DE19963794B4

DE19963794B4 - Anordnung und Verfahren zur hochgenauen Winkelmessung

Info

Publication number: DE19963794B4
Application number: DE1999163794
Authority: DE
Inventors: Torsten Fritzel
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: Airbus DS GmbH
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: DE19963794A1

Abstract

Messanordnung zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Charakteristika von Einrichtungen (22) zur/mit Abgabe von gerichteten Strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Messsonde (28) zur Erfassung des Signals versehene, vor der Abgabeeinrichtung (22) schwebende zu platzierende Einrichtung (24) vorgesehen ist, deren Position durch zumindest eine Anordnung zur Positionsmessung, mit einem geodätischen Gerät (2), das mit einer Einrichtung (4) zur Abgabe eines definierten optischen Signals (6) sowie einer Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals (8) versehen ist, sowie mit zumindest einer reflektierenden, kugelsphärischen Reflexionsfläche (10) zur Reflexion des definierten optischen Signals (6) des geodätischen Gerätes (2) an der zu vermessenden Position bestimmbar ist, so dass die Reflexion des definierten optischen Signals für den Betrachter auf einen Punkt (12) reduziert ist, wobei der oder die sphärischen Reflexionsflächen (10) in einer definierten Relativposition zur schwebenden Einrichtung (24) vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur hochgenauen Winkelmessung sowie eine Messanordnung und ein Verfahren unter Einsatz der genannten Anordnung, wie durch die unabhängigen Patentansprüche beschrieben.

Es ist bekannt, für die Bestimmung der Position von Zielpunkten geodätische Geräte, wie z. B. Theodolite einzusetzen. Theodolite sind in unterschiedlichsten Variationen bekannt, wobei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere die Gruppe der Lasertheodolite von Interesse ist, bei denen ein von dem Lasertheodolit ausgehender Laserstrahl von einer geeigneten Optik, z. B. einem Prisma, am zu vermessenden Punkt reflektiert wird und aus der Art der Reflektion des Laserstrahles auf die Position des zu vermessenden Punktes geschlossen wird.

Herkömmliche Reflektoren, die beispielsweise die Form einer einfachen Brechungsebene, z. B. an einem Prisma, haben können, weisen den Nachteil auf, dass das Reflektionsbild aufgrund der Divergenz des von dem geodätischen Gerät ausgehenden Laserstrahles der geforderten Präzision für hochgenaue Messungen nicht genügen kann, wie sie beispielsweise in der Nahfeldmesstechnik zur Ausrichtung/Positionierung von Parabolantennen notwendig ist. Ferner ist durch die Optik üblicherweise nur ein begrenzter Winkelbereich darstellbar, so dass eine relativ genaue Verjustierung erforderlich ist.

DE 44 21 783 A1 beschreibt eine optische Einrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Lage einer reflektierenden Zielmarke. Hierzu wird die Zielmarke mit einem Scheinwerter beleuchtet und das von ihr reflektierte Licht mit einem Theodolit-Fernrohr und einem ortsauflösenden Vektor aufgenommen. Zur Erhöhung der Reichweite und zur Verbesserung der Messgenauigkeit wird dabei eine Kugel aus transparentem Material verwendet.

Die Druckschrift DE 195 43 321 A1 betrifft ein Verfahren in einer Einrichtung zum drahtlosen Austausch von Informationen zwischen Stationen, wobei für die leistungsoptimierte Funk/Relais-Verbindung zwischen insbesondere einer niedrig operierenden und rasch navigierenden flugkörperfesten Station und einer abgesetzten Bodenstation der apparative und zeitliche Aufwand für eine Antennennachführung von der Flugkörperstation zur Relais-Station dadurch verringert wird, dass die herkömmliche Gewinnung einer Nachfühnichtungsinformation an Bord des Flugkörpers im Wege der Peilung ersetzt wird durch eine Berechnung der Richtungsinformation aus einem Vergleich der aktuellen Ortsdaten der navigierenden Station und der Relais-Station. Aufgabe der technischen Lehre der DE 195 43 321 A1 ist es, die Nachführung von Antennen bei schnell manövrierenden Stationen wie etwa Sende- oder Empfangseinrichtungen an Bord von in niedriger Höhe über dem Grund operierendem Fluggerät dahingehend weiterzubilden, dass auch eine unter raschen Ortswechseln operierende Station im Interesse günstiger Funkübertragungsgegebenheiten mit einer stets optimalen Antennennachführung arbeitet.

Henß, p., "Hubschrauber-Messung der Strahlungsdiagramme von Sendeantennen", ntz 40 (1987) Heft 4, S. 258 – 261 beschreibt ein Verfahren, bei dem Strahlungsdiagramme von einem Hubschrauber aus gemessen und anschließend von einem Rechner ausgewertet werden. Hierbei erfolgen die Messungen im Fernfeld der Sendeantenne.

Die Nahfeldmesstechnik wird bevorzugt eingesetzt bei Antennen im Frequenzbereich von ca. 0,5 bis max. 20GHz. Bei dieser Meßmethode wird das unmittelbare elektromagnetische Nahfeld einer Antenne vermessen und mit einer Nahfeld (NF) zu Fernfeld (FF) Transformation in das Fernfeld mittels Fast Fourier Transformation (FFT) umgerechnet. Der Vorteil der Vermessung des Nahfeldes einer Antenne liegt in den kompakten Abmessungen der notwendigen Antennenmessanlagen, die auf diese Weise in Antennenmesskammern integriert werden kön nen.

Im Gegensatz dazu sind Fernfeldmessanlagen aufgrund ihrer Abmessungen zwangsläufig Außenanlagen, wobei diese durch Reflektionen aus der Umgebung, durch Geländeformationen, Gebäude, etc. in wesentlich stärkerem Umfang fehlerbehaftet sind und meist über einen geringeren Dynamikbereich verfügen.

Ein weiterer Vorteil der Nahfeldmeßtechnik ist, daß infolge einer Nahfeldaufnahme sämtliche Fernfeldschnitte berechnet werden können, während die einmal gemessenen Fernfeldschnitte fix sind und die Antenne für weitere Fernfeldschnitte zu einem späteren Zeitpunkt, wieder neu vermessen werden muß.

Das Nahfeld wird entsprechend dem Abtasttheorem in < λ/2 Abständen abgescannt, wobei die gesamte von der Antenne abgegebene elektromagnetische Strahlung bis auf ca. –45db detektiert werden muß, da die Gesamtheit dieser Meßpunkte Einfluß auf jeden einzelnen errechneten Fernfeldpunkt hat.

Zur Vermessung von omnidirektionalen Antennen werden in der Regel sphärische Scanner eingesetzt, die das Nahfeld der zu vermessenden Antenne auf einer Kugeloberfläche abscannen. Bei Richtantennen kann auf die aufwendigen sphärischen Scanner verzichtet werden, solange sichergestellt ist, daß sämtliche Strahlungsanteile bis –45db auf einer Zylinderoberfläche oder auf einer planaren Fläche detektiert werden können. Da z.B. in der Telekommunikation hauptsächlich Richtantennen (Parabolantennen) verwendet werden, fällt die Wahl in diesem Bereich meistens auf zylindrische Nahfeldmeßanlagen oder Planaranlagen.

Da bei der NF zu FF Transformation neben den Amplitudenwerten der einzelnen Meßpunkte auch ganz wesentlich die Phaseninformation mit eingeht, sollte ein Scanner, je nach Typ, möglichst ideal entweder eine Kugeloberfläche, einen Zylinder oder eine planare Fläche mit einer Meßsonde abscannen können, da die NF zu FF Transformation mathematisch von diesem Idealfall ausgeht. Fehlerbeiträge durch den Scanner einer Nahfeldmeßanlage sollten eine Abweichung von λ/50 von der Idealkontur nicht übersteigen Bodenstationsantennen mit z.B. 14m Antennendurchmesser mit einer Planarmeßanlage vermessen werden sollen, bedeutet dies, daß diese Genauigkeit auf einer Fläche von mindestens 20m × 20m erfüllt sein muß.

Nahfeldscanner sollten radartechnisch möglichst unsichtbar sein, was meist im Widerspruch zu dem mechanischen Aufwand für solche Scanner steht und in der Regel nur durch entsprechende Absorberverkleidungen erzielt werden kann.

Um ein Maximum an Phasengenauigkeit der Messung zu erhalten, sollte eine Datenaufnahme sämtlicher Meßpunkte möglichst schnell erfolgen, um Phasendriften über die Zeit möglichst gering zu halten.

Ausgehend von dein genannten Beispiel mit einer abzutastenden Fläche von 20m × 20m und einem Meßpunktabstand von 75mm ergeben sich bei einer Verteilung von 267 Meßpunkten in der Breite und 267 über die Höhe der Antenne insgesamt zumindest 71.289 Meßpunkte. Aus dieser Überschlagsrechnung ist ersichtlich, daß es einen nicht zu vertretenden Aufwand bedeuten würde, jeden einzelnen der Meßpunkte anzufahren, so daß die Messung während der Fahrt beim Passieren der Meßposition erfolgen muß. Bei einer Scangeschwindigkeit von 100 mm/sek würde die Datenaufnahme dabei ca. 15 Stunden in Anspruch nehmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur hochgenauen Winkelmessung sowie eine Meßanordnung und ein Verfahren unter Einsatz der genannten Anordnung vorzusehen, mit der sich eine sehr genaue Winkelmessung bzw. eine Ausrichtung/Positionierung einer Abstrahleinrichtung, wie z.B. einer Antenne, bei verhältnismäßig geringem Aufwand durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst, wobei zweckmäßige Ausführungsformen durch die Merkmale der abhängigen Unteransprüche beschrieben sind.

Vorgesehen ist eine Anordnung zur Positionsmessung, mit einem geodätischen Gerät, das mit einer Einrichtung zur Abgabe eines definierten optischen Signals sowie einer Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals versehen ist, sowie mit einer Einrichtung zur Reflektion des definierten optischen Signals des geodätischen Gerätes an der zu vermessenden Position, wobei sich diese Anordnung nach Maßgabe der Erfindung dadurch auszeichnet, daß die Einrichtung zur Reflektion des definierten optischen Signals durch eine reflektierende kugelsphärische Reflektionsfläche gebildet ist, so daß die Reflektion des definierten optischen Signals für den Betrachter auf einen Punkt reduziert ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann dabei derart ausgebildet sein, daß die Reflektionsfläche Teil einer verspiegelten Kugel ist.

Die Anordnung ist darüber hinaus vorzugsweise derart ausgebildet, daß die geodätische Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals mit einem konkaven Primärspiegel, einem konvexen Sekundärspiegel sowie einer in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode zur Erzeugung eines Ablesesignals versehen ist. Alternativ zu den Spiegeln sind auch andere optische Systeme wie Reflektoren einsetzbar.

Weiterhin kann die Anordnung derart ausgebildet sein, daß der Sekundärspiegel im wesentlichen im Brennpunkt des Primärspiegels und die Positionsdiode dem Sekundärspiegel gegenüber im Bereich des Primärspiegels plaziert ist, wobei die Positionsdiode vorzugsweise hinter einer Öffnung im Primärspiegel plaziert ist, durch die das im Sekundärspiegel fokussierte, reflektierte optische Signal hindurchgeht.

Ebenso bevorzugt sind jeder Reflektionseinrichtung zwei geodätische Geräte zugeordnet, so daß eine Kreuzpeilung ermöglicht ist.

Das von dem geodätischen Gerät abgegebene optische Signal ist vorzugsweise ein Laserstrahl, insbesondere ein leistungseinstellbarer und/oder modulierbarer Laserstrahl, wobei das geodätische Gerät mit hochgenauen Winkelencodern in Azimut und Elevation versehen sein kann, zur dyamisch genauen Erfassung der Anpeilwinkel zu dein jeweiligen Reflektor. Beispielhaft können beim Einsatz von zwei Laserstrahlen diese mit unterschiedlicher Frequenz moduliert werden, so daß eine Identifikation des reflektierten Signals möglich ist. Ferner ist bei einer insbesonders bevorzugten Ausführungsform möglich, die Leistungseinstellungsmöglichkeit abhängig von der Entfernung zwischen Laserquellereflektor und Positionsdiode, wodurch sich eine Beschädigung der Diode durch übermäßige Lasereinstrahlung vermeiden läßt. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt für den Laserstrahl einen Halbleiterlaser einzusetzen, wobei die Modulation alternativ oder unterstützend auch durch Frequenzfilter dargestellt werden kann.

Ebenfalls vorgesehen ist eine Meßanordnung zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Charakteristiken von Einrichtungen zur/mit Abgabe von gerichteten strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen, die sich nach Maßgabe der Erfindung dadurch auszeichnet, daß eine mit einer Meßsonde zur Erfassung des Signals versehene, vor der Abgabeeinrichtung schwebend zu platzierende Einrichtung vorgesehen ist, deren relative momentane Meßposition durch zumindest eine Anordnung zur Positionsmessung, wie weiter oben beschrieben, erfaßbar ist, wobei der oder die sphärischen Reflektionsflächen in einer definierten Relativposition zur schwebenden Einrichtung vorgesehen sind.

Diese Meßanordnung ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, daß drei der genannten Anordnungen vorgesehen sind, mit drei an der schwebenden Einrichtung in definierter Relativposition vorgesehenen Reflektionsflächen.

Die Meßanordnung selbst ist in der Lage in an und für sich bekannter Weise elektromagnetische Charakteristiken zu erfassen, wobei zu diesem Zweck üblicherweise eine Meßsonde zum Einsatz kommt. Somit kann eine wechselseitige Beziehung zwischen elektromagnetischer Messung, Meßort und/oder Position der abstrahlenden Einrichtung erzielt werden. Durch die hoch genaue relative Bestimmung der drei Parameter: Position, Feld und Felderzeugung, ist es in einfacher Weise möglich, eine Vielzahl von hoch genauen Messungen durchzuführen, wobei die Meßsonde beispielhaft unter Einsatz der eingangs beschriebenen Nahfeldmeßtechnik betrieben werden kann.

Die Größe und Masse der schwebenden Einrichtung im Verhältnis zu der zu positionierenden Abgabeeinrichtung ist dabei vorzugsweise klein gewählt, da Objekte in einem zu vermessenden elektromagnetischen Feld zu erheblichen Meßfehlern führen können. Um dieser Forderung gerecht zu werden, bietet es sich an z.B. einen Miniaturhubschrauber als schwebende Einrichtung vorzusehen, wobei aber auch andere Alternativen, wie gesteuerte Ballone, Zeppeline, o.ä. denkbar sind, die vorzugsweise funkferngesteuert sind.

Weiterhin bevorzugt ist, daß eine der sphärischen Reflektionsflächen an der Meßsonde angeordnet ist. Um eine möglichst exakte Übereinstimmung zwischen der elektromagnetischen Messung und der Positionsbestimmung bzw. -ausrichtung der abstrahlenden Einrichtung zu erhalten, sollte das Phasenzentrum der Meßsonde so nah als möglich bei dem Mittelpunkt der. sphärischen Reflektionsfläche liegen, wobei ein Optimum an Genauigkeit erhalten wird, wenn Kugelmittelpunkt und Phasenzentrum übereinstimmen. Bei der Abgabeeinrichtung handelt es sich darüber hinaus vorzugsweise um eine Antenne und im spezielleren um eine Parabolantenne oder eine Array-Antenne.

Vorgesehen ist des weiteren ein Verfahren zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Charakteristiken von Einrichtungen zur/mit Abgabe von gerichteten strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen, gekennzeichnet durch:

– die schwebende Anordnung einer mit einer Meßsonde zur Erfassung des Signals sowie mit zumindest drei Laserreflektoren versehenen, insbesondere ferngesteuerten Einrichtung vor der Abstrahleinrichtung;
– die Bestimmung der Position eines jeden Laserreflektors jeweils mit hochgenauen Winkelmeßgeräten in Azimut und Elevation;
– die automatische Zielverfolgung eines jeden Laserreflektors durch einen von dem Winkelmessgerät ausgehenden Laserstrahl;
– die Reflektion dieses Laserstrahls an dem jeweiligen an der schwebenden Einrichtung montierten Laserreflektor auf das Winkelmessgerät;
– die Abbildung des reflektierten Laserstrahles durch ein im Winkelmessgerät befindliches optisches Teleskop auf einer in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode; und
– die Erzeugung eines Ablagesignals und Einspeisung in einen Regelkreis, der die Abstrahleinrichtung in Azimut und Elevation nachführt.

Jeder Laserreflektor wird dabei vorzugsweise durch zwei Winkelmeßgeräte angepeilt, wobei die Koordinaten des jeweiligen Laserreflektors in den drei Raumdimensionen bestimmt werden und aus den Koordinaten der Laserreflektoren dynamisch die Ist-Position und die Ist-Lage aller sechs Freiheitsgrade der schwebenden Einrichtung insbesondere in Echtzeit bestimmt wird.

Vorzugsweise wird die Ist-Position und die Ist-Lage aller sechs Freiheitsgrade der schwebenden Einrichtung mit der vorgegebenen Soll-Position und Soll-Lage verglichen und in einer Regelschleife mit der Steuerung der schwebenden Einrichtung ausgeregelt, wobei gegebenenfalls auch die Stabilisierung oder Positionierung der Meßsonde/des Reflektors berücksichtigt werden kann. Die Anordnung aus Laserreflektoren und/oder Meßsonde kann vorteilhafterweise an der schwebenden Einrichtung in solch einer Weise vorgesehen sein, daß eine winkelmäßige Einstellung, ein Verschwenken oder auch eine Stabilisierung möglich ist um zum Beispiel auch bei starkem Wind eine gewünschte Ausrichtung unabhängig von einer Schräglage der schwebenden Einrichtung, zum Beispiel einem Helikopter, zu gewährleisten. Insbesondere kann sowohl eine Stabilisierung für kleine Winkelausschläge vorgesehen sein, wie auch eine Positioniermöglichkeit, die der Relativposition zu der Abgabeeinrichtung Rechnung tragen kann. Diese Stabilisierung und/oder Positionierung kann vorteilhafterweise auch mit dem Meßregelkreis zusammenwirken, so daß ein entsprechendes Nachführen dargestellt werden kann. Hierdurch läßt sich somit ein Toleranzenausgleich und somit eine Beschleunigung der einzelnen Messungen erzielen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind u.a.:

– Hohe Positioniergenauigkeit von ca. 2,0 mm auf 50 m
– Große Positionierbereiche bis zu 100m Kantenlänge eines Würfels
– Hohe Positioniergeschwindigkeit < 1,0 min über 100 m Positionierstrecke
– Hochgenaue Erfassung aller 6 Freiheitsgrade von 0,5 mm und 1,0 Winkelminuten auf 50m Entfernung
– Geeignet für Anwendungen im Außenbereich
– Mobilität
– Geringerer Installationsaufwand
– Breites Anwendungsspektrum (Antennenvermessungen, Radar-Rückstreumessung, EMV-Messungen, Umweltmessungen, etc.)

Neben den oben aufgeführten Merkmalen kann es bei der vorliegenden Erfindung von Vorteil sein, wenn man bei der Abbildung des reflektierten Laserstrahls eine Autofokussiereinrichtung vorsieht, wobei dies die schnelle Erfassung von einzelnen Meßpunkten und die Genauigkeit derselben unterstützt. Ferner ist zu erwähnen, daß auch die Relativposition der Diode im Anzeigebereich ausgewertet werden kann, um die Meßgenauigkeit noch weiter zu erhöhen.

Schließlich sollte der Fachmann erkennen, daß obwohl in der vorliegenden Anmeldung von einer abstrahlenden Einrichtung gesprochen wird, die Erfindung selbstverständlich in Umkehrung/Ergänzung auch auf den Fall einer Empfangsanlage oder auch einer feldverändernden, insbesondere reflektierenden, Einrichtung Anwendung finden kann, wobei entsprechend die Meßsonde durch einen Signalsender zu ersetzen/ergänzen wäre.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Anordnung zur Positionsmessung;
2 die schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der Meßanordnung zur Positionierung;
3 bis 5 die Ansicht einer Ausführungsform der schwebenden Einrichtung gemäß der Ausführung nach 2
6 die Meßanordnung nach 2 in der Draufsicht;
7 die Meßanordnung nach 2 in der Vorderansicht; und
8 eine schematische Darstellung des Regelungs- und Steuerungskonzeptes.
Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Positionsmessung, mit zwei geodätischen Geräten 2, hier optischen Theodoliten, die jeweils mit einer Einrichtung 4 zur Abgabe eines definierten optischen Signals 6, hier ein Laserstrahl, sowie einer Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals 8 versehen ist, sowie mit einer Einrichtung 10 zur Reflektion des definierten optischen Signals 6 des geodätischen Gerätes 2 an der zu vermessenden Position, wobei die Einrichtung 10 zur Reflektion des definierten optischen Signals 6 hier durch eine reflektierende bzw. verspiegelte Kugel 10 gebildet ist, so daß die Reflektion des definierten optischen Signals 6 für den Betrachter auf einen Punkt 12 reduziert ist.
Wie der 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist die geodätische Einrichtung 2 zum Empfang des reflektierten optischen Signals 8 mit einem konkaven Primärspiegel 14, einem konvexen Sekundärspiegel 16 sowie einer in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode 18 zur Erzeugung eines Ablesesignals versehen. Der Sekundärspiegel 16 ist dabei im Brennpunkt des Primärspiegels 14 angeordnet, wobei die Positionsdiode 18 dem Sekundärspiegel 16 gegenüber im Bereich des Primärspiegels 14 hinter einer Öffnung 20 im Primärspiegel plaziert ist, durch die das im Sekundärspiegel 16 fokussierte, reflektierte optische Signal 8 hindurchgeht. Das geodätische Gerät 2 ist in der dargestellten Ausführungsform mit hochgenauen Winkelencodern und Nachführantrieben in Azimut und Elevation versehen, zur dyamisch genauen Erfassung/Nachführung der Anpeilwinkel zu dem jeweiligen Reflektor, mit Hilfe der Positionsdioden 18.
Die 2 zeigt die Ausführungsform einer Meßanordnung zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung einer Einrichtung zur Abgabe von gerichteten strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen, hier einer Parabolantenne 22, wobei bei der Meßanordnung der dargestellten Ausführungsform eine mit einer Meßsonde zur Erfassung des Signals der Antennen 22 versehene, vor derselben schwebende Einrichtung 24 vorgesehen ist, deren Position durch eine Anzahl von Anordnungen zur Positionsmessung, wie in der 1 dargestellt, erfaßbar ist. Der 2 sind dabei sechs optische Theodoliten 2 zu entnehmen, wobei die von diesen ausgehenden Laserstrahlen 6 auf an der vor der Antenne 22 schwebenden Einrichtung 24 befestigt Reflektoren gerichtet sind.
Die 3 bis 5 zeigen die schwebende Einrichtung 24 der Ausführungsform nach 2 in größerem Detail. Zu erkennen ist dabei, daß hier ein, vorzugsweise miniaturisierter, Hubschrauber Verwendung findet, der mit drei verspiegelten Kugeln 10, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, versehen ist, die an Auslegern 26 bzw. an der Meßsonde 28 zur Erfassung des Antennensignales, in einer definierten Position zu dem Hubschrauber befestigt sind. Der Miniaturhubschrauber kommt bei der dargestellten Ausführungsform daher zum Einsatz, da er geeignet ist, eine stabile schwebende Position vor der zu vermessenden Antenne 22 einzunehmen, dieser gegenüber eine geringe Masse hat, so daß praktisch keine Meßfehler durch den Hubschrauber zu erwarten sind, und sich mit einfacher und jederzeit verfügbarer Technik steuern läßt.
Um den Meßfehler noch weiter zu reduzieren, kann eine nicht dargestellte Positionier und/oder Stabilisiereinrichtung vorgesehen sein, die eine gewisse Entkopplung bezüglich des Hubschraubers darstellt und eine nahezu willkürliche Position desselben mit Bezug auf die abstrahlende Einrichtung ermöglicht: Wenn zum Beispiel der Hubschrauber über der abstrahlenden Einrichtung vorliegt, so sollte die Meßsonde im wesentlichen nach unten ausgerichtet vorliegen.
Die 6 und 7 zeigen die Ausführungsform der 2 in Draufsicht und Vorderansicht, wobei gleiche Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
Die Messanordnung nach Maßgabe der 2 bis 7 arbeitet derart, daß die Positionen der Laserreflektoren 10, die an dem Hubschrauber befestigt sind, jeweils mit zwei der hochgenauen Winkelmeßgeräte 2 in Azimut und Elevation bestimmt werden. Eine automatische Zielverfolgnng erfolgt dabei durch den aus dem jeweiligen Winkelmessgerät bzw. optischen Theodoliten 2 ausgesandten Laserstrahl 6.
Beim Einsatz von mehreren Laserstrahlen sollten diese voneinander unterscheidbar sein. Zu diesem Zweck können zum Beispiel modulierbare Halbleiterlaser oder auch Laser mit nachgeschalteten Frequenzfiltern zum Einsatz kommen, so daß jeder Laserstrahl über spezifische eigene Charakteristiken verfügt, die dessen Identifikation erlauben.
Dieser Laserstrahl 6 wird an einem der am Hubschrauber montierten Laserreflektoren 10 reflektiert und durch das im jeweiligen Winkelmeßgerät 2 befindliche optische Teleskop 14, 16 auf der in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode 18 abgebildet. Durch eine Bewegung des Hubschraubers und somit der Laserreflektoren 10, wird ein Ablagesignal erzeugt und in einen Regelkreis eingespeist, der eine Nachführung mittels nicht dargestellter Nachführantriebe in Azimut und Elevation veranlaßt. Hochgenaue Winkelencoder in Azimut und Elevation (nicht dargestellt) liefern dyamisch genau die Anpeilwinkel zu dem jeweiligen Laserreflektor 10. Da, wie in den 2, 6 und 7 dargestellt, jeweils zwei Winkelmeßgeräte 2 den selben Laserreflektor 10 anpeilen, können die Koordinaten des jeweiligen Laserreflektors 10 in den drei Raumdimensionen bestimmt werden. Aus den Koordinaten der drei Laserreflektoren 10 wird sodann dynamisch die Ist-Position und die Ist-Lage aller sechs Freiheitsgrade des Hubschraubers 24 bestimmt. Diese Information wird mit der vorgegebenen Soll-Position und Soll-Lage verglichen und in einer Regelschleife mit der Hubschraubersteuerung ausgeregelt. Durch dieses Verfahren kann der Hubschrauber bzw. die an diesem montierte Meßsonde 28 zur Erfassung des gerichteten Signals der Antenne 22 in allen 6 Freiheitsgraden in Höhen bis 100m mit größter Genauigkeit positioniert werden. Der Downlink von dem Hubschrauber 24 als schwebender Einrichtung erfolgt nach bekannten Konzepten, wobei die Kopplung über eine dehnungsfehlerbereinigte Glasfaseranordnung bevorzugt ist. Es ist jedoch in jedem Fall darauf zu achten, daß hierdurch kein Fehler, wie z.B. eine Phasenverschiebung auftritt.
In der 8 ist das Regelungs- und Steuerkonzept der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Winkelmeßgeräte 2 sind mit Positionsrechnern 30 verbunden, die die jeweilige Position eines Reflektors 10 in Real Time berechnen. Die derart ermittelten Positionsdaten werden an den Positionsrechner 32 der schwebenden Einrichtung 24 übermittelt. An dein Punkt 34 werden die Ist-Werte für Position und Lage eingespeist, woraufhin bei 36 ein Soll/Ist-Vergleich bezüglich Position und Lage der unter Berücksichtigung der aus der Anwendung stammenden Soll-Werte 38 für Position und Lage erfolgt und auf der Basis dieses Vergleiches Stellgrößen für die Hubschraubersteuerung 40 erzeugt werden, die über eine Fernsteuerung 42 an den Hubschrauber 24 übermittelt werden.
Mit der Anordnung nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung läßt sich in einfacher und vorteilhafter Weise eine hohe Positioniergenauigkeit auch bei großen Positionierbereichen auch in Echtzeit erzielen, wobei gleichzeitig hohe Positioniergeschwindigkeiten und eine hochgenaue Erfassung aller 6 Freiheitsgrade sowie von elektromagnetischen Charakteristiken möglich ist. Die Anordnung und das Verfahren sind dabei geeignet für Anwendungen im Außenbereich, gewährleisten Mobilität, benötigen einen geringen Installationsaufwand und haben ein breites Anwendungsspektrum (Antennenvermessungen, Radar-Rückstreumessung, EMV-Messungen, Umweltmessungen, etc.).

Claims

Messanordnung zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Charakteristika von Einrichtungen (22) zur/mit Abgabe von gerichteten Strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Messsonde (28) zur Erfassung des Signals versehene, vor der Abgabeeinrichtung (22) schwebende zu platzierende Einrichtung (24) vorgesehen ist, deren Position durch zumindest eine Anordnung zur Positionsmessung, mit einem geodätischen Gerät (2), das mit einer Einrichtung (4) zur Abgabe eines definierten optischen Signals (6) sowie einer Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals (8) versehen ist, sowie mit zumindest einer reflektierenden, kugelsphärischen Reflexionsfläche (10) zur Reflexion des definierten optischen Signals (6) des geodätischen Gerätes (2) an der zu vermessenden Position bestimmbar ist, so dass die Reflexion des definierten optischen Signals für den Betrachter auf einen Punkt (12) reduziert ist, wobei der oder die sphärischen Reflexionsflächen (10) in einer definierten Relativposition zur schwebenden Einrichtung (24) vorgesehen sind.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche Teil einer verspiegelten Kugel (10) ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Empfang eines optischen Signals mit einem konkaven Primärspiegel (14), einem konvexen Sekundärspiegel (16) sowie einer in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode (18) zur Erzeugung eines Ablesesignals versehen ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärspiegel (16) im wesentlichen im Brennpunkt des Primärspiegels (14) und die Positionsdiode (18) dem Sekundärspiegel (16) gegenüber im Bereich des Primärspiegels (14) platziert ist.
Messanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsdiode (18) hinter einer Öffnung (20) im Primärspiegel (14) platziert ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reflexionseinrichtung (10) zwei geodätische Geräte (2) zugeordnet sind, so dass eine Kreuzpeilung ermöglicht ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem geodätischen Gerät (2) abgegebene optische Signal ein Laserstrahl (6) ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geodätische Gerät (2) mit hochgenauen Winkelencodern in Azimut und Elevation versehen ist, zur dynamisch genauen Erfassung der Anpeilwinkel zu dem jeweiligen Reflektor (10).
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei reflektierende, kugelsphärische Reflexionsflächen (10) zur Reflexion des definierten optischen Signals (6) des geodätischen Gerätes (2) an der zu vermessenden Position vorgesehen sind.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Masse der schwebenden Einrichtung (24) im Verhältnis zu der zu positionierenden Abgabeeinrichtung (22) klein ist.
Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die schwebende Einrichtung (24) ein Miniaturhubschrauber ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der sphärischen Reflexionsflächen (10) an der Messsonde (28) angeordnet ist, wobei das Phasenzentrum der Sonde mit dem Mittelpunkt der sphärischen Reflexionsfläche zusammenfällt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinrichtung eine Antenne (22) oder eine feldverändernde, reflektierende Einrichtung ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwebende Einrichtung (24) ferngesteuert ist.
Verfahren zur hochgenauen Ausrichtung/Positionierung und/oder Erfassung von elektromagnetischen Charakteristika von Einrichtungen (22) zur/mit Abgabe von gerichteten strahlungs- und/oder wellenförmigen Signalen über große Entfernungen, gekennzeichnet durch: – die schwebende Anordnung einer mit einer Messsonde (28) zur Erfassung des Signals sowie mit zumindest drei Laserreflektoren (10) versehenen, Einrichtung (24) vor der Abstrahleinrichtung (22); – die Bestimmung der Position eines jeden Laseneflektors (10) jeweils mit hochgenauen Winkelmessgeräten (2) in Azimut und Elevation; – die automatische Zielverfolgung eines jeden Laserreflektors (10) durch einen von dem jeweiligen Winkelmessgerät (2) ausgehenden Laserstrahl (6); – die Reflektion dieses Laserstrahls (6) an dem jeweiligen an der schwebenden Einrichtung (24) montierten Laserreflektor (10) auf das Winkelmessgerät (2); – die Abbildung des reflektierten Laserstrahles (8) durch ein im Winkelmessgerät (2) befindliches optisches Teleskop auf einer in zwei Dimensionen sensitiven Positionsdiode (18); und – die Erzeugung eines Ablagesignals.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Laserreflektor (10) durch zwei Winkelmessgeräte (2) angepeilt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten des jeweiligen Laserreflektors (10) in den drei Raumdimensionen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Koordinaten der Laserreflektoren (10) dynamisch die Ist-Position und die Ist-Lage aller sechs Freiheitsgrade der schwebenden Einrichtung (24) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Position und die Ist-Lage aller sechs Freiheitsgrade der schwebenden Einrichtung (24) mit der vorgegebenen Soll-Position und Soll-Lage verglichen und in einer Regelschleife mit der Steuerung der schwebenden Einrichtung (24) ausgeregelt wird.