On the metrological quality of vehicle localization

Zukünftige Anwendungen für die satellitenbasierte Ortung im Verkehr werden immer höhere Anforderungen an die Messqualität der Fahrzeugposition stellen. Wichtigstes Anwendungsbeispiel hierfür ist das automatisierte Fahren im Straßenverkehr. Hierzu muss die hinreichende metrologische Qualität der Positionswerte nach einem systematischen und allgemein akzeptierten Verfahren nachgewiesen werden. Erst eine solche Prüfung schafft die Rechtssicherheit für den Einsatz von Ortungssystemen bei sicherheitsrelevanten und ökonomisch bedeutsamen Anwendungen. In dieser Arbeit wird eine formale Axiomatisierung des Begriffs Messqualität durchgeführt. Darauf aufbauend werden Qualitätsmaße zur Quantifizierung der Messqualität definiert. Im Zuge dessen wird das international akzeptierte GUM-Verfahren zur Quantifizierung der Eigenschaft Messunsicherheit auf Zustandsraummodelle erweitert, um so auch zeitvariante Messgrößen, gemessen mit dynamischen Messsystemen, berücksichtigen zu können. Für die Validierung des Messqualitätsmodells und seiner Qualitätsmaße werden allgemeingültige Anforderungen an Referenzsysteme für die Fahrzeugortung spezifiziert. Anschließend wird ein ortsgebundenes, satellitenunabhängiges Referenzsystem vorgestellt, das als Maßstab für das ebenfalls in dieser Arbeit entwickelte mobile Referenzsystem dient. Die Erprobung des exemplarisch implementierten mobilen Referenzsystems zeigt, dass die Generierung einer Referenzposition in hinreichender Qualität möglich ist. Es wird deutlich, dass sich das universelle Verständnis des Begriffs Messqualität in jeder Beurteilung von Werten zeitvarianter Messgrößen widerspiegelt. Sowohl das ortsfeste Referenzsystem, die mobile Referenz als auch satellitenbasierte Ortungssysteme lassen sich hinsichtlich ihrer Messqualität stets nach demselben Schema beurteilen. Die vorgestellte Axiomatisierung der Messqualität ermöglicht somit einen standardisierten Vergleich von Fahrzeugortungssystemen.Future applications for satellite-based localization in transport lead to steadily increasing demands on the measurement quality of the vehicle position. The most important example is automated driving in road transport. For this purpose, the sufficiently high metrological quality of the position data needs to be proven by means of a commonly accepted test procedure. Only such an approval provides legal certainty regarding the use of localization systems for safety-relevant, economically and legally significant applications. In this thesis, a formal axiomatization of the concept measurement quality is proposed. Based on this, quality measures for the quantification of the measurement quality are defined. Here, the internationally well-accepted GUM method for quantifying the property measurement uncertainty is extended on state-space models in order to cover time-varying measurands, measured by dynamical measuring systems. For the validation of the measurement quality model and its quality measures, requirements on reference systems for vehicle localization in general are specified. A track-bounded and satellite-independent reference system is presented that serves as the measurement standard for vehicle localization in this work. The testing of an exemplary implementation of a mobile reference system demonstrated that the generation of a reference position for satellite-based localization with sufficiently high quality is feasible. It becomes clear that the universal understanding of the concept measurement quality reflects in any assessment of values of time-varying measurands. The assessment of the track-bounded reference system, the mobile reference and satellite-based localization systems in terms of their measurement quality always follows the same pattern. The proposed axiomatization of measurement quality thus allows a standardized comparison of vehicle localization systems