Voraussetzungen für die GNSS gestützte Steuerung von Bettungsreinigungsmaschinen

Abstract

By using GNSS-based real-time methods, positioning accuracies in the centimetre range can currently be achieved. It will be evaluated to what extent these methods can be used for the kinematic control of the excavation chain of modern ballast bed cleaning machines. With regard to global operations, aspects of correction-data transmission, achievable position accuracy as well as requirements and limitations of various GNSS-based methods will be analyzed and assessed. In view of the transmission of correction-data, the maximum ranges of radio transmission are determined as a function of transmission- and environment-related parameters. Furthermore, it is shown that a generally valid statement regarding area-related mobile coverage is not possible. Considering different criteria, the theoretical analyses and practical results of two independent measurement systems (EM100VT and ZusiVT) validate the RTK-reference-network concept as the most suitable GNSS real-time method for kinematic position determination. If favourable conditions are assumed, positional deviations (across track) of ≤ 1.2 cm (95 %-quantile) and height deviations of ≤ 4.3 cm (95 %-quantile) can be achieved by means of the RTK-reference-network method with slow movement (≤ 1500 m/h). Due to the measuring system used, a GNSS position directly on the track is required to control the excavation chain. This can be realized by a 7-parameter between the GNSS- and the object-system using four control points (GNSS antennas attached to the EM100VT). If the relative geometry of the control points is sufficiently precise (distance difference ≤ 3 cm), a positional accuracy of the coordinates after the transformation of 6.6 mm (95 %-quantile) such as a height accuracy of 0.1 mm (95 %-quantile) can be achieved in the application considered in this work.

Durch Anwendung von GNSS-basierten Echtzeit-Methoden können gegenwärtig Positionierungsgenauigkeiten im Zentimeterbereich erzielt werden. Es wird evaluiert, inwieweit diese Methoden für die kinematische Steuerung der Aushubkette moderner Schotterbettreinigungsmaschinen genutzt werden können. In Anbetracht globaler Einsätze werden Aspekte der Korrekturdaten-Übertragung, der erreichbaren Positionsgenauigkeit sowie Voraussetzungen und Einschränkungen verschiedener GNSS-basierter Methoden analysiert und bewertet. Angesichts der Korrekturdaten-Übertragung werden die maximalen Reichweiten der Funkübermittlung in Abhängigkeit sende- und umgebungsbezogener Parameter bestimmt. Ferner wird gezeigt, dass eine allgemein gültige Aussage hinsichtlich einer flächenbezogenen Mobilfunknetzabdeckung nicht möglich ist. In Anbetracht verschiedener Kriterien validieren die theoretischen Analysen und praktischen Ergebnisse zweier unabhängiger Messsysteme (EM100VT und ZusiVT) das RTK Referenznetz-Konzept als geeignetste GNSS-Echtzeit-Methode zur kinematischen Positionsbestimmung. Werden günstige Bedingungen vorausgesetzt, sind mithilfe der Netz-RTK Methode bei langsamer Bewegung (≤ 1500 m/h) Lageabweichungen (Across Track) von ≤ 1.2 cm (95 %-Quantil) und Höhenabweichungen von ≤ 4.3 cm (95 %-Quantil) erreichbar. Systembedingt wird zur Steuerung der Aushubkette eine GNSS-Position unmittelbar am Gleiskörper gefordert. Die Realisierung erfolgt durch eine 7-Parameter Transformation zwischen dem GNSS- und dem Objektsystem anhand von vier Passpunkten (am EM100VT befestigte GNSS-Antennen). Ist die relative Geometrie der Passpunkte hinreichend präzise (Streckendifferenz ≤ 3 cm), kann in der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung, eine Lagegenauigkeit der Koordinaten nach der Transformation von 6.6 mm (95 %-Quantil) bzw. eine Höhengenauigkeit von 0.1 mm (95 %-Quantil) erzielt werden.