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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer Tunnelbohrmaschine.
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Aus
DE 10 2010 021 818 A1 ist eine Vorrichtung zum Vermessen eines Tunnels bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind eine Anzahl von Sensoreinheiten vorgesehen, die entlang des zu vermessenden Tunnels angeordnet sind. Die Sensoreinheiten sind zum Teil fest an einer Tunnelwand angebracht und zum Teil beweglich auf einem Fahrzeug angeordnet, das innerhalb eines zu vermessenden Tunnels beweglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eine Tunnelbohrmaschine anzugeben, mit der bei einem relativ einfachen Aufbau insbesondere auch die Position einer Tunnelbohrmaschine mit einem verhältnismäßig geringen Querschnitt bestimmbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass endseitig angeordnete Referenzeinheiten vorhanden und die Sensoreinheiten in einer Vortriebsrichtung hintereinander verteilt angeordnet sowie dabei vorzugsweise an freistehenden Trägermodulen angebracht sind, die entlang eines Tunnelraums angeordnet sind, und dass die Sensoreinheiten durch Vorwärtsmessungen und Rückwärtsmessungen zum Bestimmen ihrer relativen Lage sowie Abstände zu benachbarten Sensoreinheiten eingerichtet sind, lässt sich über die Zentraldatenverarbeitungseinheit eine Position einer Tunnelbohrmaschine automatisiert insbesondere auch bei einer für einen Menschen schlechten oder gar unmöglichen Zugänglichkeit eines Tunnels mit einem relativ geringen Querschnitt verhältnismäßig schnell bestimmen.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einer Tunnelbohrmaschine,
- 2 in einer schematischen Stirnansicht den Aufbau bezüglich einer im Bereich einer Tunnelbohrmaschine endseitig angeordneten Referenzeinheit,
- 3 in einer schematischen Seitenansicht die Referenzeinheit gemäß 2,
- 4 in einer schematischen Seitenansicht den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Sensoreinheit gemäß der Erfindung,
- 5 in einer Stirnansicht die Sensoreinheit gemäß 4,
- 6 in einer Stirnansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit gemäß der Erfindung,
- 7 in einer perspektivischen Ansicht ein Trägermodul mit einer daran angebrachten Sensoreinheit und
- 8 in einer schematischen Ansicht eine Ausführung einer Anordnung von Sensoreinheiten und Referenzeinheiten zum Bestimmen der Position einer Tunnelbohrmaschine.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in seinen wesentlichen Komponenten zusammen mit weiteren, für einen Tunnelvortrieb erforderlichen Elementen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 verfügt über eine Anzahl von Sensoreinheiten 103, die entlang einer Vortriebsrichtung 106 in einem Tunnelraum 109 angeordnet sind. Die Sensoreinheiten 103 sind über eine erste Hybridleitung 112 miteinander verbunden, die dazu eingerichtet ist, die Sensoreinheiten 103 in hybrider Art und Weise mit elektrischer Energie zu versorgen sowie Daten zu übermitteln. Die erste Hybridleitung 112 steht mit einer ersten Zwischeneinheit 115 in Verbindung, die an eine Energieversorgungseinheit 118 angeschlossen ist.
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An die erste Zwischeneinheit 115 ist über eine zweite Hybridleitung 116 weiterhin eine Maschinenreferenzeinheit 121 als maschinenseitiger, erster Referenzeinheit angeschlossen. Die Maschinenreferenzeinheit 121 steht mit einer Tunnelbohrmaschine 124 in einer raumfesten Beziehung. Mit der Tunnelbohrmaschine 124 ist zum Vortreiben des Tunnelraums 109 an einer in Vortriebsrichtung 106 vorderseitig liegenden Ortsbrust anstehende Geologie abbaubar.
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Die erste Zwischeneinheit 115 steht über eine dritte Hybridleitung 127 mit einer zugangsseitigen zweiten Zwischeneinheit 130 in Verbindung, an die über eine vierte Hybridleitung 131 eine in einem Tunnelzugangsbereich 133 angeordnete Zugangsreferenzeinheit 136 als zugangsseitiger, zweiter Referenzeinheit mit bekannter Position und Lage angeschlossen ist.
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Die zweite Zwischeneinheit 130 ist über eine fünfte Hybridleitung 139 mit einer Zentraldatenverarbeitungseinheit 142 verbunden, die in einem Steuerstand 145, von dem aus unter anderem die Tunnelbohrmaschine 124 steuerbar ist, integriert ist.
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Bei dem anhand 1 erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Tunnelraum 109 von einem üblicherweise aus einer Anzahl von Rohrsegmenten aufgebauten Tunnelrohr 148 umschlossen, das mit der Tunnelbohrmaschine 124 in Vortriebsrichtung 106 vorgeschoben wird. Dabei werden in den Segmenten des Tunnelrohres 148 die Sensoreinheiten 103 angeordnet und zusammen mit den Segmenten des Tunnelrohres 148 in Vortriebsrichtung 106 bewegt. Dadurch sind entlang des Tunnelraums 109 eine Abfolge von Sensoreinheiten 103 angeordnet, die bis auf die endseitigen Sensoreinheiten 103 sowohl in einer Vorwärtsrichtung als auch in einer Rückwärtsrichtung benachbarte Sensoreinheiten 103 haben. Die endseitigen Sensoreinheiten 103 haben eine benachbarte Sensoreinheit 103 und eine benachbarte Referenzeinheit 121, 136.
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Die Tunnelbohrmaschine 124 ist mit einem Kreiselsensor 151 ausgestattet, der dazu eingerichtet ist, in Verbindung mit der Zentraldatenverarbeitungseinheit 142 die Position der Tunnelbohrmaschine 124 zu bestimmen. Dabei dienen die Sensoreinheiten 103 und die Referenzeinheiten 121, 136, wie weiter unten näher erläutert, zum Durchführen von Kontrollmessungen für das Einhalten eines gewünschten Verlaufs des Tunnelraums 109 mit einer gegebenenfalls erforderlichen Neureferenzierung des Kreiselsensors 151.
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2 zeigt in einer schematischen Stirnansicht mit Blick in Vortriebsrichtung 106 die für die tatsächliche Position der Tunnelbohrmaschine 124 signifikante Maschinenreferenzeinheit 121, wobei die anhand 1 erläuterte Zugangsreferenzeinheit 136 weitgehend entsprechend aufgebaut ist. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Maschinenreferenzeinheit 121 über eine erste Stirnseitenstrahlungsquelle 203 als eine Strahlungsquelle und über eine zweite Stirnseitenstrahlungsquelle 206 als eine weitere Strahlungsquelle verfügt, die verhältnismäßig nahe beieinander angeordnet und zweckmäßigerweise dazu eingerichtet sind, elektromagnetische Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich auszusenden. Die Stirnseitenstrahlungsquellen 203, 206 sind dabei üblicherweise nur alternativ in Betrieb, da die zweite Stirnseitenstrahlungsquelle 206 für den Fall eines Ausfalls der ersten Stirnseitenstrahlungsquelle 203 als Redundanz für die erste Stirnseitenstrahlungsquelle 203 dient.
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Weiterhin ist die Maschinenreferenzeinheit 121 mit einem Referenzprisma 209 ausgestattet, das dazu dient, insbesondere bei Beginn eines Vortriebs die Position der Maschinenreferenzeinheit 121 beispielsweise mit einer Totalstation, mit der sowohl Winkelmessungen als auch Streckenmessungen durchführbar sind, verhältnismäßig genau zu vermessen.
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Weiterhin lässt sich der Darstellung gemäß 2 entnehmen, dass die Maschinenreferenzeinheit 121 zum Bereitstellen eines Maßstabs mit einem Maßstabsteil 212 ausgestattet ist, das sich in Querrichtung erstreckt und endseitig mit einer ersten Abstandsstrahlungsquelle 215 als einer Strahlungsquelle sowie mit einer zweiten Abstandsstrahlungsquelle 218 als einer weiteren Strahlungsquelle ausgestattet ist. Die Abstandsstrahlungsquellen 215, 218 sind dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zweckmäßigerweise im nahen infraroten Spektralbereich abzugeben und weisen in Querrichtung einen vorbestimmten Abstand voneinander auf.
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3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den weiteren Aufbau der Maschinenreferenzeinheit 121, wobei der Aufbau der anhand 1 erläuterten Zugangsreferenzeinheit 136 bis auf das Nichtvorhandensein des Maßstabsteils 212 mit den Abstandsstrahlungsquellen 215, 218 weitgehend entsprechend ist. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Maschinenreferenzeinheit 121 über einen Zweiachseninklinometer 303 verfügt, der dazu eingerichtet ist, die Winkellage der Maschinenreferenzeinheit 121 bezüglich zwei zueinander rechtwinkliger Achsen zu bestimmen, so dass zum einen die Verrollung und zum anderen die Längsneigung der Maschinenreferenzeinheit 121 bestimmbar ist. Dadurch lässt sich die Einbaulage in Bezug auf die Rollachse des Tunnelrohres 148, in dem die Maschinenreferenzeinheit 121eingebaut ist, rechnerisch kompensieren. Über Anschlussbuchsen 306, 309 ist die Maschinenreferenzeinheit 121 mit der ersten Zwischeneinheit 115 verbindbar.
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Abweichend von der Ausgestaltung der Maschinenreferenzeinheit 121 gemäß 3 ist bei einer Abwandlung der Zugangsreferenzeinheit 136 kein Zweiachseninklinometer 303 vorgesehen, da die Position der Zugangsreferenzeinheit 136 zum Zeitpunkt einer geodätischen Referenzmessung durch manuelles Einmessen bekannt ist.
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4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit 103 gemäß der Erfindung, die mit der ersten Hybridleitung 112 in Verbindung steht. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Sensoreinheit 103 über eine Rückenseitenkamera 403 und über eine Frontseitenkamera 406 verfügt, die auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Sensoreinheit 103 angeordnet sind. Beidseitig der Rückseitenkamera 403 sind als Strahlungsquellen eine erste Rückseitenstrahlungsquelle 409 und eine zweite Rückseitenstrahlungsquelle 412 angeordnet, die dazu eingerichtet sind, elektromagnetische Strahlung zweckmäßigerweise im nahen infraroten Spektralbereich abzugeben. Entsprechend sind beidseitig der Frontseitenkamera 406 als Strahlungsquellen eine erste Frontseitenstrahlungsquelle 415 und eine zweite Frontseitenstrahlungsquelle 418 angeordnet, die ebenfalls dazu eingerichtet sind, elektromagnetische Strahlung zweckmäßigerweise im nahen infraroten Spektralbereich abzugeben.
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Die Rückseitenstrahlungsquellen 409, 412 und die Frontseitenstrahlungsquellen 415, 418 sind jeweils nur alternativ in Betrieb, da beispielsweise die zweite Rückseitenstrahlungsquelle 412 als Redundanz für die erste Rückseitenstrahlungsquelle 409 und die zweite Frontseitenstrahlungsquelle 418 als Redundanz für die erste Frontseitenstrahlungsquelle 415 vorgesehen sind.
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Die Sensoreinheit 103 ist mit einem Zweiachseninklinometer 421 ausgestattet, das wie das Zweiachseninklinometer 303 der Maschinenreferenzeinheit 121 dazu eingerichtet ist, die Neigungswinkel der Sensoreinheit 103 um zwei zueinander rechtwinkligen Achsen zu erfassen, um die einbaubedingte Längsneigung und die Verrollung der Sensoreinheit 103 zu bestimmen. Das Zweiachseninklinometer 421 dient dazu, die von der Sensoreinheit 103 gemessenen Raumwinkel auf den Horizont zu beziehen.
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Weiterhin lässt sich der Darstellung gemäß 4 entnehmen, dass die in 4 dargestellte Sensoreinheit 103 für den Fall, dass die betreffende Sensoreinheit 103 die dem Tunnelzugangsbereich 133 nächstbenachbarte Sensoreinheit 103 ist, mit einem Referenzprisma 424 ausgestattet ist, um bei Bedarf im Rahmen einer geodätischen Referenzmessung mit einer voranstehend bereits erläuterten Totalstation die exakte Position der Sensoreinheit 103 als hochpräzise Referenz zu bestimmen.
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Das Referenzprisma 424 ist an einem Prismenhalter 427 angebracht, an den auf der dem Referenzprisma 424 abgewandten Seite ein Maßstabsteil 430 angrenzt.
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5 zeigt in einer Stirnansicht die anhand 4 erläuterte Sensoreinheit 103 mit Blick auf die das Referenzprisma 424 tragende Stirnseite. Aus 5 ist ersichtlich, dass die Rückseitenstrahlungsquellen 409, 412 einander gegenüberliegend beidseitig der Rückseitenkamera 403 angeordnet sind, so dass die von einer Rückseitenstrahlungsquelle 409, 412 ausgesendete Strahlung von der Frontseitenkamera 406 der in Vortriebsrichtung 106 liegenden benachbarten Sensoreinheit 103 in ihrer relativen Winkellage erfassbar ist.
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Weiterhin ist aus 5 eine Abdeckung 503 erkennbar, mit der zum Schutz die Anschlüsse für das Maßstabsteil 430 abdeckbar sind.
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6 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Sensoreinheit 103 mit Blick auf die Frontseitenkamera 406. Aus 6 ist ersichtlich, dass sich das Maßstabsteil 430 beidseitig der Frontseitenkamera 406 in einer zu der Vortriebsrichtung 106 rechtwinklig ausgerichteten Querrichtung erstreckt und endseitig als Strahlungsquellen mit einer ersten Abstandsstrahlungsquelle 603 sowie mit einer zweiten Abstandsstrahlungsquelle 606 ausgestattet ist. Die Abstandsstrahlungsquellen 603, 606 sind dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zweckmäßigerweise im nahen infraroten Spektralbereich abzugeben und weisen in Querrichtung einen vorbestimmten Abstand voneinander auf. Die Abstandsstrahlungsquellen 603, 606 dienen, wie weiter unten näher erläutert, zum Bestimmen eines Abstands zwischen in Vortriebsrichtung 106 benachbarten Sensoreinheiten 103.
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Aus 6 ist ersichtlich, dass die Vorderseitenstrahlungsquellen 415, 418 einander gegenüberliegend beidseitig der Vorderseitenkamera 406 angeordnet sind, so dass die von einer Vorderseitenstrahlungsquelle 415, 418 ausgesendete Strahlung von der Rückseitenkamera 403 der entgegen der Vortriebsrichtung 106 liegenden benachbarten Sensoreinheit 103 in ihrer relativen Winkellage erfassbar ist.
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Zweckmäßigerweise sind die Strahlungsquellen 203, 206, 215, 218, 409, 412, 415, 418, 603, 606 als Leuchtdioden, sogenannte LEDs, ausgeführt.
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7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine innerhalb eines teilweise aufgeschnitten dargestellten Tunnelrohres 148 in dem Tunnel 109 angeordnete Sensoreinheit 103. Aus der Darstellung gemäß 7 ist ersichtlich, dass bei dieser Ausführung die Sensoreinheit 103 über eine Halteeinheit 703, in der die Sensoreinheit 103 lösbar fest verbaut ist, mit einem Trägermodul 706 in einer raumfesten Verbindung steht. Das Trägermodul 706 ist bei dieser Ausführung dazu eingerichtet, eine Anzahl von zum Versorgen der in 7 nicht dargestellten Tunnelbohrmaschine 124 eingerichteten Versorgungsleitungen 709, 712, 715 zu tragen. Dabei ist das Trägermodul 706 lösbar fest mit den Versorgungsleitungen 709, 712, 715 verbunden und liegt auf einer Bodenseite 718 des Tunnelrohres 148 auf. Dadurch ist die Lage der Sensoreinheit 103 in Vortriebsrichtung 106 fixiert.
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Nach dem Abschluss eines Vortriebs lassen sich die Versorgungsleitungen 709, 712, 715 zusammen mit den Trägermodulen 706, an denen die Sensoreinheiten 103 angebracht sind, herausziehen. Nach einem Bergen der Tunnelbohrmaschine 124 sind dann alle Komponenten für das Bestimmen der Position einer Tunnelbohrmaschine 124 wiederverwendbar.
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8 zeigt in einer anschaulichen Darstellung eine Anordnung von Sensoreinheiten 103 innerhalb eines Tunnelraums 109, der innerhalb eines in der Darstellung von 8 übertrieben stark gekrümmt verlaufenden Tunnelrohres 148 liegt. Aus der Darstellung gemäß 8 lässt sich entnehmen, dass mit den Frontseitenkameras 406 aus dem Abstand der Abstandsstrahlungsquellen 603, 606 der in Vortriebsrichtung 106 benachbarten Sensoreinheiten 103 beziehungsweise der Abstandsstrahlungsquellen 215, 218 der im Bereich der Tunnelbohrmaschine 124 angeordneten Maschinenreferenzeinheit 121 über ein Vorwärtsschnittverfahren mittels einer Winkelmessung der Lage der Abstandsstrahlungsquellen 603, 606 ein Sensoreinheitenabstand 803 bestimmbar ist.
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Dabei werden beim Bestimmen der Abstände zwischen benachbarten Sensoreinheiten 103 diese Abstände um die Einflüsse der Rollwinkel, also Drehungen um die Längsachse, und der Nickwinkel, also Drehungen um die Querachse, zwischen den Sensoreinheiten 103 korrigiert.
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Weiterhin sind sowohl entlang der Vortriebsrichtung 106 als auch entgegen der Richtung der Vortriebsrichtung 106 über eine Vorwärtsmessung und über eine Rückwärtsmessung mittels der Rückseitenkameras 403 beziehungsweise der Frontseitenkameras 406 die jeweiligen Winkellagen der aktiven Rückseitenstrahlungsquellen 409, 412 beziehungsweise der aktiven Frontseitenstrahlungsquellen 415, 418 beziehungsweise die aktiven Strahlungsquellen 203, 206 der Referenzeinheiten 121, 136 bestimmbar, so dass auch die Winkellagen 806, 809 zwischen benachbarten Sensoreinheiten 103 beziehungsweise zu den Referenzeinheiten 121, 136 bestimmbar sind.
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Der Abstand zwischen der in Vortriebsrichtung vorderseitigen Sensoreinheit 103 und der Maschinenreferenzeinheit 121ergibt sich rechnerisch aus deren dreidimensionalen Koordinaten, die als Vorgabe für eine geodätische Referenzmessung bestimmt werden.
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Mittels der Zentraldatenverarbeitungseinheit 142 ist dadurch die Position der Tunnelbohrmaschine 124 am in Vortriebsrichtung 106 vorderseitigen Ende des Tunnelraums 109 automatisch bestimmbar und insbesondere mit den Positionsdaten aus dem Kreiselsensor 151 vergleichbar. Bei Abweichungen zwischen den mittels der Vorrichtung gemäß der Erfindung gewonnenen, verhältnismäßig genauen Positionsdaten und den Positionsdaten aus dem Kreiselsensor 151 lässt sich bei Bedarf das Kreiselsensor 151 nachkalibrieren.
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Eine geodätischen Referenzmessung wird beispielhaft, aber vorzugsweise wie folgt durchgeführt.
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In einem ersten Messschritt werden die dreidimensionalen Koordinaten der Zugangsreferenzeinheit 136 und der der Zugangsreferenzeinheit 136 benachbarten Sensoreinheit 103 zweckmäßigerweise mit einer Totalstation geodätisch eingemessen und in der Zentraldatenverarbeitungseinheit 142 als Startpunkte hinterlegt.
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In nachfolgenden und sukzessive aufeinanderfolgenden zweiten Messschritten erfolgen Winkelmessungen ausgehend von der der Zugangsreferenzeinheit 136 benachbarten Sensoreinheit 103 in Vortriebsrichtung 106 zwischen benachbarten Sensoreinheiten 103.
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In einem dritten Messschritt erfolgt die Winkelmessung von der in Vortriebsrichtung 106 vorderseitigen, der Maschinenreferenzeinheit 121 gegenüberliegenden Sensoreinheit 103.
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Dabei werden in den zweiten Messschritten und bei dem dritten Messschritt nur diejenigen Strahlungsquellen aktiviert, die für die jeweilige Winkelmessung relevant sind. Alle anderen Strahlungsquellen sind währenddessen deaktiviert, um fehlerhafte Winkelmessungen durch Anvisieren nicht zu berücksichtigender Strahlungsquellen auszuschließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010021818 A1 [0002]
