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Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines vorzugs-
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weise beweglichen Objektes, insbesondere eines Wass erfahrz eugs Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positi-onsbestimmung eines vorzugsweise
beweglichen Ob-Objektes, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 definierten Gattung.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art weist die Impulsradar-Entfernungsmeßeinrichtung
eine dritte Sende- und Empfangseinheit auf, die an einem weiteren Referenzort aufgestellt
ist. Aus der gemessenen Entfernung von dem Objekt zu jedem der Referenzorte kann
durch geometrische Beziehungen die Lage des Objektes relativ zu den beiden Referenzorten
bestimmt werden. Aus den bekannten Koordinaten der Referenzorte lassen sich dann
die Ortskoordinaten des momentanen Objektstandortes ohne weiteres ableiten.
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Diese bekannte Vorrichtung erfordert zwei ortsfeste Referenzstationen
mit bekannten Koordinaten, die für genaue Meßergebnisse bei großen Entfernungen
zwischen Objekt und Referenzorten mbgl.ichs-t. weit voneinander entfern-t -liegeh
sollten. Neben dem erhöhten technischen Aufwand für zwei Referenzstationen treten
damit häufig - Schwierigkeiten beim Auffinden eines geeigneten Stari-dorters für
die zweite Referenzstation auf.
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Diese Schwierigkeiten werden bei einer weiteren bekannten Vorrichtung
zur Positionsbestimmung dadurch umgangen, daß an einer einzigen Referenzstation
ein schwenkbarer Lasersender und ein damit ausgerichteter Laserempfänger angeordnet
sind. An dem Objekt ist ein Reflektor für den Laserstrahl vorgesehen. Der Lasersender
sendet Laserimpulse aus.
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Zur Positionsbestimmung des Objekts wird der Lag er sender von einer
Referenzlinie aus so lange horizontal gedreht, bis die -Laerimpulse den Reflektor
treffen und damit von dort zu dem Laserempfänger reflektiert werden. Die Entfernung
zwischen Referenzort und Objekt wird durch die Messung der Laufzeit der Laserimpulse
vom Lasersender bis zum Laserempfänger ermittelt. Aus der Winkeldrehung und der
Entfernung läßt sich dann nach bekannten geometrischen Beziehungen die momentane
Position des Objektes bestimmen.
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Um für die Auswertung brauchbare Laserechos von dem Reflektor am Objekt
zu erhalten, massen die ausgesendeten Laserimpulse eine hohe Energiedichte aufweisen.
Solche energiereichen Laserimpulse können aber Bedienungspersonen auf dem Objekt
oder andem Referenzort erheblich gefährden, so daß solche Vorrichtungen nur in Ausnahmefällen
zugelassen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunden, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die nur eine einzige Referenzstation benötigt, eine genaue
Standortvermessung des Objekts selbst bei großen Entfernungen zwischen Objekt und
Referenzstation ermögLicht und dabei eine Gefährdung von
Bedienungspersonal
sicher ausschließt.
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Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines
vorzugsweise beweglichen Objektes, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert'selbst bei großen Reichweiten
sehr gute Vermessungsergebnisse, ohn-e daß extreme Anforderungen an das Richtvermögen
der Radar-Richtantenne oder an die Lichtleistungder opti-schen Winkelvermessung
ges-tellt werden.
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Einerseits brauc-ht der Öffnungswinkel der Radarantenne nur so klein
zu sein, um störende Reflexionen auszuschließen. Andererseits ist durch den hochkonzentrierten
Lichtsender und die lichtstarke Empfangsoptik nur eine geringe Lichtleistung für
die Winkelvermessung erforderlich, so -daß im Gegensatz zu der~ vorstehend beschriebenen
Vermessungsvorrichtung auf Laserbasis eine Gefährdung von Bedienungspersonen ausgeschlossen
ist. Die Erfassung des zu vermessenden- Objekts hinsichtlich der Entfernung und
des Winkels erfolgen von einer einzigen Referenzstation aus, die bei Vermessung
von Wasserfahrzeugen landseitig in Ufernähe aufgestellt ist.
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Die geringen Rüstzeiten für eine einzige Landstation ermöglichen eine
äußerst mobile Aufstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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-Eine vorteilhåfte Aus£ührungsfõrm der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
3. Durchs den rotierenden Träger für Lichtsender oder Lichtempfänger, wobei
vorzugsweise
der Lichts-epder mit dem rotierenden Träger gekoppelt ist, wid sowohl das selbständige
Auffinden als auch eine laufende- Verfolgung des sich bewegenden Objektes und somit
eine automatische Vermessung des momentanen Objektstandortes möglich. Die Vorrichtung
arbeitet selbsttätig, ohne daß noch zusätzliche Kontroll- oder Einstellarbeiten
vom Bedienungspersonal durchgeführt werden müssen.
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Eine voreilhafte Ausführungstorm der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 12. Durch diese Maßnahme wird ohne nennenswerten Mehraufwand eine gleichzeitige
Höhenvermessung des Objektes möglich.
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Nach einmaliger Justierung der Vorrichtung kann die vertikale Komponente
des Objektstandortes laufend vermessen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten die
weiteren, hier nicht explizit genannten Ansprüche, auf die ausdrücklich verwiesen
wird.
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Die Erfindung ist anhand eines in ar Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im) folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung
der prinzipiellen Aufstellung einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung an einem
Referenzort und auf einem fahrenden Vermessungsschiff, dessen Standort laufend vermessen
werden muß, Fig. 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Positionsbestimmung in
Fig. 1 in schematischer Darstellung.
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In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Positions- oder Ortsbestimmung
eines Objektes, wie sie zur laufenden Bestimmung des Standortes eines auf einem
Flußlauf fahrenden Vermessungsschiffes 10 verwendet wird, schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung ist dabei teilweise an einem kartographisch erfaßten Referenzort
11, wie er z. B. durch an Flußläufe vorhandenen Hektometersteinen 12 gegeben ist,
und teilweise auf dem Vermessungsschiff 10 aufgestellt.
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Wie in Fig. 2 im einzelnen zu erkennen ist, weist die Vorrichtung
zur Positionsbestimmung eine Impulsradar-Entfernungsmeßeinrichtung 13 und eine optische
Winkelmeßeinrichtung 14 4 auf. Die Impulsradar-Entfernungsmeßeinrichtung 13 besteht
aus einer auf dem Wasserfahrzeug 10 befindlichen ersten-Sende- und Empfangseinheit
15, aus einer an dem Referenzort 11 befindlichen zweiten Sende- und Empfangseinheit
16 und aus einer auf dem Vermessungsschiff 10 angeordneten Auswerteeinheit 17 zum
Messen der Laufzeit der Radarimpulse und zur Ausgabe der zu der Impulslaufzeit zugeordneten
Entfernung.
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Die erste Sende- und Empfangs einheit 15 auf dem Vermessungsschiff
10 ist der sog. Transponder und die zweite Sende- und Empfangs einheit 16 am Referenzort
11 der sog. Antwortgeber oder Responder.
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Ein von dem Radarsender der ersten Sende- und Empfangs einheit 15
(Transponder) ausgesendete Sende--impuls wird von dem Empfänger der zweiten Sende-und
Empfangs einheit 16 (Responder) aufgefaßt und lost im zugeliörigen Sender einen
sog. Antwortimpuls aus, der wiederum von dem Empfänger der ersten Sende- und'Empfangseinheit
15 (Transponder) aufgefaßt wird. Die Zeit, die vom Aussenden des Radarimpulses-
im Sender der ersten Sende- und -Empfangs-
einheit 15 bis zum Empfang
des Antwortimpulses im Empfänger der ersten Sender ruzb .Empfangseinheit 15 verstreicht,
wird von der Auswerteeinheit 17 gemessen und zur Berechnung der Entfernung zwischen
der ersten und zweiten Sende- und Emfangseinheit 15 bzw. 16 herangezogen. BeimF
$enden bzw. Empfang sind die jeweiligen Sender bzw, Empfänger über eine Weiche oder
einen Zirkulator Jo bzw. 19 mit einer Richtantenne 20 bzw. 21 verbunden, Für die
Entfernungsmessung ist eine Bündelung der Richtantennen 20 bzw.
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21 nur insoweit notwendig, um störende. Reflexionen von anderen Gegenständen
auszuschalten. Eine solche Impulsradar-Entfernungsmeßeinrichtung ist an sich bekannt.
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Die optische Winkelmeßeinrichtung 14 weist einen Lichtsender in Form
eines Lasersenders 22 und einen Lichtempfänger in Form eines Laserempfängers 23
auf. Der Lasersender 22 ist am Referenzort 11 und der Laserempfänger 23 auf dem
Wasserfahrzeug 10 angeordnet. Lasersender 22 und Laserempfänger 23 sind zumindest
kurzzeitig aufeinander ausrichtbar, wobei hier die zum Ausrichten erforderliche
Verdrehung des Lasersenders 22 von einem Winkelgeber 24 erfaßt wird. Die Winkelablage
der Ausrichtlinie von Lasersender 22 und Laserempfänger 23 von einer Referenzlinie
ist die Winkelkoordinate des Standortes des Vermessungsschiffes. 10. Im vorliegenden
Fall ist der Laserempfänger 23 feststehend angeordnet, und der Lasersender 22 auf
einem Träger 25 befestigt, der von einem Motor 26 synchron angetrieben wird. Mit
dem rotierenden Lasersender 22 läuft der Winkelgeber 24 synchron um, was am einfachsten
dadurch erreicht wird, daß der Winkelge-
ber 24 auf der Abtriebswelle
des Motors 26 bzw.
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auf der- Antriebswelle des Trägers 25 angeordnet ist. Der Winkelgeber
24 ist vorzugsweise als inkrementaler Drehgeber ausgebildet, wie er z, B.
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von der Fa. Dr. J. Heidenhain unter der Bezeichnung "ROD-Dréhgeber"
vertrieben wird. Zur genauen -Winkelvermes-sung weist die Sendeoptik 27 des Lasersenders
22 einen sehr-kleinen Öffnungswinkel auf, so daß der in der horizontalen Ebene rotierende
Lasersender 22 einen sehr scharf gebündelten Laserstrahl aussendet. In gleicher
Weise könnte auch der Laserempfänger 23 mit einer Empfangsoptik 28- ausgestattet
werden, die diesen kleinen Öffnungswinkel besitzt.
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Dem Winkelgeber 24 ist ein Winkelspeicher 29 nach geschaltet, der
jeweils den Momentanwert der Winkelablage des Winkelgebers 24 von seiner Ausgangsstellung
abspeichert. Wird ein inkrementaler Drehgeber al.s'Winkelgebe'r 24 verwendet, so
gibt dieser bei jeder Drehung um ein Inkrement einen Impuls ab.
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In diesem Fall ist es von Vorteil, den Winkelspeicher 29 als Impulszähler
mit Datenausgang auszubilden, wobei die momentane Winkelinformation als Summe aller
gezählten Impulse über den Datenausgang abrufbar ist. Der Abruf der Winkelinformation
erfolgt durch ein..-A?usgangssignal des Empfängers der zweiten Sende- und Empfangseinheit
16 (Responder), mit welcher der Impulszähler 29 verbunden ist. Die am Datenausgang
des Impulszählers 29 ausgegebene Winkeli.nformation--.wird einem Encoder 30 zugeführt,
der den vom Sender der zweiten Sende- .und'Empfangseinheit :16 - ausgegebenen Antwortimpuls
entsprechend der Winkelinformation kodiert. Mit dem Empfänger der ersten Sende-
und Empfangseinheit 15 ist ein
Decoder 31 verbunden, der augi d.e..m..Empfang.ssi.gnal
die Winkelinformation dekodiert. Aus der am Decoder 31 abnehmbaren Winkelinformation
und aus der am Ausgang der Auswerteeinheit 17 abnehmbaren Entfernungsinformation
läßt sich nach bekannten geometrischen Beziehungen der Standort des Vermessungsschiffes
10 relativ zum Referenzort 11 berechnen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der rotierende
Lasersender 22 am Referenzort 11 sendet einen zumindest horizontal scharf gebündelten
Laserstrahl sukzessive über einen Horizontalwinkelbereich von 3600 aus. Der Laserstrahl
kann dabei gepulst oder kontinuierlich sein. Die Drehstellung des Lasersenders 22
wird von dem als inkrementalen Drehgeber ausgebildeten Winkelgeber 24 erfaßt. Ausgehend
von einer Referenzlinie zählt der Winkelgeber 24 jedes Winkelinkrement und gibt
einen Impuls aus. Die Referenzlinie kann z. B. durch Ausrichten des Winkelgebers
24 und des Lasersenders 22 auf einen kartographisch erfaßten Referenzpunkt hergestellt
werden, wie er durch einen weiteren Hektometerstein 32 (Fig. 1) am Flußufer gegeben
ist.
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Der als Impulszähler ausgebildete Winkelspeicher 29 summiert die von
dem Winkelgeber 24 abgegebenen Impulse auf und wird beim Durchgang des Winkelgebers
24 durch die Referenzlinie auf Null zurückgesetzt.
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Sobald der Laserstrahl den auf dem Wasserfahrzeug 10 angeordneten
Laserempfänger 23, der eine einfache Laserdiode sein kann, trifft, gibt letzterer
ein Ausgangssignal an die Auswerteeinheit 17 ab. Dieses Ausgangssignal veranlaßt
die Auswerteeinheit 17 einerseits den Sender der ersten Sende- und Emp-
fangseinheit
15 und andererseits die Laufzeitmessung zu starten. Der Sender erzeugt einen Radar-Sendeimpuls,
der über die Antenne 20 abgestrahlt und von der Antenne 21 der zweiten Sende-und
Empfangs einheit 16 am Referenzort 11 empfangen wird. Am Ausgang des über den Zirkulator
19 auf die Antenne 21 geschalteten Empfängers der zweiten Sende- und Empfangseinheit
i6 tritt ein Ausgangssignal auf, das den Winkelspeicher 29 veranlaßt, den zuletzt
gespeicherten Momentanwert der Drehstellung des Winkelgebers 24 auszulesen. Die
Winkelinformation wird dem Encoder 30 zugeleitet, der den Sender der zweiten Sende-
und Empfangseinheit 16 veranlaßt, einen mit dieser Winkelinformation kodierten Antwortimpuls
auszusenden. Der Antwortimpuls wird von der über den Zirkulator 19 mit dem Sender
verbundenen Antenne 21 abgestrahlt und von der Antenne 20 der ersten-Sende- und
Empfangseinheit 15 empfangen. Am Ausgang des über den Zirkulator 18 mit der Antenne
20 verbundenen Empfängers tritt ein Ausgangssignal auf, das einerseits der Auswerteeinheit
17 und andererseits dem Decoder 31 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Empfängers
veranlaßt die Auswerteeinheit 17, die Laufzeitmessung zu stoppen und aus der gemessenen
Laufzeit die Entfernung zwischen Referenzort 11 und Wasserfahrzeug 10 zu berechnen
und als Entfernungsinformation auszugeben. Im Decoder 31 wird aus dem Ausgangssigna
des Radarempfängers die Winkelinformation dekodiert und als Winkelinformation ausgegeben.
Aus der Entfernungs- und Winkelinformation kann der Standort des Wasserfahrzeugs
10 relativ zum Referenzort 11 bestimmt und mit Hilfe der bekannten Koordinaten des
Referenzortes 11 die Koor-
dinaten des momentanen Stan4Qrtes des
Wasserfahrzeugs 10 errechnet werden.
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Mittels einer geringfügigen konstruktiven Erweiterung der optischen
Winkelmeßvorrichtung 14 kann mit der Vorrichtung auch die vertikale Standortkomponente
des Vermessungsschiffes 10 bestimmt werden. Hierzu weist die Sendeoptik 37 des Lasersenders
22 einen sehr kleinen vertikalen Öffnungswinkel auf, so daß der Laserstrahl auch
in Vertikalrichtung sehr scharf gebündelt ist. Der Laserempfänger 23 besitzt eine
vertikale Ausdehnung derart, daß er oberhalb, unterhalb und in einer Bezugsebene
33 einfallende Empfangssignale detektiert.
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Mittels dieser Empfangssignale wird eine Nachführvorrichtung 34 derart
gesteuert, daß die Höhe des Laserempfängers 23 so lange verändert wird, bis Empfangssignale
nur noch in der Bezugsebene 33 detektiert werden. Im einfachsten Fall weist hierzu
der Laserempfänger 23 drei in Vertikalrichtung übereinander angeordnete Lasersensoren
37 auf, von welchen die beiden äußeren mit einem-Motor 35 verbunden sind. Der Motor
35 treibt eine Spindel 36 rechtsherum oder linksherum an, so daß der Laserempfänger
23 je nach Drehrichtung des Motors 35 vertikal nach oben oder unten bewegt wird.
Detektiert z. B. der obere Lasersensor 37 Empfangssignale, so wird der Motor 35
eingeschaltet. Der Motor 35 dreht sich in einer solchen Richtung, daß der Laserempfänger
23 vertikal nach unten bewegt wird, und zwar so lange, bis der mittlere Lasersensor
37 seinerseits Empfangssignale detektiert.
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Über den mittleren Lasersensor 37 wird der Motor 35 stillgesetzt.
Nach einmaliger Einjustierung des Laserempfängers 23 auf die Bezugsebene 33 läßt
sich
aus seiner vertikalen Verschiebung die relative Höhe des Vermessungsschiffes
10 gegenüber dem Standort des Lasersenders 22 ablesen.
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Die Erfindung ist-nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt. So ist die Anordnung von Lasersender 22 am Referenzort 11 und Laserempfänger
23 auf dem Verme.ssungsschiff 10 nicht zwingend. Vielmehr-kann diese Aufstellung
auch umgekehrt getroffen werden. Das gleiche gilt für die Sende- und Empfangseinheit
15 bzw. 16. Auch ist es nicht zwingend , daß der Lasersender 22 rotiert.
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In gleicher Weise könnte auch der Laserempfänger 23 drehend' ausgebildet
werden. Gleichbleibend ist lediglich, daß der Winkelgeber 24 dem drehenden Teil
der optischen Winkelmeßeinrichtung 14 zugeordnet ist und die Sende- und Empfangseinheit
15 bzw. 16.
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am Ort des rotierenden Teils der optischen Winkelmeßeinrichtung 14
stets als Responder fungiert.
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Zur Bestimmung der vertikalen Komponente des Standortes des Vermessungsschiffes
10 ist es auch möglich,- mit den Empfangssignalen des Laserempfängers 23. eine Nachführeinrichtung
zu steuern, welche den Lasersender 22 so lange aus einer horizontalen Bezugsebene
in Vertikalrichtung verschwenkt, bis beim Laserempfänger 23 Empfangssignale nur
in der Bezugsebene 33 einfallen. Der Neigungswi-nkel des Lasersenders 22 ist" dann
ein Maß für die vertikale Koordinate des Standortes -des Vermessungsschiffes 10.
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In diesem Fall ist es erforderlich, entsprechende Steuersignale von
d#.m'Ausgang- des Laserempfängers 23 an die beim Lasersender 22 angeordnete
Nachführvorrichtung -34- zu übertragen. Dies geschieht am vorteilhaftesten durch
entsprechende Kodierung der von
dem Sender der ersten Sender und
Empfangseinheit 15.
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ausgesendeten Radarimpulse.
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In einer weiteren Modifikation des. beschriebenen Ausführungsbeispiels
kann ans:t-.elle des Lasersenders der optischen Winkelmeßeinrichtung 14 ein einfacher,
sichtlRares Licht oder Infrarotlicht kontinuierlich aussendender Lichtsender gesetzt
werden.
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Im einfachsten Fall kann der Lichtsender eine Lampe sein, die Dauerlicht
rundum anssendet und vorzugsweise am Referenzort- 11 unbe%$ -h h angeordnet ist.
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In diesem Fall ist der Lichtempfänger auf dem Vermessungsschiff 10
angeordnet und lediglich schwenkbar, so daß seine Ausrichtung auf den Lichtsender
möglich ist, und weist eine Empfangsoptik mit sehr kleinem horizontalen Öffnungswinkel
auf. Der Vorteil der optischen Winkelvermessung mit kontinuierlichem Licht - im
Gegensatz zu gepulstem Licht - liegt in dem großen Nutz-Störverhältnis (S/N), das
durch geeignete Signal-Verarbeitungsverfahren noch weiter verbessert werden kann.
Dieses gute S/N-Verhältnis ermöglicht selbst bei geringer Sender-Lichtleistung eine
exakte Winkelvermessung bei sehr großer Entfernung von Meß- und Referenzort. Im
Gegensatz zu der eingangs erwähnten bekannten Vorrichtung auf Laserbasis muß auch
das ausgesandte Licht lediglich die einfache Entfernung vom Lichtsender am Referenzort
zum Lichtempfänger auf dem Objekt durchlaufen, was weiter zur Reduzierung der erforderlichen
Sender-Lichtleistung beiträgt. Durch die geringe Lichtleistung genügt die Vorrichtung
allen Schutzbestimmungen für Bedienungspersonen. Aufgrund der erzielbaren großen
Reichweiten kann die Vorrichtung auch für Anwendungszwecke auf dem Meer
in
Landnähe,. z. B. Vermessungs-aufgaben, eingesetzt werden.
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Bei dieser Modifikätion. ist der Winkelgeber dem Lichtempfänger zugeordnet
und an dessen Schwenkbewegung starr gekoppelt. Der Winkelgeber gibt die Abweichung
des Lichtempfängers von einer Referenzlage, die erforderlich ist, um den Lichtempfänger
auf den Lichtsender auszurichten, so daß letzterer Licht empfängt, als Winkelwert
aus. Eine Synchronisation der Impulsradar-Entfernungsmeßeinrichtung 13 und der optischen
Winkelmeßeinrichtung 14 in der Weise, daß eine Entfernungsmessung durch einen Lichtempfang
im Lichtempfänger ausgelöst wird, ist nicht erforderlich. Durch den kontinuierlichen
Lichtempfang im Lichtempfänger können vielmehr beide Meßsysteme gleichzeitig betrieben
werden. Eine Übertragung der Winkelwerte durch die Radarimpulse entfällt. Bei fahrendem
Vermessungsschiff kann der Licht empfänger ohne großen technischen Aufwand so nachgeführt
werden, daß er stets auf den Lichtsender ausgerichtet bleibt.