NAVSTAR-GPS, das globale Positionierungssystem

Anwendungen und Vorteile für den Eisenbahnbetrieb
 

Robert Grüller
 

Nachdem nun die Seeleute bereits seit mitte der siebziger Jahre Satellitennavigation verwenden und in den letzten Jahren die Luftfahrt sowie auch die Fahrzeugnavigation vermehrt von GPS Gebrauch macht, war es hoch an der Zeit, dass sich auch die Eisenbahn die Vorteile, welche sich durch die Satellitennavigation ergeben, zunutze macht.

 

Mehrfache Sicherheit

Wie bei allen sicherheitskritischen Anwendungen, wo von gut funktionierender Technik auch Menschenleben abhängen, ist es auch beim Bahnbetrieb notwendig, Vorsorge zu treffen für den Fall, dass doch ein System ausfallen sollte.
Üblicherweise wird dies durch das Verwenden von redundanten Einrichtungen für den gleichen Zweck getan. Im günstigsten Fall kommen die Informationen für Systeme mit der gleichen Aufgabe, von unabhängigen Quellen. Bei besonders gelungenen Lösungen ist nicht nur die übliche Störmeldung, sondern auch eine Anzeige vorgesehen, die den Benutzer warnt, dass die angezeigten Daten nicht mehr ausreichend zuverlässig sein könnten. Gleichzeitig wird vom System auf einen anderen Sensor als Datenquelle umgeschaltet. Diese Systeme überprüfen sich sozusagen selbst. Dies wurde durch die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen, durch deren immens gestiegene Leistungsfähigkeit, sowie durch den Preisverfall der Hardware ermöglicht.

 

Es begann in Amerika

"Aus unbekannten Gründen hat es den Anschein, als ob die technologische Revolution die Eisenbahnsicherheit an der Haltestelle zurückgelassen hätte". Dieses Zitat stammt nicht, wie man vermuten könnte, aus dem Munde eines Europäers, der über europäische Verhältnisse berichtet, sondern von US-Senator Frank Lautenberg anlässlich der Vorstellung des Amerikanischen Eisenbahnsicherheitsgesetzes (Rail Safety Act) im US-Senat, am 23. Februar 1996.
Dieses Gesetz verpflichtet die US-Privatbahnen, nach sechs schweren Eisenbahnunfällen, die den Verlust von 14 Menschenleben verursachten, bis zum 1. Jänner 2001 ein landesweit einheitliches Satellitengestütztes Zugsicherungssystem, operativ installiert zu haben.

 

Förderungen in den USA

Damit einhergehend hat die Administration Clinton annähernd 50 Millionen Dollar an Förderungsmitteln bereitgestellt, die es den verschiedenen Eisenbahngesellschaften ermöglichen sollen, bereits begonnene Testserien erfolgreich zu beenden. Auch das schliessen der Versorgungslücken im DGPS System, der US-Coast Guard, welches den Eisenbahnen zur Verbesserung der Messgenauigkeit zur Verfügung stehen wird, ist hier enthalten.

 

US-Coast Guard DGPS

Die US Küstenwache hat ein System von mittlerweile über 50 Stationen aufgebaut, welche die von den GPS Satelliten empfangbaren Signale von den Positionsfehlern bereinigt wieder abstrahlen und derart in ihrem Sendebereich eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von wenigen Metern ermöglichen. Eine genauere Beschreibung von DGPS ist bereits im ersten Artikel erfolgt.
Mit 1996 sind alle US Küstengewässer und die grossen Seen im Nordosten des Landes mit diesem Service, der primär der Küstenschiffahrt dient, versorgt.
Mit den Geldmitteln der Administration Clinton sollen in noch nicht mit DGPS versorgten inländischen Bereichen ebenfalls US Coast Guard Sender installiert werden. Somit können deren Signale auch von den Eisenbahnen zur genaueren Positionsbestimmung verwendet werden.

 

Kostenvergleiche

In ihrem Juni 1995 Report kommt die Federal Railroad Administration (FRA) zum Ergebnis, dass ein Eisenbahnsicherungssystem mit Satellitennavigation als Location Determination System (LDS) um Grössenordnungen kostengünstiger ist als ein terrestrisch gebundenes System mit ortsfesten Transpondern zur Feststellung der Zugposition.
Begründet wird dies mit dem Entfall der gleisnahen Sensoren und Transponder, sowie aller dazugehörenden Kabel und Einrichtungen, bei einem Satellitengestützten System. Weiters entstanden hohe Reparaturkosten nach Instandhaltungsarbeiten an Gleiskörpern, bei denen die Einrichtungen des Sicherungssystems regelmässig beschädigt worden waren. Auch sind diese Anlagen, da meist ausserhalb von Bahnhöfen, vandalismusgefährdet, wodurch zusätzliche Instandhaltungskosten verursacht werden.
In den USA gibt es ein Schienennetz von ca. 240.000 km. Die Investitionskosten, welche nur die Nutzung von DGPS zur Feststellung der Zugpositionen betreffen, betragen etwa 40 Millionen Dollar.
Ein landesweiter Vollausbau des Positive Train Control (PTC) Systems würde schätzungsweise 800 Millionen US Dollar kosten. Darin enthalten sind alle notwendigen Investitionen, für die Telekommunikation zwischen den Zentralen und den Zügen, sowie alle Anlagen zur Weiterverarbeitung dieser Daten. Dabei wurden (zu Preisen von 1995) ca. 2000 Dollar pro Fahrzeug, für die Ausrüstung der 18.000 Lokomotiven mit DGPS Empfängern veranschlagt.

 

Rentabilität

Nach Berechnungen der Association of American Railroads würde der Zeitraum für den Return of Investment eines Satellitengestützten Positive Train Control Systems (PTC) nur wenige Jahre betragen.
Im Train Control Report stellt die Federal Railroad Administration (FRA) fest, dass die durch Zugzusammenstösse und Geschwindigkeits-überschreitungen verursachten Eisenbahnunfälle in den Vereinigten Staaten von Amerika, pro Jahr etwa 35 Millionen Dollar an vermeidbaren Unfallkosten verursachen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass man in den USA nach neuen Wegen sucht den Bahnbetrieb effizienter und sicherer zu gestalten.

 

US Systeme

Seit über 10 Jahren versuchen Amerikanische Eisenbahngesellschaften mit Advanced Train Control (ATCS) System bessere Möglichkeiten der Zugüberwachung zu schaffen. Diese Bestrebungen waren jedoch bisher auf terrestrische und somit investitionsintensive Transponder-
systeme beschränkt. Jedoch mit der Komplettierung der GPS Satellitenkonstellation und der Inbetriebnahme des US-Coast Guard DGPS Dienstes boten sich auch den US Bahnen neue und vor allem billigere Lösungsmöglichkeiten des Problems Zugüberwachung an.

 

Burlington-Northern

Burlington-Northern betreibt ein Schienennetz von 37.000 km und hat 2300 Lokomotiven die gegen 60.000 Güterwagen befördern. Bereits 1994 begannen die Gesellschaften Burlington-Northern-Santa Fee / Union Pacific gemeinsam mit der Entwicklung von Positive Train Separation (PTS), welches als wesentlichen Unterschied zu anderen Systemen, DGPS Navigation als Location Determination System (LDS) zur Positonsbestimmung nutzte.
In einem Interview sagte Edward Butts, Direktor von Burlington-Northern, dass die Gesellschaft plane etwa 350 Millionen Dollar in satellitengestützte Sicherungs- und Kommunikationssysteme zu investieren. Er erwartet, dass jeder investierte Dollar drei Dollar an Einsparungen bringen wird. Gegenwärtig gibt es eine 800 Meilen lange Teststrecke zwischen Vancouver in Kanada und Eugene im US Bundesstaat Oregon.

 

Amtrak

Ein anderer von der Federal Railroad Administration (FRA) finanziell geförderter Versuch ist das Positive Train Contril System für Hochgeschwindigkeit (High Speed Positive Train Control System; HSPTC). In Michigan wird auf einem 71 km langen Teilstück der Strecke, die von Detroit nach Chicago führt, zwischen den Städten New Buffalo und Porter, das Incrementel Train Control System (ITCS) getested. Dies ist ein mitttels US Coast Guard DGPS Korrekturdaten in der Positionsgenauigkeit verbessertes System, das bereits bewegliche Raumabschnitte (Moving Block) zur Zugabstandsbestimmung verwendet, wobei besonderes Augenmerk auf Interoperabilität zu anderen Systemen gelenkt wird.
Bei beiden Systemen wird eine digitale Kommunikationsverbindung zu den Zügen verwendet. Die Fahrzeuge sind mit Computern und Datenspeichern ausgerüstet. Der Grossteil der Berechnung, wie weit der Zug noch fahren kann, ohne dass sein Bremsweg zu nahe an einen vorausfahrenden Zug heranreicht, findet an Bord statt.

 

Sat-Navigation bei TRI-Rail

In Süd-Florida betreibt die TRI-Rail Gesellschaft zwischen Miami und West-Palm Beach ein Massenverkehrsmittel, vergleichbar mit einer Schnellbahn. Hier wird GPS nicht nur verwendet, um die Zugpositionen festzustellen, sondern auch, um Züge planmässig verkehren zu lassen. Darüber hinaus ist ein Passagierinformationssystem angeschlossen, welches in den Haltestellen ankündigt, in wieviel Minuten der nächste Zug kommen wird. Mittels entsprechender Software wird auch untersucht, wo es zu Unregelmässigkeiten, die den Betriebsablauf stören, kommt. Eine Vielzahl von statistischen Daten die zur Betriebsoptimierung unter allen Umständen beitragen, werden gesammelt, wie z.B. die tatsächliche Aufenthaltsdauer in den Haltestellen zu unterschiedlichen Tageszeiten. All diese Informationen werden ohne zusätzlichen Personalaufwand permanent vom System an die Zentrale übertragen und dort ausgewertet. Der Einsatz von GPS trägt hier wesentlich zur Rentabilität des Unternehmens bei.

 

GPS in Japan

Japan Rail Freight (JFR) ist eine Gesellschaft die bei der Zerschlagung der Japanischen Staatseisenbahn (JNR) im Jahre 1987 entstanden ist. Japan Rail Freight hat keine eigene Infrastruktur, sondere benützt die Verkehrswege und Kommunukationslinien der sechs regional operierenden Personenbefördernden Eisenbahngesellschaften, um den gesamten Gütervekehr in Japan abzuwickeln.
Die Positionen der Züge werden mit GPS ermittelt und die Verständigung mit den Zügen erfolgt über geostationäre OmniTRACS Kommunikationssatelliten. Über ein Computernetz, welches an das Zuginformationssystem der Personenbefördernden Eisenbahnen angeschlossen ist, bekommt der JRF Disponent alle 30 Minuten die Position von planmässig verkehrenden und alle fünf Minuten die Position von verspäteten Güterzügen gemeldet. Der diensthabende Disponent der Japan Rail Freight hat auch keine eigene Kommunikationsverbindung zu den Frachtzügen, sondern teilt seine Entscheidungen den Disponenten der Personenbefördernden Eisenbahnen mit. Diese leiten die Anordnungen an die Züge der Japan Rail Freight weiter. Dieser Service ist in 200 Terminals auf der Strecke zwischen Tokyo und Kyushu installiert und 220 Fahrzeuge von JFR sind im Moment mit diesem System ausgerüstet.

 

GPS Test bei Kyushu Rail

Das bisher verwendete Lokalisationssystem zur Feststellung der Zugposition bei Kyushu Rail basiert auf punktueller Induktion und dem Vergleichen dieser Informationen mit den im Lokspeicher abgelegten Streckendaten. Zwischen diesen Punkten wird die vom Zug zurückgelegte Strecke über den Radumfang gemessen und mit den bisher ermittelten Daten verglichen. Jedoch bei kurzen Störungen des Loksystems oder bei wiederholtem Achsschleudern, konnte die Zugposition anhand dieser Daten nicht wieder zuverlässig genug ermittelt werden.
Ein mit GPS Empfänger und Computer ausgestatteter Servicezug, der eine Teststrecke befuhr und die mittels GPS ermittelten Positionsdaten abspeicherte, ermittelte Messpunkte zwischen den gleisseitig fixen Beeinflussungspunkten. So ist es möglich, die Fahrzeugposition anhand der GPS Positionsdaten nach einem Positionsverlust, z.B. durch Achsschleudern, wieder festzustellen, was die Gesamtstabilität des Systems wesentlich erhöht.

 

Warnsystem für Gleisarbeiter

Das CARAT System, welches an der Joetsu Shinkansen Strecke im Probebetrieb ist, dient der rechtzeitigen Warnung von Arbeitern im Gleis vor den sehr schnell herannahenden Zügen.
Der Wachposten hat einen GPS Empfänger mit Speicher und integriertem Funkgerät. Wenn ein Zug sich nähert sendet dieser seine eigene Position, welche vom Funkgerät des Wachpostens empfangen und mit der gespeicherten Position der Arbeitergruppe verglichen wird. Bei Annäherung eines Zuges, unter einen voreingestellten Wert, wird vom Gerät des Wachpostens automatisch Alarm gegeben und die Arbeiter können das Gleis sicher verlassen.

 

Europäischer GPS Einsatz

Bei den Finnischen Staatsbahnen sollte ein auf GPS Positionierung basierendes System nach einer Testphase 1996, nunmehr in Betrieb sein, welches über Zuglautsprecher die Ansage des nächsten Aufenthaltes des Zuges, vollautomatisch durchführt.
Die Tschechischen Bahnen (CD) haben mit US Firmen ein Joint Venture gegründet. Ziel dieses Unternehmens ist es, ein ebenfalls auf GPS beruhendes Cargo-tracking-, Zugleit- und Kommunikationssystem zu entwickeln.
Nach dem Advanced Communications Technologies & Services (ACTS) Programm der Europäischen Union, ist die Entwicklung derartiger Systeme, mit bis zu 50 % der Entwicklungskosten förderbar.

 

Die Situation in Europa

Der internationale Eisenbahnverband (UIC), hat schon vor vielen Jahren erkannt, dass nur eine engere Zusammenarbeit und die Vereinheitlichung der unterschiedlichen, den Grenzüberschreitenden Verkehr behindernden nationalen Systeme, den Europäischen Eisenbahnen die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den anderen Verkehrsträgern sichern kann.
Im Jahre 1991 einigte man sich nach einem EU Ratsbeschluss mit EUROSIG, das ist ein Konsortium aus neun wichtigen, im Bereich Eisenbahnsicherung tätigen Firmen, auf die Entwicklung eines europaweit einheitlichen Signalsystems. Die Hauptbestandteile des Projektes Europaean Rail Traffic Management System (ERTMS) sind:

Weitere Ansätze zur Europäischen Zusammenarbeit der Bahngesellschaften sind das zukünftige Digitalfunksystem "EIRENE" (European Integrated Radio Network) und vor allem "AEIF" (Europäische Vereinigung für die Eisenbahninteroperabilität), die für die Erarbeitung der von der EU-Richtlinie vorgesehene Technische Spezifikationen für Interoperabilität (TSI) zuständig ist. Hier sind Industrie und Bahngesellschaften vertreten.

 

Das ERRI Institut *)

Das Europäische Eisenbahnforschungsinstitut ERRI (European Rail Research Institute) in Holland wurde im Rahmen des ETCS (Europaean Train Control System) mit der Durchführung der Koordinierung betraut und hat mittlerweile die Systemspezifikationen für ein paneuropäisches Zugsicherungssystem vorgelegt. Dieses Konzept sieht drei mögliche ETCS Integrationsstufen zu bereits bestehenden nationalen Sicherungssystemen, bei weitestgehender Kompatibilität und Integrationsfähigkeit vor.
Die ERRI Arbeitsgruppe A200 hat sich allerdings auf ein rein terrestrisch gebundenes System mit Funkdatenübertragung und Gleisbaken zur Feststellung der Zugpositionen beschränkt. Anlässlich eines persönlichen Besuches bei ERRI im April 1996, wurde mitgeteilt, dass man sich 1993 mit GPS als Sensor zur Positionsbestimmung beschäftigt hatte. Damals war man zur Erkenntnis gekommen, dass GPS Positionsdaten weder genau genug, noch die Verfügbarkeit ausreichend war, was für die erst im Aufbau befindliche Satellitenkonstellation auch zutraf.
Seit der Komplettierung der Satellitenkonstellation und der Erklärung der vollen Betriebsfähigkeit (FOC) im Juli 1995 haben sich die Genauigkeit und Verfügbarkeit jedoch grundlegend verbessert. Vielleicht wäre ERRI gut beraten, die Möglichkeiten von GPS als Sensorinput wieder zu evaluieren.

*) Der Betrieb des ERRI Institutes wurde mit 30. Juni 2004 eingestellt.

 

Mögliche Synergien mit GPS

Der Vorteil von Satellitennavigation beschränkt sich nicht auf das kostengünstige Feststellen der Zugposition. Die vielfältigen Arten von Zusatznutzen machen die Investition in ein GPS basiertes Sicherungssystem vom kaufmännischen Standpunkt erst so richtig lukrativ für den Bahnbetrieb. Allerdings verteilt sich dieser positive Effekt über mehrere innerbetriebliche Abteilungen und erfordert ein zweck- und zielgerichtetes Zusammenarbeiten dieser Unternehmensteile. Selbst der bereits vielfach geäusserte Wunsch nach paneuropäischer Zusammenarbeit und Vereinheitlichung der Bahnsysteme, erfährt hier neuen Auftrieb.
Noch ist die böse Geschichte nicht ganz aus dert Luft gegriffen, dass eine Lokomotive, die in verschiedenen europäischen Ländern, ohne Rücksicht auf die Fahrdrahtspannung fahren könnte, 16 Achsen haben müsste, damit alle für die unterschiedlichen Sicherungssysteme notwendigen Sensoren angebaut werden können. Hier besteht Vereinheitlichungsbedarf, um die Wettbewerbsfähigkeit des Verkehrsträgers Schiene zu erhalten.

 

Europäische Bedenken

Gelegentlich wird der Vorbehalt geäussert, man solle sich in Europa trotz der grossen Kostenvorteile, nicht eines Systems bedienen, auf das man keinen Einfluss nehmen kann, da es völlig in amerikanischer Hand sei. Auch wurden Bedenken laut, Amerika könnte das GPS System während einer Krise abschalten und die Europäischen Investitionen zunichte machen.
Tatsache jedoch ist, dass eine Abschaltung der GPS Signale, schon wegen der Abhängigkeit einer Vielzahl von amerikanischen Anwendern aus unterschiedlichsten Bereichen, nicht in Frage kommen kann.
So ist die inneramerikanische, auf DGPS basierende, zivile Flugsicherung (WAAS Konzept; siehe letzte Ausgabe) in einer erfolgreichen Testphase, die 1998 in den offiziellen Vollbetrieb übergehen wird. Die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (International Civil Aviation Organization; ICAO) plant, diese Technik für die Zivilluftfahrt weltweit zur Flugzeugführung beim Landeanflug einzusetzen. Darüber hinaus zeigt die momentane technische Weiterentwicklung in die Richtung, dass ein Blockieren des öffentlich zugänglichen Standard Positioning Service (SPS), das sogenannte Jamming in einer bestimmten Krisenregion bevorzugt wird. Das ermöglicht den Militärs, die Weiterverwendung von GPS, da die Armee ja mit dem Precise Positioning Service (PPS) arbeitet, welches vom Jamming des SPS nicht betroffen ist.
Daher ist eine Befürchtung, dass GPS plötzlich abgeschalten werden könnte, vollkommen unbegründet.*)  Das Joint Program Office (JPO) des US Verteidigungsministeriums hat bekanntgegeben, dass jede GPS betreffende Änderung der jetzigen Signalstruktur, mit einer zehnjährigen Vorlaufzeit bekanntgegeben wird.

*) Mehr als 20 Jahre später (2019) ist es evident, dass das GPS System permanent operativ gehalten wurde, während das europäische GALILEO System im Juli 2019 für ca. eine Woche komplett ausgefallen war.

 

Vorteile von GPS für die Bahn

Die Kostenvorteile durch den Wegfall der gleisnahen Sensoren und Datenübertragungseinheiten, sowie die Vermeidung von hohen Instandhaltungskosten wurden schon erwähnt. Nun werden die weiteren Vorteile und Möglichkeiten, Kosten zu reduzieren, anhand eines DGPS gestützten Zugsicherungsmodells beschrieben.

 

Genauigkeitssteigerung

Aufgrund der Struktur der GPS Daten, ist eine Genauigkeitsverbesserung – "Augmentierung" - für den Eisenbahnbetrieb notwendig. Die zur Auswahl stehenden Techniken sind primär die Übertragung von DGPS Korrekturdaten per Zugbahnfunk, oder der Empfang dieser Daten über einen speziellen Rundfunkempfänger, welcher die phasenverschoben auf die Trägerfrequenz aufmodulierten Daten empfangen kann. Weitere Möglichkeiten zur Augmentation von GPS Positionsdaten für den Bahnbetrieb wurden im vorigen Artikel besprochen.
In Deutschland gibt es diesen Service seit einiger Zeit, allerdings noch nicht flächendeckend. In Österreich gibt es einen Probebetrieb des ORF im osten Österreichs, der mit Anfang 1998 in einen östereichweiten Normalbetrieb ausgedehnt werden soll. Dazu werden dem Ö1 Radiosignal DGPS - Korrekturdaten phasenverschoben aufmoduliert, welche von den dafür ausgerüsteten Empfängern zur genaueren Positionsbestimmung genutzt werden. *)

*) Im Jahr 2019 sind österreichweit 36 nun APOS (Austrian Positoning Service) genannte Referenzstationen des Bundesamtes für Eich- u Vermessungswesen (BEV) in Betrieb, welche die kostenpflichtigen Korrekturdaten per Internet versenden.

 

Hybrides System

Um nicht bei einem kurzzeitigen Sensorausfall gleich das ganze System zu stören und auch, um die Genauigkeit zu erhöhen, wird die ermittelte DGPS Position auch mit einem gespeicherten Plan verglichen (Map Matching). Zusätzlich wird die zurückgelegte Strecke über den Radumfang errechnet (Dead Reckoning) und daraus ebenfalls eine Position ermittelt, welche über einen Kalman-Filter *)  in die Gesamtlösung mit eingebracht wird.
Wenn etwa in einem Tunnel (dessen Beginn und Ende ja genau bekannt sind) keine GPS Position ermittelt werden kann, wird die von den Radsensoren gemessene zurückgelegte Strecke mit den entsprechenden gespeicherten Informationen verglichen und so kann für den Weg im Tunnel, wo keine GPS Position feststellbar ist, trotzdem eine genaue Position ermittelt werden.
Ein Kalman-Filter ist eine optimierte mathematische Prozedur zum rekursiven schätzen sich dynamisch verändernder Parameter. Oder anders formuliert, wird die Positionsangabe jenes Sensors die im Moment die wahrscheinlichste darstellt mit der höchsten Gewichtung in die Gesamtpositionslösung übernommen. Jener Sensor, der die relativ unwahrscheinlichste Position liefert, wird zu einem geringen Anteil in die Gesamtposition übernommen. Ein derartiges iteratives Verfahren ergibt eine genauere und zuverlässigere Position, als es den Summen der einzelnen Sensoren entsprechen würde.

*) Kalmanfilter:
Mathematischer Algorithmus zum rekursiven Anpassen sich dynamisch verändernder Positionsdaten von mehreren konkurrierenden Sensoren (DGPS, Gyro, Kompass, Map matching, dead reckoning...) in Echtzeit. Ergibt in einer iterativen Schleife eine genauere Position als jene die einzelne Sensoren liefern. 
Rudolf E. Kálmán et.al. haben diesen Algorithmus im Jahr 1960 vorgestellt. Bei der sogenannten strap down Intertialnavigation u Trägheitsnavigation von sich schnell bewegenden Objekten (Zug, Flieger, Auto, Eisenbahn...) ist dieser Algorithmus unbedingt notwendig um in Echtzeit genaue Positionsdaten zu erlangen. Interessanter Weise wurde die Korrektheit des Algorithmus erst  im Jahre 1982 durch die Verbreitung von Computern mit 16 bit 80286 Prozessoren, welche in der Lage waren die Anfallenden Daten auch in Echtzeit zu Verarbeiten, bewiesen. In den letzten Jahren fand der Einsatz bei LIDAR u RADAR Systemen von autonom fahrenden Fahrzeugen, zur Reduktion des Rauschens, weite Verbreitung.


Digitaler Fahrplan

Eine vielversprechende Möglichkeit zur Kostenreduzierung ist die Digitalisierung der gedruckten Fahrpläne für das Lokpersonal und deren Anzeige mit einem LC-Display. Der finanzielle Vorteil liegt hier im Entfall aller Druck- und Handlingkosten, sowie der einfachen, täglichen Aktualisierbarkeit. Eine weitere Gelegenheit zur Kostenreduktion bei gleichzeitigem Sicherheitsgewinn ist das Einarbeiten der temporären Geschwindigkeitsbeschränkungen La (Langsamfahrstellen) und der zum Abfahrtszeitpunkt des Zuges bereits bekannten schriftlichen Befehle. So bekommt der Lokführer alle für die sichere Führung des Zuges notwendigen Daten in der Reihenfolge wie er sie antreffen wird, verwechslungssicher und ohne die bei gedruckten La-Informationen notwendige Redundanz "(in Kraft ab..." oder "gilt nur am..."). Bei den schriftlichen Befehlen ist der Vorteil der geringere Personaleinsatz, auch eine grössere Fehlertoleranz durch geringere Übermittlungshäufigkeit, bei der La gilt das gleiche Einsparungspotential wie bei den gedruckten Fahplänen.

 

Bei Dienstantritt

Der Lokführer kann bei seinem Dienstbeginn, auf einem eigenen Funkkanal alle Daten des zu führenden Zuges in den Speicher seines Lokgerätes laden. Dies hat den Vorteil, dass an Bord nur aktualisierte Daten verwendet werden. Auch entfällt in dieser Konstruktion ein aufwendiger Suchalgorythmus für das Anzeigen der gewünschten Zug-, uns Streckendaten. Darüber hinaus steht mehr Speicherkapazität für andere Informationen zur Verfügung. So zum Beispiel eine Anleitung für das vorschriftengemässe Handeln in unklaren Situationen, und eine Fehlersuchanleitung für Lokomotive und Wagen. Diese Möglichkeit schnell nachzulesen würde insbesondere die Häufigkeit des "menschlichen Versagens" als Unfallursache signifikant verringern. Während der Fahrt sorgt die vom GPS Empfänger kommende Positionsinformation autonom dafür, dass der jeweils zu befahrende Streckenabschnitt in der Mitte des Displays angezeigt und weitergescrollt wird. Blättern ist mit wenigen Tasten möglich. Somit kann dieses Display klein (A5 quer) und kostengünstig gehalten werden.
Bei Triebfahrzeugen mit Bremsrechner kann dieser mit den Positionsdaten und dem im Speicher vorliegenden Fahrplan veknüpft werden. Dann kann das Triebfahrzeug selbsttätig alle Geschwindigkeitsbeschränkungen und Aufenthalte erkennen und deren Einhaltung überwachen. Ein unabsichtliches Durchfahren von planmässigen Aufenthalten oder ein kritisches Überschreiten der örtlichen Höchstgeschwindigkeit (wie zum Beispiel 1971 in Rheinweiler oder 1997 in Piacenza) kann mit Sicherheit verhindert werden. Bei Lokomotiven ohne Bremsrechner besteht die Möglichkeit, bei einer festgestellten Geschwindigkeitsüberschreitung eine temporäre Bremsung auszulösen.

 

Eingleisiger Betrieb

Auf eingleisigen Nebenbahnen kommt es immer wieder zu Zugzusammenstössen, weil ein Zug den Bahnhof unerlaubt verlassen hat. Oft ist als alleinige Unfallursache eine, wenn auch nur kurze, Abgelenktheit oder Unachtsamkeit des Lokführers anzunehmen.
Wenn in einem GPS gestützten System die Dispositionszentrale die Positionen und Fahrtberechtigungen aller Züge im Bereich kennt und mit den Zügen eine Kommunikationsverbindung herstellen kann, ist sie in der Lage einen unberechtigten Anfahrversuch, durch Fernabschalten der Triebfahrzeugleistung zu verhindern.
So wäre mit GPS eine optimale Sicherheit bei geringen Investitionskosten, zu realisieren. Dabei würde es ausreichen, wenn die Verbindung zur Zentrale nur in den Bahnhöfen besteht, wie es in Österreich auf einigen Srecken mit Schnurlostelefonen sehr billig und effektiv gelöst ist.
Auf den Lokomotiven befindet sich der Hörer und in den Bahnhöfen die zugehörige Basisstation. Jedoch arbeitet dieses Telefon, zum Unterschied vom entsprechenden Heimtelefon, in jedem Bahnhof der Strecke auf der gleichen Frequenz, wodurch mit dem Hörer am Triebfahrzeug in jedem Bahnhof der Strecke, im Umkreis von etwa 300 Metern um die im Bahnhofgebäude befindliche Basisstation eine Telefon- und Datenverbindung zur Dispositionszentrale möglich ist.

 

Ein Versuch in Österreich

In der Vorbereitungsphase ist ein Versuch, auf einer eingleisigen Strecke in der Wachau in Österreich unter Verwendung von GPS, das unerlaubte Ausfahren eines Zuges aus einem Bahnhof zu verhindern.
Nach schweren Unfällen, bei denen auch Menschenleben zu beklagen waren und die auf menschliches Versagen zurückzuführen waren, will man mit billigen C/A Code Handheld-Empfängern den Lokführer durch einen Warnton warnen, falls er den Bahnhof verlassen hat ohne eine Fahranfrage zu stellen. Bei dem in Österreich Zugleitbetrieb (V5-Betrieb) genannten Verfahren, kontaktiert der Lokführer über das vorher beschriebene Schnurlostelefon oder Zugfunk die Dispositionszentrale und trägt in einer "Stricherlliste" ein, wenn er eine Fahrberechtigung erhalten hat. Bei dem erwähnten Versuch wird der Lokführer die erhaltene Fahrberechtigung in den GPS Empfänger eintippen. Dieser hat alle Bahnhofpositionen in seinem Speicher und kann nach der Eingabe durch den Lokführer feststellen, ob der Zug die Berechtigung zum Befahren der Strecke hat. Ob der Zug den Bahnhof verlassen hat, stellt der Empfänger per Positionsmessung fest.
In diesem sehr einfachen Setup hat man auf eine Verbindung des GPS Empfängers mit der Dispositionszentrale und zur Fahrsteuerung des Triebfahrzeuges verzichtet. Man begnügt sich damit, im Falle einer Fehlausfahrt, einen Warnton auf Grund des Fehlens einer vom Lokführer selbst einzutippen den Fahrberechtigung ertönen zu lassen. Ebenfalls verzichtet wurde auf eine Differentialkorrektur der Position mit entsprechend verbesserter Genauigkeit.

 

Grossräumige Disposition

Wenn die jeweiligen Zugpositionen und Geschwindigkeiten einer Dispositionszentrale bekannt sind, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, Züge wirtschaftlich zu leiten und Bremsungen wegen Zugfolge, sowie das energieverzehrende Wiederbeschleunigen zu vermeiden. Hier darf ein Einsparungspotential in der Grössenordnung von zweistelligen Schilling-Millionenbeträgen vermutet werden. Zusätzlich wäre ein signifikant geringerer Verschleiss von Bremsklötzen zu erwarten.

 

Fahrdatenprotokollierung

Wenn der GPS Empfänger mit einem Speicher in Verbindung steht, lässt sich eine sehr effiziente und weitgehend automatisierte Aufzeichnung der Fahrdaten realisieren. Dabei wird in Abhängigkeit von der Zugart und der momentanen Position variabel die Frequenz der Aufzeichnungsdichte und somit der anfallenden Datenmenge selbsttätig verändert.
So zum Beispiel wird es bei einem Schellzug, der auf freier Strecke fährt, genügen, alle 30 Sekunden aufzuzeichnen, während bei einem Vorortezug der alle drei km einen Aufenthalt hat, eine viel dichtere Aufzeichnungsrate notwendig sein wird. In beiden Fällen kann die Aufzeichnungsrate durch Ereignisse wie Beginn einer Bremsung, Betätigungen in der Lok oder das Annähern an einen Geschwindigkeits bruch, automatisch verändert werden. Zusätzlich zur üblichen Speicherung von Position, Uhrzeit, Geschwindigkeit, kann der Status einer Vielzahl von Loksystemem wie Motortemperatur, der Bremszylinderdruck usw. mit aufgezeichnet und statistisch ausgewertet werden. Wenn man die Lokomotiven mit Stosssensoren und Gyros (Winkelgeschwindigkeitsmesser) ausrüstet, könnte eine zu heftige Verzögerung oder eine zu starke Neigungsveränderung des Fahrzeuges, als Indikator für eine Entgleisung genommen werden. Das System kann eine automatische Übertragung der Fahrdaten in die Zentrale, Nothalt für entgegenkommende Züge, sowie eine Freihandsprechverbindung zwischen Lokomotive und Zentrale auslösen. Die gespeicherten Daten können bei abgestelltem Fahrzeug selbsttätig an die Zentrale zur Auswertung übertragen werden, oder im "Daisy Chaine"-Verfahren (die älteste Eintragung zuerst) wieder überschrieben werden.
Wirtschaftliche Vorteile sind die Einsparung der Wachspapierstreifen, sowie alle Aufwände mit deren Logistik und Lagerung, was einen zweistelligen Schilling-Millionenbetrag jährlich ergeben kann.

 

Signalbeachtung erzwingen

Wenn man die Vor- Schutz- und Hauptsignale mit billigen passiven Transpondern ausrüstet, welche die Signalstellung an den vorbeifahrenden Zug übermitteln, kann man ein unerlaubtes Überfahren eines Halt zeigenden Signales definitiv verhindern. Da im Speicher die Positionen der Signale zusammen mit den Streckendaten abgelegt sind und die Lokomotive "weiss" wie weit sie noch vom Halt zeigenden Signal entfernt ist, kann die Lokomotive, wenn ein Bremsrechner vorhanden ist, eine Bremskurve errechnen und mittels GPS Position auch die jeweils noch zulässige Geschwindigkeit bei der Annäherung überwachen. So wird sichergestellt, dass der Zug zuverlässig und immer vor einem Halt zeigenden Signal zum Stillstand gebracht wird.

 

Zugfolgeregelung

Die Überwachung, ob ein bestimmter Abschnitt frei von Fahrzeugen ist, wird mit vielfältigen Einrichtungen durchgeführt. Dazu zählen Achszähler, Raddedektoren, Gleisstromkreise, Schienenstromkreise, Induktionsschleifen mit Zugsendern und andere Einrichtungen. Ein satellitengestütztes System kann als zusätzlicher Sicherheitslayer zu den bereits bestehenden Einrichtungen eingesetzt werden.
Pragmatisch betrachtet würde immer dann, wenn herkömmliche Systeme nicht in der Lage waren einen Unfall zu verhindern, ein zusätzliches System erfolgreich intervenieren können. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass ein überlagertes satellitengestütztes System total ausfallen sollte, würde der Sicherheitsstatus auf den heutigen Stand fallen, allerdings nur für die kurze Zeitspanne bis zur Wiedererlangung des operativen Status des Satellitensystems.

 

Statistische Daten

Bei personenbefördernden Zügen ist man zur Wirtschaftlichkeitsoptimierung an den tageszeitlich unterschiedlichen Passagierzahlen in den verschiedenen Streckenabschnitten interessiert. Wenn man genaue Daten erheben kann, ist man in der Lage immer für jeden Passagier einen Sitzplatz zu haben, ohne unnötige Wagen mitzuführen. Auch die Häufigkeit mit der eine Strecke bedient wird, kann nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten festgestellt werden.
Durch Messung der Wageneinfederung, (bei Luftfederungen Auswerten des sich bei Beladung ändernden Drucks), kann die entsprechende Besetzung errechnet werden. Mit der GPS Position verknüpft, hat man Daten über die wechselnde Auslastung des Zuges zwischen jedem einzelnen Aufenthalt.
Derart ermittelte Auslastungsdaten sind mit geringen Kosten für Personalaufwand, sowie ohne Einsatz zusätzlicher Zählgeräte erhebbar.

 

Verbesserter Kundenservice

Die immer rechtzeitige Ansage des nächsten Aufenthaltes eines Zuges kann, wenn die GPS Position mit einem Speicher in dem alle Aufenthalte gespeichert sind, verbunden wird, durch das System vollautomatisch und in digitaler Tonqualität erfolgen. Bei schnellbahnartigem Betrieb ist es möglich, als besonderen Kundenservice, in den Haltestellen eine Anzeige mit der Information, in wieviel Minuten der nächste Zug kommen wird, zu installieren. Diese Information wird ebenfalls aus den Positionsdaten errechnet.

 

Unfallvermeidung

Das hier beschriebene Modell kann zusätzlich zu bereits bestehenden Sicherheitssystemen, welche aber leider nachweislich viele Unfälle nicht verhindert haben, installiert werden. Eine Integration in bestehende Anlagen scheint realisierbar zu sein. Mit Investitionskosten, die im Vergleich zu Linienzugbeinflussung (LZB) oder European Train Control System (ETCS), relativ gering sind, können auch in Teilbereichen (etwa auf eingleisigen Strecken), Betriebsunfälle verhindert werden.
In Österreich sind, wenn man der Berichterstattung in den Medien folgt, in den letzten sechs Jahren an die 300 Millionen Schilling an Kosten durch Eisenbahnunfälle verursacht worden. Es darf angenommen werden, dass die Aufwendungen, durch Vermeidung von Unfallfolgekosten, in kurzer Zeit amortisiert sind. In dieser Annahme wird man bestärkt, wenn man die sich anbietenden Synergieeffekte in die kaufmännische Kalkulation mit einbezieht.

 

Zusatznutzen der GPS Daten 

Eine weitere gute Gelegenheit GPS-Daten im Bahnbetrieb zum wirtschaftlichen Vorteil weiter- zuverwenden, ist

Die so erhobenen Daten

Weiter sind möglich :

Schlussfolgerungen

Die mit der Inbetriebnahme von GPS und dem russischen GLONASS eingeleitete Entwicklung der Navigation mit Satellitensystemen ist nicht mehr aufzuhalten. Laut dem United States GPS Industry Councel (USGIC) sind 1993 GPS Empfänger im Wert von 460 Millionen Dollar verkauft worden. Für das Jahr 2000 werden 5 bis 6 Milliarden Dollar Umsatz mit GPS Ausrüstung prognostiziert, wobei die höchsten Zuwachsraten bei der Navigation von Landfahrzeugen sind. Die Studie der FRA zeigt, dass GPS basierte Eisenbahnsicherungssysteme um Grössenordnungen kostengünstiger sind, als terrestrische Systeme. Die Eisenbahnverwaltungen scheinen gut beraten zu sein, aus Gründen der Wettbewerbsfähigkeit des Verkehrsträgers Schiene, rechtzeitig auf diesen "Zug der Zeit" aufzuspringen. Eine aussichtsreiche Lösung könnte es sein, GPS zur Zugortung in ERTMS mit einzubeziehen.

 

Ausblick in die Zukunft

In Zukunft wird die Kommunikation zwischen Dispositionszentrale und den Zügen nicht mehr per Analogfunk sondern mittels digitaler Sprach- und Datenverbindungen erfolgen. Dabei werden vermehrt auch geostationäre Satelliten zum Einsatz kommen.
Selbst ein eigenes, auf Europäische Interessen ausgerichtetes Satellitennavigationssystem GNNS-2, ist noch immer im Gespräch und das europäische WAAS Gegenstück, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), für die Zivilluftfahrt soll 1998 den Betrieb aufnehmen. Die Vision einer Zusammenarbeit von Eisenbahn & Satellit ist vielleicht gar nicht mehr so fern !
Gedanken zum ERNP (Europaen Radionavigation Plan) und den Möglichkeiten die sich den Eisenbahnen Europas dadurch eröffnen, folgen im nächsten Artikel.

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