Gleisstromkreis mit Kreuzkorrelation

Abstract

 Es wird ein Gleisstromkreis angegeben, dessen Empfänger (E) zur Gleisfreimeldung eine Kreuzkorrelation zwischen einer am Gleis (GL) abgegriffenen Gleisspannung und einer aus dem Sendesignal des Gleisstromkreissenders (S) abgeleiteten oder separat erzeugten Referenzspannung durchführt. Das Maximum der Kreuzkorrelation wird von Empfänger (E) gesucht und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen.
Eine rein digital arbeitende Ausführung verwendet als Sender eine Gleisstromquelle, die durch ein aus einem Festwertspeicher zyklisch ausgelesenes, fertig moduliertes Sendesignal gesteuert wird. Zur Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion im Empfänger (E) und zur Bewertung und Nachführung des Maximums dient ein Mikrorechner. Die Referenzspannung wird mit Hilfe eines weiteren, in gleicher Weise wie der sendeseitige Festwertspeicher programmierten Festwertspeichers im Empfänger (E) erzeugt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Gleisstromkreis gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Ein solcher Gleisstromkreis ist aus einem Aufsatz von D. Poole und D. Barker mit dem Titel "Digitally coded track circuit", bekannt, dessen Inhalt auf der Internationalen Konferenz "Electric Railway Systems for a New Century", die vom 22. bis 25 September 1987 in London, England, stattfand, vorgetragen wurde und der auch als Konferenzpapier gedruckt vorliegt (IEE, London, England, 1987, pp xii + 400.). Zur Prüfung, ob in der aufgenommenen Gleisspannung eine dem Gleisstrom aufgeprägte Modulation enthalten ist, wird hier eine Korrelation des empfängerseitig gewonnenen Modulationssignals mit einem dem Gleisstromkreisempfänger bekannten, dem Gleisstrom sendeseitig aufmodulierten Sollsignal durchgeführt. Als Modulationssignale werden sogenannte Gold-Codes verwendet, die besonders gut definierte Autokorrelationseigenschaften besitzen.

[0003] Auch aus "Signal + Draht" 81 (1989) Heft 7/8, Seiten 158 ff ist ein derartiger Gleisstromkreis bekannt. Es wird jedoch hier zum Vergleich des empfängerseitig gewonnenen Modulationssignals mit einem im Gleisstromkreissender zur Modulation verwendeten Sollcode, anstelle eines Korrelators ein Code-Vergleicher verwendet.

[0004] Die bekannten Gleisstromkreise sind aufgrund der für die Filterung und Demodulation erforderlichen Bauteile aufwendig und infolge der Verwendung analoger Techniken nicht driftfrei.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleisstromkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, der keine besonderen Filter und Demodulatoren benötigt und driftfrei arbeitet.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0007] Der erfindungsgemäße Gleisstromkreis benötigt keine Filterbauelemente mehr, denn die Kreuzkorrelation selbst übt eine ausgezeichnete Filterwirkung aus. Es tragen nur solche Signalanteile der Gleisspannung zum wert der Kreuzkorrelationsfunktion bei, die in ihrem zeitlichen Verlauf mit der mit der modulierten Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders synchronen Referenzspannung übereinstimmen.

[0008] Wie die Modulation des Gleisstromes aussieht, ist darüber hinaus gleichgültig, so lange der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders dem Gleisstromkreisempfänger bekannt ist und die Modulation genügend trägerfrequenzfremde Frequenzanteile enthält.

[0009] Daß der Gleisstromkreisempfänger die Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders kennt kann z.B., wie im Patentanspruch 2 angegeben, durch eine direkte Zuführung dieser Ausgangsspannung zum Gleisstromkreisempfänger sichergestellt werden, was sich insbesondere dann anbietet, wenn Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger im selben Baugruppenträger untergebracht sind.

[0010] Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben und sieht die Ausgabe des fertigen modulierten Gleisstromkreissendesignals aus einem vorab programmierten Festwertspeicher vor. Ein besonderer Modulator zur Modulation eines Gleisstrom-Trägersignals wird dadurch eingespart. Da das Gleisstromkreissendesignal hier in digitaler Form zur Verfügung steht, stellt es keinen größeren Aufwand dar, es in digitaler Form als Referenzsignal zum Empfänger zu übertragen. Die Übertragung wird damit störungsunanfälliger. Eine besondere A/D-Wandlung im Gleisstromkreisempfänger bei digital arbeitendem Korrelator entfällt.

[0011] Eine im Patentanspruch 4 wiedergegebene Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Umsetzung des in digitaler Form gespeicherten Gleisstromkreissendesignals in ein Steuersignal für eine Gleisstromquelle.

[0012] Die in den Patentansprüchen 3 und 4 beschriebenen Ausgestaltungen setzen das Vorhandensein einer im Patentanspruch 2 beanspruchten Übertragungsleitung nicht voraus, wenn die zur Kreuzkorrelation benötigte Referenzspannung dem Gleisstromkreisempfänger anderweitig zur Verfügung gestellt werden kann.

[0013] Die Patentansprüche 5 und 6 entsprechen deshalb bis auf den Rückbezug auf Patentanspruch 2 den Patentansprüchen 3 und 4.

[0014] Der auf die Patentansprüche 5 und 6 rückbezogene Patentanspruch 7 sieht als Weiterbildung der Erfindung die Erzeugung der vom Korrelator im Gleisstromkreisempfänger benötigten Referenzspannung mit Hilfe eines Festwertspeichers vor, der in gleicher Weise vorprogrammiert ist, wie der Festwertspeicher des Gleisstromkreissenders und mit einem dem Auslesetakt des Gleisstromkreissenders gleichfrequenten Takt ausgelesen wird. Eine Übertragungsleitung zwischen Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger wird damit überflüssig. Letzteres ist vor allem dann vorteilhaft, wenn Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger voneinander räumlich getrennt untergebracht werden sollen.

[0015] Patentanspruch 8 betrifft eine Möglichkeit, eine Besetztmeldung aufgrund echter Besetzung des Gleisstromkreises von einer Besetztmeldung aufgrund einer Störung (z.B. übersteuerung des Gleisstromkreisempfängereingangs bei Schleifenunterbrechung) zu unterscheiden.

[0016] Eine im Patentanspruch 9 angegebene Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vereinfachung bei direkter Übertragung eines Referenzsignals vom Gleisstromkreissender zum Gleisstromkreisempfänger.

[0017] Patentanspruch 10, schließlich, betrifft den Einsatz eines Rechners zur Ausführung der Korrelatorfunktion und Bewertung der Korrelator-Ausgangsspannung.

[0018] Anhand von 3 Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel des Gleisstromkreises nach der Erfindung eingehend beschrieben werden:

Fig. 1 zeigt schematisch die Ausbildung eines isolierstoßfreien Gleisstromkreises an einem Gleis,

Fig. 2 zeigt einen Gleisstromkreissender nach der Erfindung,

Fig. 3 zeigt einen Gleisstromkreisempfänger nach der Erfindung.

[0019] In Fig. 1 ist ein Gleis GL dargestellt, dessen Schienen SCH durch zwei Schienenverbinder (sogenannte S-Verbinder) SV1 und SV2 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Schienenverbinder stellen Kurzschlüsse dar, die erstens einen Ausgleich des Triebrückstromes zwischen beiden Schienen ermöglichen und zweitens elektrische Trennstöße bilden, die jeweils zwei aneinandergrenzende Gleisstromkreise voneinander trennen. Ein zwischen den beiden Schienenverbindern SV1 und SV2 liegender Gleisabschnitt GA ist durch einen Gleisstromkreis gesichert. Er wird an einer Einspeisestelle ES durch einen Gleisstromkreissender S über eine erste Koppelschleife KS1, die mit den Schienen und dem Schienenverbinder SV1 induktiv gekoppelt ist, mit einem modulierten Gleisstrom gespeist. Der Gleisstrom fließt über den an einer Ausspeisestelle AS befindlichen Schienenverbinder SV2 und induziert in einer zweiten, mit dem Schienenverbinder SV2 und den Schienen induktiv gekoppelten Koppelschleife KS2 eine Gleisspannung, die von einem Gleisstromkreisempfänger E ausgewertet wird. Weitere in Fig. 1 dargestellte Koppelschleifen KS3, KS4 gehören zu Nachbargleisstromkreisen. Eine Signalleitung L verbindet Gleisstromkreissender S und Gleisstromkreisempfänger E miteinander und dient der Übertragung von Synchronisationssignalen oder Codeauswahlsignalen. Selbstverständlich kann anstelle einer Ein- und Ausspeisung über Koppelschleifen auch eine direkte Ein- und Ausspeisung oder eine direkte Einspeisung mit induktiver Auskopplung vorgesehen werden. Letzteres ist z.B. bei mittengespeisten Doppelgleisstromkreisen üblich.

[0020] Der Gleisstromkreisempfänger E gibt dann ein Gleisfreisignal über einen Gleisfreimeldekanal GF an ein Stellwerk SW aus, wenn die über die Koppelschleife KS2 aufgenommene Gleisspannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt und zusätzlich die vom Gleisstromkreissender dem Gleisstrom aufgeprägte Modulation aufweist. Wird der Gleisstromkreis durch Achsen eines Fahrzeuges kurzgeschlossen, so sinkt die Gleisspannung unter den Schwellwert und es wird über einen Gleisbesetztmeldekanal GB eine Besetztmeldung an das Stellwerk ausgegeben.

[0021] Das Zusatzkriterium Übereinstimmung der Modulation im Sende- und im Empfangssignal als Voraussetzung für eine Gleisfreimeldung ist trotz höchstmöglicher Selektivität des Gleisstromkreisempfängers notwendig, da die heute in großer Zahl im Dienst befindlichen phasenanschnittgesteuerten Fahrzeuge Störströme jeder beliebigen Frequenz erzeugen können und deshalb nicht sicher auszuschließen ist, daß in einem besetzten Gleisabschnitt der Schwellwert der Gleisspannung überschritten wird, was ohne Zusatzkriterium eine Gleisfreimeldung bewirken würde. Wird ein Modulationsvergleich zusätzlich durchgeführt und die Ausgabe einer Gleisfreimeldung von der Übereinstimmung der Modulationssignale abhängig gemacht, so ist die Gleisfreimeldung als sicher anzusehen, denn es ist auszuschließen, daß ein Fahrzeug den exakten Modulationscode nachbildet.

[0022] Der in Fig. 1 schematisch dargestellte, in bekannter Weise ausgeführte Gleisstromkreis enthält eine große Anzahl von Bauelementen, z.B. Abstimmbaugruppen und Eingangsfilter, die den selektiven Empfang der Gleisstromfrequenz sicherstellen und andere Frequenzen, z.B. die unterschiedlichen Gleisstromfrequenzen der Nachbargleiskreise ausfiltern. Die Abstimmbaugruppen und Eingangsfilter müssen für jede Gleisstromfrequenz speziell ausgelegt sein und an jeden Gleisstromkreis individuell angepaßt werden.

[0023] In Fig. 2 ist ein Gleisstromkreissender schematisch dargestellt, wie er in einem Gleisstromkreis nach der Erfindung eingesetzt werden kann.

[0024] In einem programmierbaren Festwertspeicher SPS sind verschiedene Sendesignalabläufe (Träger + Modulation) vorab in Form einer Folge von Bytes gespeichert. Jedes im Speicher enthaltene Byte gibt einen ganz bestimmten Amplitudenwert des Sendesignals vor.

[0025] Ein Taktgeber TG steuert zwei Zähler Z1 und Z2, den Zähler Z2 direkt und den Zähler Z1 über einen Teiler TL an. Der Zähler Z1 gibt eine Folge von Adressen der im Festwertspeicher gespeicherten Bytes aus und sorgt So dafür, daß eine entsprechende Folge von Bytes auf den einstellbaren Zähler Z2 ausgegeben wird.

[0026] Diese Folge von Bytes stellt, wenn sie dicht genug ist, z.B. 10 Bytes pro Trägerperiode aufweist, bereits das fertige (modulierte) Sendesignal dar, das, zyklisch wiederholt, nur noch durch einen Tiefpaß in ein Analogsignal umgesetzt und verstärkt zu werden braucht, um in das Gleis GL eingespeist werden zu können.

[0027] Die D/A-Umsetzung besorgt der Zähler Z2, wenn er von jedem eingelesenen Byte parallel voreingestellt und durch den schnellen Takt des Taktgebers zurückgetaktet wird und während des Zurücktaktens z.B. L-Signal an seinem Ausgang ausgibt. Er erzeugt damit an seinem Ausgang ein pulsbreitenmoduliertes Analogsignal, das direkt zur Steuerung einer Gleisstromquelle benutzt werden kann.

[0028] Der Festwertspeicher kann leicht so groß ausgelegt werden, daß mehrere unterschiedliche Sendesignalzyklen gespeichert und z.B. mittels eines nicht dargestellten Auswahlschalters TA unter Verwendung der höherwertigen Adressbits des Speichers ausgewählt werden können. Damit können benachbarten Gleisstromkreisen jeweils unterschiedliche Gleisstromverläufe zugeordnet werden.

[0029] Es kann z.B. ein Speicher verwendet werden, der 16 Adressbits aufweist, von denen 12 der Anwahl und Ausgabe der insgesamt 2¹² Bytes des jeweils ausgewählten Sendesignalzyklus dienen. Die restlichen 4 (höherwertigen) Adressbits dienen dann der Auswahl von 2⁴ = 16 unterschiedlichen Sendesignalzyklen.

[0030] Das Ausgangssignal des Festwertspeichers wird zusätzlich über eine Datenleitung L1 in digitaler Form dem Gleisstromkreisempfänger E übermittelt und dort einem Korrelator zugeführt, der eine Kreuzkorrelation zwischen einer an der Ausspeisestelle des Gleisabschnitts abgegriffenen Gleisspannung und der vom Gleisstromkreissender her übermittelten Spannung durchführt.

[0031] Die Gleisspannung wird hierzu verstärkt und in digitale Form umgewandelt.

[0032] Als Korrelator wird zweckmäßig ein Mikrorechner verwendet, der den Wert der Kreuzkorrelationsfunktion

z.B. über jeden Signalzyklus berechnet und die Verschiebungszeit ₇ so einregelt, daß KKF maximal wird. Der Rechner bewertet auch die Höhe des Maximums gegenüber einem vorgegebenen, fest abgespeicherten Schwellwert und gibt ein Gleisfreimeldesignal ab, wenn das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion den Schwellwert übersteigt. Bleibt das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion unterhalb des Schwellwertes, wird der Gleisabschnitt besetzt gemeldet. Eine zusätzliche Störungsmeldung wird ausgegeben, wenn ein hoher Effektivwert der Gleisspannung festgestellt wird, jedoch die Korrelationsfunktion einen niedrigen Maximalwert aufweist. Die Bestimmung des Effektivwertes der Gleisspannung kann dabei durch Berechnung der Autokorrelationsfunktion des Gleisspannungssignals erfolgen, deren Wert dem Effektivwert entspricht.

[0033] In Fig. 3 ist ein Gleisstromkreisempfänger dargestellt, der, wie vorstehend beschrieben, einen Rechner R als Korrelator und einen A/D-Wandler W zur Umwandlung der am Gleis GL abgegriffenen Gleisspannung in digitale Form aufweist. Der Rechner bezieht seinen Arbeitstakt aus einem quarzstabilisierten Taktgeber TG1. Sein zur Korrelation mit dem Gleisspannungssignal benötigtes Referenzsignal erhält der Rechner aber nicht vom Gleisstromkreissender, sondern aus einem empfängerseitigen Festwertspeicher SPE, dessen Größe und Inhalt dem Festwertspeicher SPS des Gleisstromkreissenders genau entspricht. Über einen Bus B steuert der Rechner die Ausgabe des jeweils gewählten Signalzyklus und liest diesen als Referenzsignal ein. Sofern der Takt des Taktgebers TG1 mit dem Takt des Taktgebers TG des Gleisstromkreissenders übereinstimmt und am Auswahlschalter derselbe Signalzyklus eingestellt ist wie am Auswahlschalter des Gleisstromkreissenders, entspricht das vom Rechner R aus dem Speicher SPE ausgelesene Signal genau den Sendesignal des Gleisstromkreissenders und kann als Referenzsignal verwendet werden. Geringe Abweichungen der Quarzfrequenzen der beiden Taktgeber werden durch die Nachführung der zeitverschiebung ₇ bei der Bestimmung des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion ausgeregelt.

[0034] Der Gleisstromkreisempfänger nach Fig. 3 ermöglicht somit die Ausgabe einer Gleisfreimeldung auf einen Gleisfreimeldekanal GF, einer Gleisbesetztmeldung auf einen Gleisbesetztmeldekanal GB und einer Störungsmeldung auf einen Störungsmeldekanal ST ohne eine zusätzliche direkte Verbindung zwischen Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger zu benötigen.

Ansprüche

1. Gleisstromkreis mit einem Gleisstromkreissender, der an einer Einspeisestelle einen modulierten Gleisstrom in die Schienen eines Gleisabschnittes einspeist und mit einem einen Korrelator enthaltenden Gleisstromkreisempfänger, der eine an einer Ausspeisestelle an den Schienen des Gleisabschnittes anstehende oder dort in einer Koppelschleife induzierte Gleisspannung aufnimmt und auswertet und eine Freimeldung für den Gleisabschnitt ausgibt, wenn der durch den eingespeisten Gleisstrom hervorgerufene Teil der aufgenommenen Gleisspannung eine vorgegebene Mindestamplitude aufweist und zusätzlich eine dem Gleisstrom aufgeprägte Modulation enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator (R) des Gleisstromkreisempfängers (E) eine Kreuzkorrelation der aufgenommenen Gleisspannung mit einer in ihrem zeitlichen Verlauf mit der Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders (S) übereinstimmenden Referenzspannung durchführt, dabei das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion ermittelt und ein Gleisfreimeldesignal ausgibt, wenn dieses Maximum einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.

2. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungsleitung (L) zwischen Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger vorgesehen ist, über die dem Korrelator des Gleisstromkreisempfängers die Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders oder ein aus dieser abgeleitetes Signal als Referenzspannung zugeführt wird.

3. Gleisstromkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleisstromkreissender eine steuerbare Stromquelle verwendet wird, der ein vorab erzeugtes, in einem Festwertspeicher (SPS) als Folge digitaler Amplitudenwerte abgelegtes und aus diesem zyklisch mit einem stabilisierten Takt ausgelesenes Sendesignal als Steuersignal zugeführt wird.

4. Gleisstromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle einen voreinstellbaren Zähler (Z2) enthält, der als Pulsbreitenmodulator arbeitet und aufeinanderfolgende, aus dem Festwertspeicher (SPS) ausgelesene Byte des Sendesignals in Steuerimpulse umwandelt, deren Breite dem im jeweiligen Byte angegebenen Amplitudenwert proportional ist.

5. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleisstromkreissender eine steuerbare Stromquelle verwendet wird, der ein vorab erzeugtes, in einem Festwertspeicher (SPS) als Folge digitaler Amplitudenwerte abgelegtes und aus diesem zyklisch mit einem stabilisierten Takt ausgelesenes Sendesignal als Steuersignal zugeführt wird.

6. Gleisstromkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle einen voreinstellbaren Zähler (Z2) enthält, der als Pulsbreitenmodulator arbeitet und aufeinanderfolgende, aus dem Festwertspeicher (SPS) ausgelesene Byte des Sendesignals in Steuerimpulse umwandelt, deren Breite dem im jeweiligen Byte angegebenen Amplitudenwert proportional ist.

7. Gleisstromkreis nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Korrelator (R) des Gleisstromkreisempfängers (E) als Referenzspannung ein vorab erzeugtes, des im Festwertspeicher des Gleisstromkreissenders abgelegten Sendesignal entsprechendes, in einem empfangsseitigen Festwertspeicher (SPE) abgelegtes und aus diesem mit einem stabilisierten, dem im Gleisstromkreissender (S) zum Auslesen des Sendesignals verwendeten Takt gleichfrequenten Takt ausgelesenes Signal zugeführt wird.

8. Gleisstromkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleisstromkreisempfänger zusätzlich eine Effektivwertermittlung des Gleisspannungssignals erfolgt und daß eine Störungsmeldung ausgegeben wird, wenn bei niedrigem Maximalwert der Kreuzkorrelationsfunktion ein einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigender Effektivwert des Gleisspannungssignals gemessen wird.

9. Gleisstromkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator zum Suchen des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion das Signum der Referenzspannung mit der aufgenommenen Gleisspannung korreliert.

10. Gleisstromkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelator (R) und zur Bewertung der Korrelator-Ausgangsspannung ein Mikrorechner verwendet wird.

Zeichnung