GNSS for Train Localisation Performance Evaluation and Verification

Lu, Debiao

Globales Satellitennavigationssystem (GNSS) können für verschiedene Anwendungen im Schienenverkehr, vor allem für sicherheitsrelevante Anwendungen wie Zugortung zum Zweck der Zugsicherung gestützt werden. Um GNSS für Zugortung zu integrieren, muss eine eigenständige satellitenbasierte Ortungseinheit entwickelt werden. Um die Entwicklung in Einklang mit EN 50126 (Überlebensfähigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit, und Sicherheit; RAMS) durchzuführen, muss der Nachweis der Güte von GNSS (Quality of Service; QoS) entsprechend in Einklang mit dieser Norm bewertet werden. Allerdings gibt es zurzeit keine RAMS Bewertungsverfahren für satellitenbasierte sicherheitsrelevante Anwendungen im Schienenverkehr. Diese Dissertation identifiziert die notwendigen Anforderungen für die Zugortung unter Berücksichtigung der Güte von GNSS und den bestehenden Normen bezüglich RAMS im Schienenverkehr. Die gemeinsamen und unterschiedlichen Eigenschaften der Anforderungen werden detailliert mit Nutzung einer Attributhierarchie basierend auf UML-Klassendiagrammen dargestellt. Danach werden formalisierte Leistungsanforderungen quantitativ für vier Eigenschaften (Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheitsintegrität) vorgeschlagen. Darauf aufbauend werden die Bewertungs- und Verifikations- Methoden eingeführt. Die Bewertungsmethode nutzt ein Referenzmesssystem zur Identifikation der Zugortungsgenauigkeit der GNSS Empfänger und ein stochastischen Petri-Netz-Modell (SPN-Modell) für die Kategorisierung der GNSS Empfänger Zugortmessungen. Das SPN-Modell veranschaulicht die GNSS Empfänger Zugortmessungen in drei Zuständen (up state, degraded state, faulty state). Dann werden die vier vorgeschlagenen Eigenschaften zugeordnet und formal mit Nutzung der drei Zustände im SPN-Modell geschätzt. Die Verifikationsmethode wird verwendet, um die GNSS Empfänger Zugortmessungen in Echtzeit zu verifizieren. Die GNSS Empfänger Zugortmessungen werden mit einer Hypothesentestmethode auf der Grundlage der genauen digitalen Streckenkarte verifiziert. Mit der verifizierten geschätzten Zugortmessung wird der resultierende Sicherheitsbereich für jeden Zugort berechnet. Die Daten für die Auswertungs- und Verifikationsmethoden wurden von einem Zug im Regelbetrieb auf einer Eisenbahnstrecke in der Hohen Tatra gesammelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen Ansatz der möglichen Zertifizierungsverfahren für die GNSS-Empfänger für sicherheitsrelevante Anwendungen im Schienenverkehr.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are potentially applicable for various railway applications, especially the safety-related applications such as train localisation for the purpose of train control. In order to integrate GNSS for train localisation, a trustable stand-alone GNSS-based localisation unit should be developed. Then to comply with EN 50126 (reliability, availability, maintainability, and safety; RAMS) standards, the demonstration of GNSS quality of service (QoS) should be evaluated in consistent with RAMS. However there are currently no appropriate performance evaluation methods on GNSS for railway safety-related applications. This dissertation identifies the required performance for train localisation in consideration of GNSS QoS and railway RAMS. The common and different properties of the performance are analysed in detail using consistent attribute hierarchy structures based on UML class diagram. Then formalised performance requirements are proposed quantitatively on four properties (accuracy, reliability, availability, and safety integrity). After that, the evaluation and verification methodologies are introduced. The evaluation methodology is using a reference measurement system for GNSS receiver measured train location accuracy identification, and a stochastic Petri net (SPN) model for GNSS receiver measured train location accuracy categorisation. The SPN model illustrates the GNSS receiver measured train locations into three states (up state, degraded state, and faulty state). Then the four proposed properties are allocated and estimated formally using the three states in the SPN model. The verification methodology is used to verify the GNSS receiver measured train location in real time based on a localisation unit. The GNSS receiver measured train locations are verified using hypothesis testing methods based on the accurate digital track map provided beforehand. Then train location estimation from the localisation unit is verified according to the mileage of the train. With the verified train location estimation from the localisation unit, the corresponding safety margin for each train location is calculated. The data for evaluation and verification methodologies are collected from a test train running on a railway track in High Tatra Mountains. The results show an approach of the possible certification procedure for the GNSS receivers in railway safety-related applications.

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Lu, Debiao: GNSS for Train Localisation Performance Evaluation and Verification. 2014.

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