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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersysteme und insbesondere auf eine Kombination-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne, die bei Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersystemen nützlich ist.
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In dem sich auf Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersysteme beziehenden Stand der Technik werden Globalnavigationssatellitensysteme, wie z. B. GPS und GLONASS, ausgedehnt verwendet, um Positionskoordinaten zu bestimmen, was eine automatisierte Steuerung einer mobilen Einheit erleichtert. In der Zukunft wird das europäische GALILEO-System ähnliche Fähigkeiten besitzen. Ein autonomes Navigationssystem, das einen Satellitenempfänger und einen Navigationscomputer aufweist, kann bei der Positionsbestimmung einer mobilen Einheit unter Verwendung von ausschließlich Satellitensignalen ein Genauigkeitsniveau von 10 Meter erreichen. Differenzialnavigationssysteme, die Differenzialkorrekturen zusätzlich zu den Satellitensignalen verwenden, können die Positionsinformationen innerhalb eines Metergenauigkeitsbereichs bestimmen. Kinematische Echtzeit-(RTK-; RTK = Real-Time Kinematic)Navigationssysteme, die fähig sind, in Echtzeit nicht nur Code, sondern ferner Trägerinformationen, die von den Satelliten gesendet werden, zu verwenden, können bei der Positionsbestimmung einer mobilen Einheit eine Zentimeterniveau-Genauigkeit erreichen.
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Ein Genauigkeitsniveau unter einem Zentimeter liegt jedoch noch immer jenseits der Leistungsfähigkeit von typischen satellitenbasierten Navigationssystemen. Bei einem Versuch, eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen, verwenden bekannte Lösungen sich drehende, laserbasierte Systeme, um das Ebenenniveau (Z-Ebene) mit einer Millimeterniveau-Genauigkeit zu definieren. Diese bekannten laserbasierten Systeme können jedoch nicht für den Zweck der dreidimensionalen Navigation von mobilen Objekten verwendet werden, da dieselben konfiguriert sind, um lediglich eine (Z-)Koordinate des mobilen Objekts mit einer großen Genauigkeit zu bestimmen. Verbesserungen sind daher in der Technik noch nötig.
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Das Verkomplizieren einer Anstrengung, um eine Millimeterniveau-Genauigkeit für alle drei Koordinatenpositionen (x, y, z) einer mobilen Einheit zu erreichen, besteht darin, dass ein Globalnavigationssatellitenempfänger typischerweise entworfen ist, um den Ort der Antenne desselben zu berechnen. Dies bedeutet, dass, um den Ort eines interessierenden Objekts zu erfassen, ein Versatz bzw. Offset von dem Ort der Antenne angewendet werden muss, um die horizontalen (x, y)-Koordinaten des interessierenden Objekts zu bestimmen. Ein zusätzlicher Versatz muss ferner auf den Ort des interessierenden Objekts angewendet werden, wenn ein Laserempfänger verwendet ist, um die vertikale (z-)Koordinate desselben zu bestimmen. Diese Versätze werden typischerweise in ein Steuersystem manuell eingegeben und basieren auf einem manuellen Messen der Orte der Antenne und der Laserempfänger relativ zu dem interessierenden Objekt. Betreiber müssen beispielsweise die Orte der Satellitenantenne und der Laserempfänger, die an einem Bagger an der Eimerspitze des Baggers getrennt angebracht sind, manuell eingeben, und diese Versätze in das Steuersystem des Baggers eingeben. Ein präzises Kennen der für die Satellitenantenne und die Laserempfänger zu verwendenden Versätze ist jedoch ein wesentlicher Teil des Durchführen eines präzisest möglichen Vermessens. Ein manuelles Vornehmen und Eingeben von solchen Messungen kann bedeutende Fehler in die Positions-(x, y, z)Berechnungen, die durch das Steuersystem durchgeführt werden, um den Ort eines interessierenden Objekts zu bestimmen, einführen.
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Zusätzliche Fehler können sich ferner in die Positions-(x, y, z)Berechnung einschleichen, da Globalnavigationssatellitenantennen unter ziemlich idealen Bedingungen kalibriert werden. Kalibrierungen am Einsatzort bzw. in situ werden typischerweise auf einer beständigen Höhe und auf einem flachen Gelände ohne Reflektoren, anders als dem Boden, der unerwünschte Mehrweg-Reflexionen, die zu azimutalen Asymmetrien führen, verursachen kann, durchgeführt. Zur Verwendung bei einer Baustelle sind dementsprechend die Bedingungen, unter denen diese Kalibrierungen bestimmt werden, eine ziemlich unsinnige Näherung der tatsächlichen Bedingungen, unter denen die Antennen bei einer Baustelle verwendet werden. Unter idealen Umständen wird jede Antenne an ihrer eigenen Stelle einzeln kalibriert. Obwohl dies möglich ist und bei permanenten Globalnavigationssatellitenverfolgungsstellen erreicht werden kann, ist es für Stellen unpraktisch, die lediglich selten und kurz besetzt sind, wie z. B. ein Stück Land, das bearbeitet wird.
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Im Gegensatz zu dem im Vorhergehenden erwähnten Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 bis 12 eine Zahl von nicht offensichtlichen Vorteilen und Fortschritten gegenüber dem Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung offenbart insbesondere eine Kombination-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne, die in einer einzigen Verpackung vorgesehen ist und die es einem Benutzer erlaubt, eine hochpräzise Steuerung von mobilen Einheiten, einschließlich eine hochpräzise Maschinensteuerung, zu realisieren.
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Mit der Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne ist der Laserhöhenbezug, der durch den Laserdetektor erfasst wird, in einer bekannten und festen Beziehung zu dem Nennphasenmittelpunkt der Globalnavigationssatellitenantenne vorgesehen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind der Phasenmittelpunkt der GPS-Antenne und ein optischer Sensor des Laserdetektors in der gleichen Ebene und bei einem anderen Ausführungsbeispiel in einem bekannten und vorgeschriebenen vertikalen und horizontalen Trennungsabstand vorgesehen. Die Versätze für diese Elemente sind dementsprechend durch den Hersteller eingestellt, was die Benutzer beim Einrichten, Messen (und Schätzen) und Eingeben der Versatzdaten zwischen getrennten Laserdetektoren und Satellitenantennen entlastet. Jede mobile Einheit, die mit einer Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne ausgestattet ist, kann die festen und bekannten Versatzdaten verwenden, um die Positionsbestimmungsfähigkeiten derselben zu verbessern. Ein Neigungsmesser kann ebenfalls in der Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne aufgenommen sein, um ein zusätzliches Fehlerkorrigieren, das einer Neigung und einer Steigung der mobilen Einheit oder des Werkzeugs, das durch die mobile Einheit getragen ist, zugeordnet ist, vorzusehen. Eine Bewegungsrichtungsanzeigevorrichtung kann für ähnliche Zwecke ebenfalls umfasst sein.
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Sowohl die im Vorhergehenden erwähnten Vorteile der vorliegenden Erfindung als auch zusätzliche Vorteile derselben sind im Folgenden als ein Resultat einer detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung klarer zu verstehen, wenn dieselbe in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durch gleiche Symbole gezeigt sind, vorgenommen ist.
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1 zeigt ein Positionsverfolgungs- und Steuer-(PTC-; PTC = Position Tracking and Control)System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem das PTC-System ein Lasersystem, eine oder mehrere mobile Einheiten, die jeweils eine Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-(CLDGNS-)Antenne und ein zugeordnetes Steuersystem aufweisen, und eine Kommunikationsverbindung aufweist.
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2–5 stellen verschiedene Ausführungsbeispiele von Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
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Die vorliegende Erfindung ist am besten durch ein Konzentrieren auf 1 verständlich, die ein Positionsverfolgungs- und Steuer-(PTC-)System 10 darstellt. Das PTC-System 10 weist ein Lasersendesystem 12, eine oder mehrere mobile Einheiten, wie z. B. einen Vermesser 13 oder eine Maschine 14, die jeweils eine Kombinations-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-(CLDGNS-)Antenne 16 und eine zugeordnete Verarbeitungseinheit 18 und einen Sender zum Herstellen einer Kommunikationsverbindung 20, vorzugsweise einer Funkverbindung, aufweisen, auf. Signale 21 von einer Mehrzahl von Globalnavigationssatelliten 22, die oberirdisch kreisen, wie z. B. von GPS, GLONASS, GALILEO und Kombinationen derselben, werden durch die CLDGNS-Antenne 16 empfangen, derart, dass die Koordinaten von dynamischen Punkten in einem Stück Land 17, wie z. B. Punkten, die als DP1 und DP2 gezeigt sind, bis auf ein Zentimetergenauigkeitsniveau durch die Verarbeitungseinheit 18 bestimmt werden können. Der dynamische Punkt DP1 kann, wie dargestellt, und beispielsweise ein Arbeitselement 15 an der Maschine 14 sein, wie z. B. ein Planiermaschinenschild, während der dynamische Punkt DP2 ein Punkt an dem unteren Ende eines manuell positionierten Trägers 19, wie z. B. eines Pfostens, Masts, Stativs und dergleichen, der durch einen Vermesser 13 umherbewegt wird, sein kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die CLDGNS-Antenne 16 und die zugeordnete Verarbeitungseinheit 18 als ein durch Menschen tragbares, integriertes Positionsbestimmungssystem (IPS) vorgesehen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel eines durch Menschen tragbaren, integrierten Positionsbestimmungssystems ist die CLDGNS-Antenne 16 an dem Träger 19 lösbar anbringbar und ist mit der Verarbeitungseinheit 18 über eine Kabelverbindung oder eine drahtlose Verbindung schnittstellenmäßig verbunden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel weist die Verarbeitungseinheit 18 einen Mikroprozessor oder eine andere Berechnungs-Hardware auf, die konfiguriert ist, um Daten von der Antenne 16 zu verarbeiten und eine Schätzung einer Position der Antenne 16 zu liefern. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungseinheit 18 zusätzlich zu dem Vorsehen der Merkmale und Vorteile, die hierin beschrieben sind, entweder die Fähigkeiten eines herkömmlichen Vermessungsdatensammlers, wie z. B., jedoch nicht darauf begrenzt, der ACU-Steuerungseinheit von Trimble, der TSCe-Steuerungseinheit von Trimble und der Recon-Steuerungseinheit von Trimble, vorsehen oder mit demselben schnittstellenmäßig verbunden sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinheit 18 zusätzlich zu dem Vorsehen von Merkmalen und Vorteilen, die hierin beschrieben sind, entweder zusätzlich die Fähigkeiten eines herkömmlichen GPS-Empfängers vorsehen oder mit demselben schnittstellenmäßig verbunden sein. Da solche Fähigkeiten eines GPS-Empfängers Fachleuten gut bekannt sind, ist keine weitere Erörterung vorgesehen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen sehen die CLDGNS-Antenne 16 und die zugeordnete Verarbeitungseinheit 18 entweder die Fähigkeiten eines Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersystems zum Bestimmen einer dreidimensionalen Position der Maschine 14 und/oder des Werkzeugs 15, das durch die Maschine getragen ist, vor oder sind mit demselben schnittstellenmäßig verbunden. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel ist die CLDGNS-Antenne 16 an der Maschine 14 angebracht und ist mit der Verarbeitungseinheit 18, die das Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersystem ist, über eine Kabelverbindung oder eine drahtlose Verbindung schnittstellenmäßig verbunden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungseinheit 18 zusätzlich zu dem Vorsehen der Merkmale und Vorteile, die hierin beschrieben sind, entweder die Fähigkeiten einer herkömmlichen Maschinenführungs- und Planiersteuereinheit, wie z. B., jedoch nicht darauf begrenzt, des Sitevision-GPS-Gefällesteuersystems von Trimble und des BladePro-3D-Maschinensteuersystems von Trimble, vorsehen oder mit derselben schnittstellenmäßig verbunden sein.
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Ein Millimetergenauigkeitsniveau beim Bestimmen der Position der dynamischen Punkte DP1 und DP2 relativ zu jeder CLDGNS-Antenne 16 ist durch die Verarbeitungseinheit 18, die Informationen, die durch das Lasersystem 12 geliefert werden, bei der Koordinaten-(x, y, z)Positionsberechnung derselben zusätzlich zu denselben von den Satelliten 22 verwendet, vorgesehen. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert das Lasersystem 12 mindestens zwei divergierende oder fächerförmige Strahlen 23 und 23', die sich um eine vertikale Achse Z0 über einem bekannten stationären Punkt SP auf dem Stück Land 17 drehen. Die fächerförmigen Strahlen 23 und 23' werden von dem Lasersystem 12 in nicht vertikalen Ebenen projiziert, derart, dass der erste fächerförmige Strahl 23 eine beliebige horizontale Bezugsebene 24 in einem Winkel α schneidet und der zweite fächerförmige Strahl 23' die horizontale Bezugsebene in einem Winkel β schneidet.
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Es ist offensichtlich, dass die fächerförmigen Strahlen 23 und 23', wenn dieselben mit einer konstanten Geschwindigkeit um eine vertikale Achse gedreht werden, nacheinander (mit einer Zeitverzögerung zwischen denselben) mindestens einen optischen Sensor 44 (2–4) von jeder CLDGNS-Antenne 16 aktivieren. Es ist ferner offensichtlich, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von 1 eine Zeitverzögerung zwischen einem Aktivieren des optischen Sensors 44 durch jeden fächerförmigen Strahl 23 und 23' zunimmt oder abnimmt, sowie die relative Position einer CLDGNS-Antenne 16 jeweils über oder unter die horizontale Bezugsebene 24 zunimmt. Es ist offensichtlich, dass die CLDGNS-Antenne 16 auf eine beliebige horizontale Bezugsebene 24 einfach durch Auswählen und Eingeben einer Erfassungszeitverzögerung in die Verarbeitungseinheit 18 initialisiert werden kann. Es ist zusätzlich offensichtlich, dass sich jede durch die CLDGNS-Antenne 16 erfasste Änderung der Erfassungszeitverzögerung auf einen Winkel γ bezieht, der der Winkel ist, mit dem eine gerade Linie, die durch den optischen Sensor 44 (2–4) der CLDGNS-Antenne 16 und den Punkt der Ausstrahlung der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' geht, die ausgewählte beliebige horizontale Bezugsebene 24 trifft.
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Wie im Vorhergehenden erwähnt ist, sind die Winkel α und β Konstanten. Der Winkel γ wird durch Erfassen der zeitlichen Abstimmung zwischen der Beleuchtung des Sensors 44 durch die Strahlen 23 und 23' bestimmt. Je höher der Sensor 44 ist, desto größer ist die Verzögerung. Es ist offensichtlich, dass eine Schwankung der Drehgeschwindigkeit der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' kurzfristige, vorübergehende Fehler einführt. Um solche Fehler zu minimieren, kann der Verarbeitungseinheit 18 die Drehgeschwindigkeit des Lasersystems 12 über die Kommunikationsverbindung 20 geliefert werden. Die Drehgeschwindigkeit kann jedoch mit einem Kristalloszillator, der eine ausreichende Genauigkeit liefert, phasenverriegelt sein. Die Verarbeitungseinheit 18 kann dementsprechend, die Drehgeschwindigkeit kennend, den Wert des Winkels aus der erfassten Zeitverzögerung zwischen einer Beleuchtung durch die Strahlen 23 und 23' arithmetisch berechnen, und daher ist der Höhenwinkel des optischen Sensors in der CLDGNS-Antenne 16 über der horizontalen Bezugsebene 24 bestimmt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Lasersystem 12 ferner mit einer Mehrzahl von Lichtquellen, die zu dem gleichen Zeitpunkt während jeder Drehung der Strahlen 23 und 23' aufgetastet bzw. gestrobt werden, versehen. Ein Leuchtfeuer 26 liefert ein gleichzeitiges 360°-Aufleuchten 38 bei einer anderen Wellenlänge als die fächerförmigen Strahlen 23 und 23'. Durch Ausrichten des Lasersystems 12, derart, dass das Leuchtfeuer 26 aufleuchtet, sowie der Mittelpunkt zwischen den fächerförmigen Strahlen 23 und 23' durch eine bekannte wirkliche Bewegungsrichtung A0 geht, kann die Verarbeitungseinheit 18 ferner eine relative Peilung zu dem Lasersystem 12 aus der Zeitverzögerung zwischen einem Erfassen des Signals 38 des Leuchtfeuers und einem Erfassen der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' berechnen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Lasersystem
12 mit einem Globalnavigationssatellitensystem-(GNSS-)Empfänger
30 versehen. Der GNSS-Empfänger
30 kann die Position desselben aus den Signalen
21, die durch die Globalnavigationssatelliten
22 geliefert werden, empfangen und berechnen. Eine detaillierte Erörterung, wie ein Ort aus solchen Signalen zu bestimmen ist, ist durch das
US-Patent Nr. 6,433,866 offenbart, das ebenfalls an die Trimble Navigation, LTD. übertragen ist und dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
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Der Verarbeitungseinheit 18 wird zusätzlich zu dem Kennen der eigenen Position derselben (wie aus den erfassten Satellitensignalen, die durch die CLDGNS-Antenne 16 empfangen und geliefert werden, berechnet) über die Kommunikationsverbindung 20 ferner die bekannte und feste Position des Lasersystems 12 geliefert. Unter Verwendung der durch das Lasersystem 12 zur Korrelation und zum Fehlerkorrigieren gelieferten Informationen kann dann die Verarbeitungseinheit 18 die Koordinaten-(x, y, z)Position von einem dynamischen Punkt relativ zu der CLDGNS-Antenne 16 mit einem Genauigkeitsgrad von unter einem Zentimeter berechnen. Eine detaillierte Erörterung der durch die Verarbeitungseinheit 18 durchgeführten Berechnungen ist durch die ebenfalls anhängige US-Anmeldung, Serien-Nr. 10/890,037, mit dem Titel ”COMBINATION LASER SYSTEM AND GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM” offenbart, die ebenfalls der Trimble Navigation Limited übertragen ist, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
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Es ist offensichtlich, dass das PTC-System 10 einem möglichen mobilen Benutzer eine Zahl von Vorteilen durch Integrieren eines Laserdetektors und einer Globalnavigationssatellitenantenne liefert. Die CLDGNS-Antenne 16 benötigt beispielsweise weniger Aufwand als getrennte Laserdetektoren und Globalnavigationssatellitenantennen, da die integrierte CLDGNS-Antenne lediglich eine Satz einer Verpackung erfordert und eine gemeinsam verwendete Schaltungsanordnung und Verdrahtung, einen Computerspeicher und ein Computerverarbeiten und eine gemeinsame Leistungsversorgung verwenden kann. Andere Vorteile sind unter Bezugnahme auf 2–5, die verschiedene Ausführungsbeispiele der Kombination-Laserdetektor- und Globalnavigationssatelliten-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, offenbart.
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2 stellt graphisch ein Ausführungsbeispiel einer CLDGNS-Antenne 16 dar, die ein Antennenelement 32 vorsieht, das an einem Elektronikgehäuse 34 angebracht ist, das seinerseits an einem Ende eines verlängerten Trägers 36, wie z. B. einem Mast, angebracht ist. In dem Gehäuse 34 ist das Antennenelement 32 mit einem rauscharmen Verstärker (LNA; LNA = Low Noise Amplifier) 38 gekoppelt, und ein Laserdetektor 40 ist mit einem Lasersignalprozessor 42 gekoppelt. Der Laserdetektor 40 kann eine Zahl von optischen Sensoren 44, die um die Peripherie des Gehäuses 34 platziert sind, aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die optischen Sensoren 44 allgemein nach unten und nach außen gerichtet. Bei dieser Ausrichtung wird mindestens einer der optischen Sensoren 44 die fächerförmigen Strahlen 23 und 23' von dem Lasersystem 12 erfassen, und zwei oder mehr optische Sensoren 44 werden den fächerförmigen Strahl manchmal erfassen. Jeder optische Sensor 44 kann unabhängig gelesen werden, und die Position desselben kann durch die Verarbeitungseinheit 18 berechnet werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von 2 sind die relativen Positionen X0, Y0 und Z0 von jedem optischen Sensor 44 zu dem Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements 32 bekannt und fest. Ein Transponieren der erfassten Laserposition von jedem optischen Sensor 44 zu dem Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements 32 wird dementsprechend ohne weiteres durch die Verarbeitungseinheit 18 arithmetisch berechnet.
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Der Unterschied der erfassten Höhe zwischen den drei optischen Sensoren 44 liefert eine Anzeige des Kippens, die ihrerseits durch die Verarbeitungseinheit 18 verwendet werden kann, um Fehler, die sonst zu einer berechneten Position von DP1 und DP2 führen, zu kompensieren. Obwohl der Antennenkippwinkel zusätzlich zum Anpassen der erfassten Laserhöhen von jedem optischen Sensor 44 an den Nennphasenmittelpunkt x des zugeordneten Antennenelements 32 wichtig ist, können diese Änderungen der erfassten Laserhöhen ferner verwendet werden, um dabei behilflich zu sein, die Ausrichtung einer Vorrichtung (wie z. B. eines Planiermaschinen-/Bulldozer-Schilds), mit der die CLDGNS-Antenne 16 verbunden sein kann, zu bestimmen. Wenn jedoch gewünscht ist, kann die Verpackung der CLDGNS-Antenne 16 ferner einen Kipp-/Bewegungsrichtungssensor 46 in sich aufweisen, um die Kompensation des Kippens, das Fehlerkorrigieren und die Vorrichtungsausrichtungsbestimmung weiter zu vereinfachen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der CLDGNS-Antenne 16, das durch 3 dargestellt ist, sind das Elektronikgehäuse 34 und das Antennenelement 32 durch ein Gehäuse oder eine Antennenverkleidung 47 geschützt. Ein faseroptischer Aufnehmer 48 des Laserdetektors ist an dem oberen Ende der Antennenverkleidung 47 positioniert. Der faseroptische Aufnehmer 48 ist klein, etwa 0,25 Zoll (6 mm) im Durchmesser, da derselbe lediglich ausreichend Energie sammeln muss, um den optischen Sensor 44 zu aktivieren. Der nichtmetallische faseroptische Aufnehmer 48 ist entlang der Z-Achse, vertikal ausgerichtet mit dem Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements 32 ausgerichtet. Der Laserdetektor weist ferner eine optische Faser 50, die den faseroptischen Aufnahmer 48 mit dem optischen Sensor 44 koppelt, auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der optische Sensor 44 unter dem Antennenelement 32 positioniert. Ein Filter 52 kann wahlweise vorgesehen sein, um Lichtrauschen, das durch den faseroptischen Aufnehmer 48 empfangen wird, auszufiltern. Dies verbessert die Empfindlichkeit des optischen Sensors 44 gegenüber Energie der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' (1).
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist der faseroptische Aufnehmer 48 eine kreissymmetrische, hyperbolische, verspiegelte Oberfläche 54 (3a) auf, die Licht aus 360 Grad fängt und dasselbe über die optischen Fasern 50 zu dem optischen Sensor 44 reflektiert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der faseroptische Aufnehmer 48 ein TIR-Prisma 56 (3b) aufweisen, das die Laserenergie zu dem optischen Sensor 44 über eine optische Faser 50 umrichtet. Die Verwendung eines Totalreflexions-(TIR-)Prismas 56 erfordert keine metallischen Beschichtungen, um ein Reflexionsvermögen sicherzustellen, wodurch alles Metall über dem Antennenelement 32 entfernt ist. Da sich die metallischen und halbmetallischen Abschnitte des optischen Sensors 44 unter dem Antennenelement 32 befinden, beeinflussen dieselben die Fähigkeit der Antenne 16, die relativ schwachen Satellitensignale 21 aufzunehmen, nicht ungünstig. Eine Verkabelung 58 ist durch den Träger 36 vorgesehen, um den Ausgang der CLDGNS-Antenne 16 mit der Verarbeitungseinheit 18 (1) zu verbinden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das durch 4 dargestellt ist, befindet sich einer oder mehrere Sensoren 60 beabstandet entlang des Trägers 36 unter dem Elektronikgehäuse 34. Diese Anordnung der Sensoren 60 besitzt den Vorteil, einen Empfang der Antenne nicht zu stören, und beeinflusst ferner den Ort des Nennphasenmittelpunkts x des Antennenelements 32 nicht. Jeder Sensor 60 kann eine kreissymmetrische, hyperbolische, verspiegelte Oberfläche oder ein Prisma aufweisen. Da sich jeder Sensor 60 unter dem Antennenelement 32 befindet, ist eine Faseroptik nicht unbedingt erforderlich, da die Sensoren mit den Detektoren eng integriert sein können. Ein Filter 52 kann vorgesehen sein, um Fremdenergie auszufiltern, um eine Empfindlichkeit gegenüber Laserlicht zu verbessern. Die Ausgangssignale von den Detektoren bei allen im Vorhergehenden offenbarten Ausführungsbeispielen sind mit zugeordneten Prozessoren 42 gekoppelt. Das Ausgangssignal der CLDGNS-Antenne 16 weist das Ausgangssignal des Prozessors 42 in sich auf und dasselbe wird zur weiteren Verwendung und Bewertung zu der Verarbeitungseinheit 18 geliefert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 können die Sensoren 60 bei präzise bekannten Positionen entlang des Trägers 36 vorgesehen sein. Informationen, die durch die Sensoren 60 geliefert werden, können durch die Verarbeitungseinheit 18 verwendet werden, um den Abstand von dem Sender 12 zu den Sensoren 60 zu bestimmen. Da die Berechnung Fachleuten gut bekannt ist, ist keine weitere Erörterung vorgesehen. Diese koaxiale Ausrichtung vereinfacht eine Implementierung, obwohl nicht koaxiale Implementierungen ebenfalls möglich sind.
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Bei den im Vorhergehenden offenbarten Ausführungsbeispielen der CLDGNS-Antenne 16 (1–4) sind jeder Laserdetektor und der Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements um einen bekannten und festen räumlichen Unterschied getrennt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Laserdetektoren und der Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements allgemein in der gleichen Ebene ausgerichtet, und bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind dieselben entweder koaxial oder in einer bekannten und vorgeschriebenen vertikalen und horizontalen Trennung ausgerichtet. Insbesondere der Z0-Abstand (und die X0-, Y0-Abstände, wenn notwendig) von jedem optischen Sensor 44 relativ zu dem Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements 32 ist fabrikeingestellt. Die CLDGNS-Antenne 16 verbessert entsprechend die Genauigkeit des PTC-Systems 10, indem verhindert wird, dass ein Betreiber einen Positionsfehler in die Verarbeitungseinheit 18 aufgrund einer fehlberechneten Messung zwischen den optischen Sensoren des Laserdetektors und dem Nennphasenmittelpunkt x des Antennenelements, die durch den Betreiber relativ zueinander getrennt platziert und angebracht wurden, eingibt. Zur weiteren Bequemlichkeit können die Versatzdaten als Teil der Einrichtprozedur des Steuersystems, wenn gewünscht, in das Steuersystem automatisch eingegeben werden.
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Bei allen vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die CLDGNS-Antenne 16 als entweder eine geodätische oder allgemein flache Scheibenform aufweisend dargestellt. Es ist jedoch offensichtlich, dass andere Satellitenantennen ebenso vorteilhaft mit den Konzepten der vorliegenden Erfindung verwendet sein können.
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Unter Bezugnahme auf 5a und 5b sind schließlich Ausführungsbeispiele eines verbesserten Positionsschätzsystems, das durch die CLDGNS-Antenne 16 vorgesehen ist, dargestellt und zeigen die Schnittstelle von Datenströmen, die durch die CLDGNS-Antenne 16 zu der Verarbeitungseinheit 18 geliefert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Prozessoreinheit oder der Prozessor 18 von dem Laserempfänger 40, dem GNSS-Empfänger 45 und dem wahlweisen Kipp- und/oder Bewegungsrichtungssensor 46 getrennt vorgesehen, wobei die zugeordneten Datenströme 62, 64 bzw. 66 derselben dem Prozessor 18, wie durch 5a dargestellt ist, fern (verdrahtet oder drahtlos) eingegeben werden. Bei dem durch 5b dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prozessor 18 ein Teil des GNSS-Empfängers 45, bei dem die Datenströme von dem Laserempfänger 40 und wahlweise dem Kipp- und/oder Bewegungsrichtungssensor 46 in den Prozessor 18 fern eingegeben werden. Es ist dementsprechend offensichtlich, dass der Prozessor oder die Verarbeitungseinheit 18 ein Teil eines GPS-Empfängers oder einer anderen Vorrichtung 68, wie z. B. eines Positionsverfolgungs- und Maschinensteuersystems, einer Maschinenführungs- und Planiersteuereinheit, sein kann oder dieselbe eine getrennte Einheit, die entweder die Fähigkeiten von solchen Vorrichtungen, Einheiten und Systemen vorsieht oder mit denselben schnittstellenmäßig verbunden ist, sein kann.
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Der GNSS-Empfänger 45 ist allgemein konfiguriert, um ein erstes Datenelement in dem Datenstrom 62, das sich auf eine erste Positionsschätzung des Antennenphasenmittelpunkts X eines Antennenelements 32 (2–4) bezieht, zu liefern. Der Laserempfänger 40 liefert ein zweites Datenelement in dem zweiten Datenstrom 64 von einem optischen Sensor, der bei einer bekannten Position fest relativ zu dem Antennenphasenmittelpunkt vorgesehen ist und der der ersten Positionsschätzung zugeordnet ist. Mit dem ersten und dem zweiten Datenelement kann der Prozessor 18 eine zweite Positionsschätzung berechnen und liefern. Alle solche Berechnungen sind detaillierter in der im Vorhergehenden erwähnten, ebenfalls anhängigen Anmeldung erklärt, und daher ist keine weitere Erörterung vorgesehen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich der derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben ist, ist offensichtlich, dass die Offenbarung nicht als begrenzend interpretiert werden sollte. Verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Kombinationen derselben sind Fachleuten ohne Zweifel offensichtlich, nachdem dieselben die vorhergehende Offenbarung gelesen haben. Es ist dementsprechend beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche als alle Veränderungen und Modifikationen, die in den wahren Geist und den Schutzbereich der Erfindung fallen, abdeckend interpretiert werden.