung von Schienenfahrzeugen unerreicht.