CLUG

Lokalisierung von Zügen auf Basis von Satellitennavigation:

die Projekte CLUG und CLUG 2.0

Die Position jedes Zuges in Echtzeit zu kennen, ist eine wichtige Anforderung an das zukünftige Bahnsystem. Denn für das vollautomatisierte, fahrerlose Fahren oder für den Zugbetrieb in flexiblen Blockabständen (sog. Moving Blocks) muss eine präzise und zuverlässige Lokalisierung erfolgen. Erst wenn die Züge in optimierten und dynamischen Abständen fahren, wird die Kapazität des Bahnnetzes erhöht. Die aktuelle Lösung zur Lokalisierung basiert noch auf streckenseitigen Infrastrukturelementen (z. B. Balisen). Im so genannten CLUG-Projekt (Certifiable Localisation Unit with GNSS) wird untersucht, inwiefern das globale Satellitennavigationssystem GNSS zur Zugortung beitragen und in den heutigen Standard (ERTMS – European Rail Traffic Management System/ETCS – European Train Control System) integriert werden kann.

Mit dem CLUG-Projekt werden Nachhaltigkeit, Interoperabilität und Digitalisierung im Bahnbereich vorangetrieben. Die Nutzung von GNSS zur Lokalisierung im Bahnverkehr ist ein Gamechanger für den European Green Deal. Die Vision des CLUG-Projektes ist es, die Zuglokalisierung in das digitale Zeitalter zu überführen. Dies erfolgt unter der Anwendung eines Multi-Sensor-Ansatzes (GNSS als Schlüsseltechnologie) in Kombination mit digitalen Karten. Dadurch werden innovative Konzepte wie das hoch- und vollautomatisiertes Fahren (GoA2 and GoA4) oder ein intelligentes Traffic Management System ermöglicht. Die Standardisierung von entsprechenden Schnittstellen erlaubt ein modulares Design der Komponenten an Bord des Zuges. In Zusammenhang mit der Reduktion streckenseitiger Infrastruktur führt dies zu einer Kostenreduktion und Erhöhung der Zuverlässigkeit und Qualität des Bahnbetriebes.

Ziele des CLUG-Projektes (Stufe 1):

• Definition von Mission-Requirements für die Lokalisierung
• Definition einer modularen Architektur
• Demonstration der Machbarkeit eines Multi-Sensor-Ansatzes für die Lokalisierung
• Proof of Concept für den verwendeten Algorithmus

Das CLUG-Projekt (Stufe 1) fand von 2019 bis 2022 statt. Es wurde von der European Union Agency for the Space Programme (EUSPA) gefördert und als europäisches HORIZON-2020-Projekt finanziert. Das CLUG-Konsortium bestand aus unterschiedlichen Partnern: Eisenbahnunternehmen (SNCF, DB NETZ AG und SBB), Signaltechnikindustrie (CAF und Siemens), Navigationsexperten (Airbus Defence and Space, Naventik, FDC), Forschungsinstitute (ENAC) und Zertifizierungsexperten (Navcert). Im Rahmen der Sektorinitiative Digitale Schiene Deutschland (DSD) arbeitete die DB Netz AG mit diesen Partnern in Form eines Kooperationsprojektes zusammen.

Anfang 2023 startete CLUG 2.0 zur Fortsetzung von CLUG (Stufe 1). Mit einem erweiterten Konsortium (SYNTONY, RINA-C) wird während der 24-monatigen Laufzeit an der Realisierung der CLUG-Vision gearbeitet.

Ziele von CLUG 2.0:

• Durchführung einer RAMS-Analyse (Reliability, Availability, Maintainability & Safety)
• Demonstration der Lokalisierungseinheit in Echtzeit
• Erweiterung der Architektur um neue Funktionen
• Vervollständigung der High Level User Needs an das Lokalisierungssystem

Herausforderung der Echtzeitlokalisierung von Zügen

Heute basiert die sicherheitsrelevante Lokalisierung von Zügen auf streckenseitigen Infrastrukturelementen zur Gleisfreimeldung, wie zum Beispiel Balisen und Achszähler. Sie sind in festen Blockabständen entlang der Bahnstrecke verbaut. Für die Realisierung von so genannten Moving Blocks gemäß ETCS-Standard, teilt der Zug zukünftig seine relative Position in Bezug auf einen Referenzpunkt (Balise) im Gleis mit. Diese Position wird mit Hilfe von Odometriesensorik, die sich an Bord des Zuges befindet, bestimmt (z. B. Wegimpulsgeber oder Doppler-Radar). Zusätzlich wird die Information zur Zugintegrität (Zugvollständigkeit) benötigt.

Die streckenseitige Infrastruktur ist allerdings störanfällig und ihre Wartung mit hohen Kosten verbunden. Außerdem wirken sich die Defizite in Bezug auf die Genauigkeit der Odometriesysteme negativ auf den Bahnbetrieb aus. Um die Genauigkeit und Datenqualität von Lokalisierungsinformationen zu verbessern und die streckenseitigen Infrastrukturelemente zu reduzieren, wird der Einsatz von GNSS (Global Navigation Satellite System) zur Lösung dieser Problematik beitragen. Diese Ansicht vertreten Organisationen, wie die Europäische Eisenbahnagentur (ERA). Deshalb liegt der Fokus des Förderprojektes CLUG auf dieser technischen Lösung. Sofern die Projektergebnisse positiv sind und diese Technik zukünftig europaweit eingesetzt wird, können die teuren Infrastrukturelemente reduziert werden. Der Einsatz von GNSS hat positive Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und die Betriebskosten der Eisenbahn

Der Ansatz von CLUG

Das Zuglokalisierungssystems im CLUG-Projekt nutzt Daten von fahrzeugseitigen GNSS-Sensoren, Inertial- (IMU) und Geschwindigkeitssensoren sowie Daten einer digitalen Karte. Letztere liefert die Streckentopologie sowie die absoluten Referenzpunkte. Das neue Lokalisierungssystem benötigt kaum noch Informationen von streckenseitigen Infrastrukturelementen. 

Zusätzlich zu GNSS (Kombination von GPS und Galileo) wird im zentralen Navigationssystem der so genannte European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) verwendet. Er versendet Korrekturdaten, die die Sicherheit sowie die Performance der GNSS-Lokalisierung verbessern. Der intelligente Fusion-Algorithmus des Lokalisierungssystems kombiniert alle verfügbaren Informationen und Sensordaten und gibt die gewünschten Parameter wie Position und Geschwindigkeit mit der entsprechenden Integrität aus.

Weitere Informationen:

https://digitale-schiene-deutschland.de/de/aktuelles/2022/CLUG-Lokalisierung-von-Zuegen-GNSS

• GNSS ist eine Technologie, die im European Rail Traffic Management System (ERTMS) integriert ist. Sie kann die Genauigkeit und Performance der zugseitigen Lokalisierung verbessern. Diese ist für zukünftige digitale Bahnapplikationen (vollautomatisiertes Fahren, Moving Blocks, etc.) notwendig.
   
• Die fahrzeugseitige Lokalisierung reduziert die Anzahl störanfälliger, streckenseitiger Infrastrukturelemente und verringert dadurch Ausfälle und Betriebskosten. Gleichzeitig erhöht sie die Zuverlässigkeit.
   
• Es entsteht ein europaweiter Standard für Zugortung mit allen Vorteilen für einen gemeinsamen europäischen Eisenbahnraum.

CLUG (Stufe 1):

• Ermittlung des Bedarfs, der Ziele und der funktionalen und leistungsbezogenen Anforderungen an das Lokalisierungssystem unter Anwendung eines Top-Down-Ansatzes durch die Eisenbahnunternehmen, d. h. durch die Nutzer des Systems
• Definition der Systemarchitektur und Entwicklung eines prototypischen Algorithmus für ein GNSS-basiertes Multi-Sensor-Fusionsverfahren zur Lokalisierung im Eisenbahnbereich
• Entwicklung von Verfahren, Methoden und Werkzeugen zur Zertifizierung des Lokalisierungssystems
• Demonstration der Machbarkeit des Multisensor-Fusionsverfahrens anhand von Daten, die bei Testfahren in Deutschland, Frankreich und der Schweiz aufgezeichnet wurden.

CLUG 2.0:

• Überarbeitung der System-Definition des Lokalisierungssystems und der Anforderungen an das System
• Sicherheitsanalyse des Lokalisierungssystems
• Entwicklung und Design des Lokalisierungssystems
• Durchführung von Testfahrten und Messungen

Ergebnisse von CLUG (Stufe 1, 2019 - 2022):

• Primärer Entwurf eines fahrzeugseitigen Designs mit Spezifikation in einem europäischen Rahmen
• Testen zweier Lösungsansätze. Beide zeigten vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Lokalisierung entlang des Gleises (along-track localisation) und die Bestimmung der Geschwindigkeit
• Demonstration der Machbarkeit eines Multi-Sensor-Ansatzes für die Lokalisierung
• Definition eines Formats für die digitale Karte

Das CLUG-Projekt fand im Mai 2022 seinen Abschluss. Die Abschlussveranstaltung fand am 19. Mai 2022 in Paris statt. Um die Ergebnisse auch virtuell mit einer breiten Öffentlichkeit zu teilen, fand am 9. Juni 2022 ein CLUG-Online-Webinar statt. Die Agenda sowie die Aufzeichnung der Online-Veranstaltung ist im Video zu finden:

Das Projekt CLUG 2.0 (2023-2025)

• Definition der Higher-Level User Requirements, System Requirements, Operational Scenarios
• Start der RAMS-Analyse
• Start der System-Definition des Lokalisierungssystems
• Vorbereitung der Test-Durchführung

Ziele von CLUG 2.0:

• Durchführung einer RAMS-Analyse
• Demonstration der Lokalisierungs-Einheit in Echtzeit
• Erweiterung der Architektur um neue Funktionen
• Vervollständigung der High-Level User Needs an das Lokalisierungssystem