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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Vermessungstechnik und die Verwendung von Informationen eines
Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten zur Verbesserung
der Präzision
und der Produktivität
von Vermessungen.
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Stand der
Technik
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Wie dies in Surveying von A. Bannister
und S. Raymond, Pitman Publishing Ltd., London, 1977, beschrieben
wird, sind allgemeine Verfahren für Vermessungen seit mehr als
2000 Jahren bekannt und werden seitdem auch angewandt. Die damals
verwendeten Verfahren waren einfach, lieferten keine konstanten
Ergebnisse und waren verhältnismäßig zeitaufwändig. Seit
etwa 1900 wurden Vermessungsgeräte
unter Verwendung der Vorteile der Fortschritte in den Bereichen
Elektronik, Optik und anderen verwandten Bereichen erheblich verbessert.
In letzter Zeit wurden Laser, elektrooptische Einrichtungen, die Wechselwirkung
von Wellen und die Phasenerkennung in die Vermessungsarbeit eingeführt und
dabei eingesetzt.
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In dem an Studebaker erteilten U.S.
Patent US-A-3.471.234 wird die Verwendung eines Laserstrahlprojektors
für Vermessungsarbeiten
offenbart. Der Strahl dreht sich über das zu vermessende Terrain,
und ein Strahlenpunkt kann auf eine bestimmte Position gerichtet
und zur Messung der Höhen-
und Winkelverschiebungen in dem durch den rotierenden Strahl abgedeckten
Bereich verwendet werden.
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In dem U.S. Patent US-A-3.669.548
an Altman wird ein Verfahren zur Bestimmung des Steuerkurses bzw.
zur Peilung eines Schiffs unter Verwendung einer Vorrichtung zur
elektrooptischen Winkelmessung offenbart, wobei die Vorrichtung
Winkel im Verhältnis
zu einer horizontalen Bezugslinie bestimmt. Eine Mehrzahl paralleler
Lichtstrahlen, die einheitliche bekannte Abstände aufweisen und in einem
bekannten Winkel ausgerichtet sind, bildet ein eindimensionales
Raster, das den Bereich abdeckt, in dem sich das Schiff befindet.
Die Achse eines sich drehenden, reflektierenden Teleskops ist mit
einem der parallelen Lichtstrahlen ausgerichtet. Der Winkel der
Längsachse
des Schiffs im Verhältnis
zu der bekannten Richtung der parallelen Lichtstrahlen kann danach
zur Bestimmung des Steuerkurses des Schiffs leicht abgelesen werden.
Dieser Ansatz eignet sich nicht, wenn das Schiff oder ein anderer
Körper,
dessen Winkelorientierung bestimmt werden soll, sich über einen
großen
Bereich bewegen kann.
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Die Fernmessung des Drehwinkels eines
relevanten Objekts unter Verwendung polarisierter Licht- und elektrooptischer
Sensoren wird in dem U.S. Patent US-A-3.877.816 an Weiss et al.
offenbart. Die Intensität
des seriell durch zwei lineare Polarisationsfilter übertragenen
Lichts ist proportional zu dem Quadratkosinus des Winkels zwischen
den beiden Polarisationsrichtungen, und wobei die Proportionalitätskonstante
experimentell bestimmt werden kann. Unpolarisiertes Licht, das entlang
einem ersten Bezugsweg mit festen Polarisationsrichtungen übertragen
wird, wird mit unpolarisiertem Licht verglichen, das entlang einem
zweiten, räumlich
getrennten und optisch abgelenkten Weg übertragen wird, wobei die Polarisationsrichtung
eines Polarisators veränderlich
ist. Ein Lichtpolarisator oder zwei Lichtpolarisatoren in jedem
Lichtstrahlweg dreht bzw. drehen sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit,
die für
jeden Weg gleich ist, und der Phasenunterschied zwischen den beiden
empfangenen Lichtsignalen stellt ein Maß des Rotationswinkels eines Polarisators
(oder des Körpers,
an dem der Polarisator angebracht ist) in dem ersten Weg und eines
Polarisators in dem zweiten Weg dar.
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In dem U.S. Patent US-A-4.146.927
an Erickson et al. wird ein optoelektronisches Vermessungssystem
offenbart, das auch die Winkelorientierung eines Vermessungsstabs
im Verhältnis
zu einer lokalen horizontalen Ebene bestimmt und anzeigt. Das System
kann Entfernungsmessungen direkt von einem elektronischen Entfernungsmesser,
der in der Nähe
des Systems angeordnet ist, empfangen und verarbeiten.
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In dem an Erdmann et al. erteilten
U.S. Patent US-A-4.443.103 wird der Einsatz eines retroreflektierenden,
elektrooptischen Winkelmesssystems zum Vorsehen von Winkelmessungen
nach einer Unterbrechung eines Signals offenbart, das ursprünglich diese
Informationen vorgesehen hat. Ein Lichtstrahl wird in zwei Strahlen
geteilt, die sich an einem Abtastspiegel kreuzen, der sich um eine
feststehende Achse dreht bzw. um diese vibriert, und die beiden Strahlen
werden an unterschiedlichen Positionen auf einem retroreflektierenden
Band empfangen, das sich auf einer flachen Zieloberfläche an dem
Ziel befindet, dessen Rotation gemessen werden soll. Die beiden
Strahlen bilden eine Ebene, die sich bei einer Bewegung des Abtastspiegels
bewegt, wobei eine Bezugsebene durch den Spiegel an einer Ruhestellung
an einer ausgesuchten Position definiert wird. Der Abtastspiegel
tastet die Ebene der beiden Strahlen über die Zieloberfläche ab.
Ein Rotationswinkel der Zieloberfläche im Verhältnis zu der Bezugsebene wird
auf der Basis des Zeitunterschieds zwischen dem Empfang des Lichts
jedes der beiden retroreflektierten Strahlen bestimmt. Die Strahlenerfassungszeiten
fallen nur dann zusammen, wenn eine Kante des retroreflektierenden
Bands parallel zu der Bezugsebene ist. Wenn der Lichtempfang von
den beiden retroreflektierten Strahlen auf einem synchronisierten,
zweispurigen Oszilloskop-Bildschirm angezeigt wird, weisen die beiden
Bildmarken, welche dem Empfang der beiden Strahlen entsprechen,
eine visuell unterscheidbare und messbare Zeitdifferenz Δt auf, wie
dies in den Abbildungen der 2A, 2B und 2C des Patents an Erdmann et al. angezeigt wird.
In einem zweiten U.S. Patent US-A-4.492.465 an Erdmann et al. wird
ein ähnlicher
Ansatz mit anderen Patentansprüchen
offenbart.
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Elektronische Messgeräte zur Vermessung und
im Besonderen zum Messen von Höhenunterschieden
in Form einer "Totalstation" bzw. einer "Komplettstation" werden in dem U.S.
Patent US-A-4.717.251
an Wells et al. offenbart. Ein drehbarer Keil wird entlang einer
Durchgangssichtlinie der Vermessung positioniert, die parallel zu
einer lokalen horizontalen Ebene angeordnet ist. Während sich
der Keil dreht wird die Sichtlinie zunehmend abgelenkt, bis die
Sichtlinie durch ein Ziel verläuft.
Danach wird die Winkelverschiebung durch eine elektrooptische Codierungseinrichtung
bestimmt, und wobei der Höhenunterschied
aus der Entfernung zu dem Ziel und der Winkelverschiebung bestimmt
wird. Diese Vorrichtung kann zur Ausrichtung einer Sichtlinie von
einem Vermessungsdurchgang mit einem anderen Vermessungsdurchgang
oder einem Retroreflektor verwendet werden. Die Winkelverschiebung
ist jedoch auf eine geringfügige
Winkelverschiebung von etwa 12° beschränkt.
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In dem U.S. Patent US-A-4.932.777
offenbaren Fodale et al. ein elektrooptisches Drehmesssystem zur
Verwendung einem maßstabsgetreuen Windkanal
für Luftfahrzeuge.
Unter dem Rumpf sind am Bug auf jeder der beiden Seiten des Rumpfes
und unter jeder Flügelspitze
optische Ziele (sechs) für den
Empfang und das Erfassen eines oder mehrerer Lichtstrahlen angeordnet,
und eine Mehrzahl optischer Empfänger
ist an dem Perimeter des Windkanals positioniert, um Licht von den
optischen Zielen in verschiedenen Winkeln zu empfangen, um den Anstellwinkel
und den Rollwinkel eines Luftfahrzeugs zu bestimmen. Die an jedem
Empfänger
empfangenen zeitlich synchronisierten Signale werden für ein folgende
Analyse aufgezeichnet.
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In dem an Evans et al. erteilten
U.S. Patent US-A-4.954.83 werden Informationen über die Abweichung der Senkrechten
des Ortes (aus Gravitationsmessungen) mit dem durch GPS-Signale
näherungsweise
bestimmten geodätischen
Azimut kombiniert, so dass ein astronomischer Azimut erhalten wird.
Dieser Azimut kann dazu verwendet werden, ein ballistisches Projektil
zu einem ausgesuchten Ziel zu leiten. Dieses Verfahren konzentriert
sich nicht auf die Integration des GPS-Betriebs in den Betrieb des Theodolit,
vielmehr wird dabei versucht, auf den Einsatz eines Theodolit zur
Ermittlung des astronomischen Azimuts zu verzichten.
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In dem U.S. Patent US-A-4.988.189
offenbaren Kroupa et al. den Einsatz eines passiven Entfernungsmesssystems
oder Telemetriesystems in Kombination mit einem elektrooptischen
System unter Verwendung von Bildinformationen, die an zwei oder mehr
elektrooptischen Systempositionen gewonnen werden.
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In dem U.S. Patent US-A-5.030.957
an Evans wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Messen des Unterschieds
zwischen der orthometrischen (geoiden) Höhe und der Höhe oberhalb
eines bestimmten Ellipsoids für
eine Position bzw. einen Ort auf der Erdoberfläche offenbart. Zwei oder mehr
Nivellierstangen werden an ortsfesten, beabstandeten Positionen
gehalten, wobei zwischen den Stangen ein bekannter Basisvektor gegeben
ist. Jede Nivellierstange weist eine GPS-Signalantenne, einen Empfänger und
einen Prozessor zur Bestimmung einer GPS-Position für jede Stange auf. Die geometrische
Höhe der GPS-Antenne (oder des
Schnittpunktes zwischen der Stange und der Erdoberfläche) wird
für jede
Stange bestimmt, und ferner wird der geometrische Höhenunterschied
unter Verwendung standardmäßiger GPS-Vermessungen
bestimmt (mit einer Genauigkeit bis auf wenige Zentimeter). Ein
Vergleich zwischen der orthometrischen Höhe, die für gewöhnlich unter Verwendung einer
Nivellierwaage ermittelt wird, und der Höhe oberhalb des Ellipsoids,
die aus der GPS-Messung erhalten wird, sieht ein Maß des lokalen
Gravitationsfelds vor. Das Patent weist jedoch nicht auf die Vorteile
der Verwendung von Höheninformationen
zur Unterstützung
des GPS-Trägerphasen-Initialisierungsprozesses
hin oder erkennt diese Vorteile nicht, vielmehr werden das GPS und
die Nivellierstangen als einzelne, nicht zusammenwirkende Systeme
behandelt.
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Ohishi et al. offenbaren in dem U.S.
Patent US-A-5.054.911 ein optisches Entfernungsmessgerät, das übertragenes
und durch Retroreflektion zurückgeführtes Licht
verwendet. Ein an dem Gerät
erzeugter Lichtstrahlimpuls wird in zwei Impulse geteilt, wobei
ein Impuls sofort von einer Laserdiode als Bezugsimpuls empfangen
wird. Der andere Impuls wird an einen Retroreflektor an einem entfernten
oder benachbarten Ziel übertragen
und durch Retroreflektion von dort zu dem Gerät zurückgeführt. Der zurückgeführte Impuls
wird von einem Lichtwellenleiter mit einer bekannten zeitlichen
Verzögerung
von Δt und
danach von der Laserdiode empfangen, so dass ein zweiter Impuls
vorgesehen wird. Die zeitliche Verzögerung Δt wird von der Differenz der
Ankunftszeiten der beiden Impulse subtrahiert und durch 2c (c =
die Lichtgeschwindigkeit des Umgebungsmediums) dividiert, so dass
die Entfernung zwischen dem Gerät und
dem Ziel erhalten wird.
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In dem an Solinsky erteilten U.S.
Patent US-A-5.060.304 wird eine in gewisser Weise nicht eindeutige
Offenbarung einer Strahlenausrichtungsvorrichtung und eines Verfahrens
zu diesem Zweck vorgesehen. Zwei im Wesentlichen identische Vorrichtungen
zur Strahlenerfassung sind mit Zwischenabstand zueinander angeordnet,
wobei jede Vorrichtung zwei identische Parabolspiegel mit parallelen Achsen
aufweist, wobei jeder Spiegel eine axiale Öffnung aufweist, durch welche
ein elektromagnetischer Wellenstrahl verläuft, und mit einem zweiten
kleineren Spiegel, der an dem Brennpunkt des Parabolspiegels angeordnet
ist. Jeder Parabolspiegel weist einen dritten Spiegel auf, der aus
einer Mehrzahl kleiner Retroreflektoren besteht, angrenzend jedoch
hinter dem Parabolspiegel angeordnet, so dass der Parabolspiegel
zwischen den zweiten und dritten Spiegeln liegt. Ein Parabolspiegel
in jedem Paar empfängt
Licht von einem Sender, der hinter der Spiegelöffnung angeordnet ist und sendet
diesen Strahl in eine Richtung, die parallel zu der Spiegelachse
verläuft.
Der andere Parabolspiegel in jedem Paar empfängt einen einfallenden Strahl,
der sich parallel zu dessen Achse ausbreitet, und wobei dieses Licht
zu einem Empfänger
reflektiert wird, der hinter der Spiegelöffnung angeordnet ist. Eines
der Parabolspiegelpaare wird in einem Suchmodus (in Bewegung) mit einer
ersten ausgesuchten Frequenz f1 berieben. Das zweite Parabolspiegelpaar
wird in einem "Starrmodus" mit einer ausgesuchten
Frequenz f2 ≠ f1
betrieben. Wenn die beiden Spiegelpaare im Verhältnis zueinander genau ausgerichtet
sind, so wird dies von den Spiegelpaaren durch den Empfang eines
retroreflektierten Strahls oder eines direkt übermittelten Strahls erfasst,
wobei die Unterscheidung durch die Frequenz des empfangenen Strahls
erfolgt. Das Suchmodus-Spiegelpaar und danach das Starrmodus-Spiegelpaar
können
danach im Verhältnis
zueinander ausgerichtet werden.
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In dem an Ingensand erteilten U.S.
Patent US-A-5.077.557 wird ein Vermessungsgerät offenbart, das GPS-Messungen
zur Positionsbestimmung eines terrestrischen Ortes verwendet, der
sich nicht unbedingt innerhalb einer Sichtlinie des Vermessers befindet.
Das Instrument bzw. Gerät
verwendet eine GPS-Signalantenne,
einen Empfänger
und einen Prozessor in Kombination mit einem herkömmlichen elektrooptischen
oder Ultraschall-Entfernungsmesser und einem lokalen Magnetfeld-Vektorsensor an dem
Standort der Vermessungseinrichtung. Der Entfernungsmesser wird
zur Bestimmung der Entfernung zu einer ausgesuchten Markierung verwendet, die
mit einem Signalreflektor versehen ist, der dazu dient, ein durch
den Entfernungsmesser ausgegebenes Signal zu dem Entfernungsmesser
zurückzuführen. Der
Magnetfeld-Vektorsensor wird anscheinend unterstützend zur Bestimmung der Position
des Vermessers und zur Bestimmung des Neigungswinkels von der Position
des Vermessers zu der ausgesuchten Markierung verwendet.
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In dem U.S. Patent US-A-5.101.356
an Timothy et al. wird ein Lagebestimmungssystem für ein sich
bewegendes Fahrzeug offenbart, wobei drei GPS-Signalantennen in
einer nicht-kollinearen
Konfiguration an dem Fahrzeug mit vorbestimmten Entfernungen zueinander
angebracht werden. Jede Antenne ist mit einem GPS-Empfänger/Prozessor
verbunden. Die Phasen der an den Antennen ankommenden Hochfrequenzsignale
werden verglichen, um die Winkelorientierung der die drei Antennen
aufweisenden Ebene zu bestimmen sowie die Winkelorientierung des
Fahrzeugs, das diese Antennen trägt.
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In dem an Isawa erteilten U.S. Patent US-A-5.112.130
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des relativen
Versatzes von zwei Objekten offenbart, das zur Überwachung der Bewegung von
benachbartem Material entlang einer Erdbebenverwerfung verwendet
werden kann. Erste und zweite Messgeräte für die optische Weglänge (ODMIs)
werden an bekannten Positionen auf beiden Seiten einer ausgesuchten
Linie platziert (z. B. einer Verwerfungslinie). Erste und zweite
optische Reflektoren werden ebenfalls auf beiden Seiten der ausgesuchten
Linie mit bekannten Entfernungen zu den ersten und zweiten ODMIs
mit Zwischenabstand angeordnet. Die Entfernungen von der ersten
ODMI zu dem zweiten Reflektor und von dem zweiten ODMI zu dem ersten
Reflektor werden ab initio gemessen und mit folgenden Werten für diese
beiden Entfernungen verglichen. Wenn sich eine oder beide dieser Entfernungen ändern, werden
die Ausmaße
der Änderungen
zu der Bestimmung verwendet, wie weit sich die Erde auf einer Seite
der Linie im Verhältnis zu
der Erde auf der anderen Seite der Linie bewegt hat, wie dies etwa
bei einem Rutsch entlang der Verwerfungslinie erfolgen kann.
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In dem U.S. Patent US-A-5.146.231
offenbaren Ghaem et al. einen elektronisches Ortungsgerät, das zum
Festlegen einer bevorzugten Richtung für die Satellitensignalerfassung
nicht auf die Erfassung terrestrischer Magnetfelder angewiesen ist.
Die Vorrichtung verwendet einen Empfänger/Prozessor für GPS- oder ähnliche
Navigationssignale, die von einem Satelliten empfangen werden, und
sie erfordert (gespeicherte) Kenntnis über die aktuelle Position mindestens
eines Bezugssatelliten, von dem Signale empfangen werden. Die Orientierung
des Ortungsgeräts
oder dessen Gehäuse
im Verhältnis
zu einem Sichtlinienvektor von dem Ortungsgerät zu dem Bezugssatelliten wird
bestimmt. Diese Orientierung wird visuell als Projektion auf einer
horizontalen Ebene angezeigt. Danach kann jede andere Richtung in
der horizontalen Ebene in Bezug auf diese Projektion aus einer bekannten
Bezugssatellitenposition bestimmt werden.
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In dem an Solinsky erteilten U.S.
Patent US-A-5.142.400 wird ein Verfahren zur Sichtlinienerfassung
von zwei optischen Strahlen-Transceivern offenbart, das sich zur
Verwendung bei Satellitenübertragungen
eignet. Ein erster Strahlen-Transceiver weist
einen optischen Retroreflektor auf und arbeitet anfangs in einem
passiven Modus bzw. einem "Starrmodus", wobei dessen Strahl
in eine feste Richtung gesendet wird. Ein zweiter Transceiver sucht
mit seinem optischen Strahl über
2π Steradianten,
bis er von dem ersten Transceiver entweder (1) eine Rückführung des
eigenen Strahls oder (2) einen unterscheidbaren Strahl von dem ersten
Empfänger
empfängt.
Nach der Strahl-Strahl-Erfassung wird eine Ziellinienausrichtung
aufrecht erhalten.
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In dem an Hartrumpf erteilten U.S.
Patent US-A-5.146.290 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position
und der Winkelorientierung eines Objekts offenbart. Ein halbsphärischer,
teilweise silberner Lichtreflektor ist an einem Teil des Objekts
angebracht, und zwei beabstandete Laserstrahlen werden auf einen
Schnittpunkt in der Mitte der Halbkugel gerichtet, so dass sie (teilweise)
an der Reflektoroberfläche
der Halbkugel retroreflektiert werden, und wobei sie in Richtung
der Laserquellen zurückgeführt werden,
um durch Fotoempfänger
erfasst zu werden, die angrenzend an jede Laserquelle angeordnet
sind. Ein Teil des Strahls jeder Laserquelle wird durch den halbsphärischen
Reflektor übertragen
und von einer Linie oder Ebene von Fotodetektoren empfangen, die in
einer Ebene hinter dem halbsphärischen Reflektor positioniert
sind. Wenn das Objekt verschoben oder gedreht wird, ändern sich
die Positionen, an denen die reflektierten und übertragenen Strahlen von den Fotoempfängeranordnungen
empfangen werden in einer Art und Weise, die ins Verhältnis zu
der Verschiebung und/oder Rotation des Objekts gesetzt werden kann.
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Ein Theodolit und ein Band werden
traditionell zum Messen horizontaler und vertikaler Winkel und Entfernungen
bei terrestrischen Vermessungsarbeiten verwendet. Der Ansatz mit
Theodolit und Band wurde in letzter Zeit durch digitale Theodoliten
gemäß der Beschreibung
in dem an Erickson erteilten U.S. Patent US-A-3.768.911 und elektronische
Entfernungsmesser (EDMs) gemäß der Beschreibung
in dem U.S. Patent US-A-3.778.159 an Hines et al. ersetzt. Die Kombination
aus einem optischen Winkelcodierer und einem elektronischen Entfernungsmesser
in einem integrierten Packet (mit der Bezeichnung "elektronische Totalstation") gemäß der Offenbarung
in dem an Erickson et al. erteilten U.S. Patent US-A-4.146.927 hat
zu einer Automatisierung der Feldprozeduren, der Planproduktion
und der Konstruktionsarbeiten.
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WO-A-90/00719 & US-A-5.233.357 offenbaren ein Vermessungssystem
mit einer elektrooptischen Totalstation und einer portablen Empfangsvorrichtung,
das ein System zur Positionsbestimmung mittels Satelliten umfasst.
Die optische Totalstation und die portable Empfangsvorrichtung sind über eine kabellose
Datenübertragungsvorrichtung
miteinander verbunden. Die Kommunikation zwischen der portablen
Empfangsvorrichtung und der Totalstation geht nur in eine Richtung,
und zwar von der portablen Vorrichtung zu der Totalstation. Es ist
eine Übertragungsverbindung
von der Totalstation zu der portablen Empfangsvorrichtung vorgesehen.
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Der Artikel "Use of Paging System Infrastructure
to Broadcast Real Time Differential GPS Correction Data" von Chris Moyer,
Motorola Inc. Technical Developments, Band 16, August 1992, Seiten
77–78, offenbart
den Einsatz eines differentiellen Berichtigungssignals von einer
bekannten Bezugsquelle zu einem einzelnen, autonomen Empfänger in
einem GPS-System zur Positionsbestimmung. Die Kommunikation zwischen
der bekannten Bezugsquelle und dem einzelnen autonomen Empfänger verläuft nur
in eine Richtung. Es ist keine Übertragungsverbindung von
dem einzelnen autonomen Empfänger
zu der bekannten Bezugsquelle vorgesehen.
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In Bezug auf den Einsatz einer herkömmlichen
Totalstation gibt es verschiedene Einschränkungen. Erstens ist es schwierig,
die Winkelausrichtung und die absolute Position einer lokalen Vermessung
oder eines Datums schnell zu bestimmen. Viele stehen in keinem Verhältnis zu
einem einheitlichen Datum, vielmehr existieren sie nur für ein lokalisiertes Datum.
Zur präzisen
Orientierung einer Vermessung in Bezug auf einen globalen Bezugspunkt,
wie etwa den astronomischen Norden, wird für den Azimut häufig eine
Sternenobservation verwendet, die langwierige und komplizierte Feldprozeduren
voraussetzt. Wenn eine Vermessung zweitens mit einem nationalen
oder staatlichen geodätischen
Datum verbunden werden soll, so muss die Vermessung teilweise über große Entfernungen
vorgenommen werden, wie etwa über
eine Entfernung im zweistelligen Kilometerbereich, und zwar abhängig von
der Nähe der
Vermessung zu geodätischen
Richtmarken. Drittens ist die elektronische Totalstation von einem Sichtlinienkontakt
zwischen dem Vermessungsgerät und
dem Vermessungsgehilfen abhängig,
was bei welligem Terrain ein Problem darstellen kann.
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Diese Systeme sehen nicht die Vorteile
eines integrierten SATPS und eines terrestrischen Totalstationsinstruments
vor. Benötigt
wird ein System, das folgendes vorsieht: (1) schnelle Azimut- und
Positionsbestimmung in einem festen Bezugsrahmen; (2) umgehende
Auflösung
der Trägerphasenmehrdeutigkeiten,
die in einem SATPS auftreten; (3) Entfernungs- und Winkelinformationen,
ohne dass ein Sichtlinienkontakt zwischen einer Bezugsstation und einer
mobilen Station erforderlich ist; und (4) eine ausfallsichere kreuzweise
Prüfung
und Kalibrierung der entsprechenden Fehlerquellen in den durch das SATPS
und das terrestrische Positionsbestimmungssystem vorgesehenen Positionsinformationen;
und (5) die Möglichkeit
zur Berücksichtigung
von Höhenunterschieden
zwischen dem Geoid und dem Ellipsoid über die lokale Vermessungsfläche.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese Anforderungen werden durch
die vorliegende Erfindung gemäß den Ausführungen
des gegenständlichen
Anspruchs 1 erfüllt,
wobei ein Vermessungssystem vorgesehen wird, das die Techniken eines
Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten (SATPS) mit neuen
und mit bekannten Vermessungstechniken kombiniert. Die Vorrichtung weist
eine erste Station bzw. eine Bezugsstation auf, die einen Bezugspunkt
für die
Vermessung vorsieht und deren Position mit hoher Genauigkeit bestimmt wird,
und mit einer zweiten oder mobilen Station, die mit Zwischenabstand
zu der ersten Station angeordnet ist und als mobile Messeinheit
für die
Vermessung dient. Es können
mehr als eine mobile Station gleichzeitig in Verbindung mit einer
Bezugsstation verwendet werden. Die Bezugsstation weist eine erste
Antenne eines Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten
(SATPS) und einen ersten SATPS-Empfänger/Prozessor auf, die miteinander
verbunden sind, um SATPS-Signale von zwei oder mehr SATPS-Satelliten zu empfangen
und um die Position der Bezugsstation gemäß den SATPS-Signalen zu bestimmen.
Der erste SATPS-Empfänger/Prozessor eignet
sich zur Bestimmung einer etwaigen Differenz zwischen der mit hoher
Präzision
bekannten Position der Bezugsstation und der Position der Bezugsstation
gemäß der Bestimmung
durch die SATPS-Satellitensignale. Die Bezugsstation weist ferner
eine Bezugsstations-Kommunikationsantenne
auf, die mit dem ersten SATPS-Empfänger/Prozessor
verbunden ist, um Attributinformationen über die Position und den Punkt
der Station zu übermitteln
oder zu empfangen. Die Bezugsstation weist ferner einen elektronischen
Entfernungsmesser (EDM) und ein digitales Theodolit auf, dessen
räumliche
Orientierung willkürlich
verändert
werden kann, wobei eine Verbindung mit dem ersten SATPS-Empfänger/Prozessor vorgesehen
ist, um elektromagnetische Wellen mit einer ausgesuchten Wellenlänge zu übertragen
und um die Entfernung von der Bezugsstation zu der mobilen Station
durch den Empfang eines elektromagnetischen Rückführungssignals von der mobilen
Station zu bestimmen, um einen etwaigen Höhenunterschied zwischen der
ersten Station und dem Objekt zu bestimmen, und um die Winkelverschiebung
zwischen einer zwischen der Bezugsstation und der mobilen Station
gezogenen Linie und einer ausgesuchten Bezugslinie zu bestimmen.
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Die mobile Station weist eine zweite
Antenne eines Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten
(SATPS) und einen zweiten SATPS-Empfänger/Prozessor auf, die miteinander
verbunden sind, um SATPS-Signale von zwei oder mehr SATPS- Satelliten zu empfangen
und um die Position der mobilen Station gemäß den SRTPS-Signalen zu bestimmen.
Die mobile Station weist ferner eine zweite Stationskommunikationsantenne
auf, die mit dem zweiten SATPS-Empfänger/Prozessor verbunden ist,
um mit der Bezugsstations-Kommunikationsantenne zu kommunizieren
und um der Bezugsstation ein Signal zu übermitteln, das Merkmals- und
Attributinformationen und Informationen über die Position der mobilen Station
gemäß der Bestimmung
durch die SATPS-Satellitensignale aufweist. Die mobile Station weist
ferner einen elektronischen Entfernungsmesser-Responder auf, der
elektromagnetische Wellen empfangen kann, die von dem elektronischen
Entfernungsmesser übermittelt
werden, und der ein elektromagnetisches Rückführungssignal vorsehen kann,
das von dem elektronischen Entfernungsmesser an der Bezugsstation
empfangen wird. Die Bezugsstations-Kommunikationseinrichtung und
die Kommunikationseinrichtung der mobilen Station sind über einen
Datenübermittlungsabschnitt
verbunden, um Informationen von einer Station zu der anderen Station
zu übertragen.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine "SATPS-Totalstation" vor, die erste und
zweite mit Zwischenabstand angeordnete SATPS-Stationen aufweist, deren relativer
Abstand mit hoher Genauigkeit als Ergänzung für die Vermessungseinrichtungen
bekannt ist. Die erste und die zweite SATPS-Station weisen jeweils
eine SATPS-Antenne und einen SATPS-Empfänger/Prozessor auf, die Signale
von zwei oder mehr SATPS-Satelliten empfangen und diese Signale
verarbeiten, um die Position der SATPS-Antenne ganz oder teilweise zu bestimmen.
Die erste und die zweite SATPS-Antenne und der zugeordnete SATPS-Empfänger/Prozessor
können
entsprechend in dem ersten und dem zweiten Gehäuse nachgerüstet werden, welche entsprechende
herkömmliche erste
und zweite elektrooptische Vermessungsgeräte aufweisen, die zur Bestimmung
der Peilung bzw. Ortung, der Länge
und/oder des Höhenunterschieds
eines Abstandsvektors verbunden werden, welche die beiden elektrooptischen
Vermessungsgeräte
verbinden.
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Die vorliegende Erfindung verwendet
bestimmte elektrooptische Vermessungen, die durch den Einsatz von
einem oder mehreren Signalretroreflektoren implementiert werden,
die in Mikrowellen-, Infrarot-, sichtbaren oder Ultraviolett-Wellenlängenbereichen
arbeiten, um die Peilung bzw. Ortung, die Länge und/oder den Höhenunterschied
eines Abstandsvektors zu bestimmen, der die erste und die zweite
Station miteinander verbindet. Dafür ist ein visueller Sichtlinienkontakt
zwischen den beiden Stationen erforderlich. Die Hauptaufgabe ist
die Implementierung einer Trägerphasen-Positionsbestimmung
(mit einer Genauigkeit bis auf wenige Zentimeter) im Gegensatz zu
der weniger genauen Codephasen-Positionsbestimmung unter Verwendung
der SATPS-Satellitensignale. Die Trägerphasen-Positionsbestimmung wird dadurch implementiert,
dass dafür
gesorgt wird, dass zwei oder mehr SATPS-Stationen eine gemeinsame
Gruppe von SATPS-Satelliten verfolgen. Die Messungen werden danach
zusammengeführt
und entweder in Echtzeit oder nachträglich verarbeitet, um nützliche
Daten für
die Bestimmung der Position jeder stationären oder mobilen SATPS-Station
in der Nähe
einer SATPS-Bezugsstation zu erhalten. Die Positionsbestimmung in Echtzeit
setzt die Übertragung
von SATPS-Daten zwischen einer Bezugsstation und einer mobilen Station
voraus, wobei ein Datenübermittlungsabschnitt verwendet
wird, der keine Sichtlinienkommunikation voraussetzt.
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Ein Problem, das beim Einsatz einer
Trägerphasen-Positionsbestimmung
zu Beginn überwunden
werden muss, ist das Vorhandensein von Integer-Phasenmehrdeutigkeiten
in den Trägerphasenmessungen
für die
verfolgten Satelliten. Eine Integer-Suchtechnik zur Identifikation
von Phasenintegerzahlen berücksichtigt
häufig
die statistische Natur diskreter Integerkombinationen, die realistische
Kandidaten für
die entsprechenden Phasenintegerzahlen sind. Die Anzahl der möglichen
Kombinationen, nach denen gesucht wird, ist enorm groß, sofern
die Anzahl der potenziellen Kandidaten nicht ab initio reduziert
werden kann. Wenn die relative Position der beiden SATPS-Stationen
genau bekannt ist, so kann die Anzahl der zu Beginn gegebenen potenziellen
Phasenintegerzahlenkombinationen auf bis zu eine Kombination reduziert
werden. Wenn die horizontale oder vertikale Trennentfernung zwischen
den beiden Stationen in dem SATPS-Rahmen mit hoher Genauigkeit bekannt
ist, so kann die Anzahl der potenziell möglichen Phasenintegerzahlenkombinationen
auf eine geringe Anzahl reduziert werden, die verhältnismäßig schnell
durchsucht werden und zuverlässig
korrekte Ergebnisse liefern kann. Die Anzahl der möglichen
Phasenintegerzahlenkombinationen wird durch sequentielle Anwendung
von Positionsinformationen reduziert, die durch die elektrooptischen
Vermessungen vorgesehen werden.
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Ein weiteres ernsthaftes Problem
in Bezug auf die Trägerphasen-Positionsbestimmung
ist die Möglichkeit
von SATPS-Signalunterbrechungen an einer oder beiden SATPS-Stationen. Wenn ein
SATPS-Satellitensignal verloren geht, muss bzw. müssen die
Phasenintegerzahl(en) neu bestimmt werden. Signalunterbrechungen
können
in städtischen
und anderen bebauten Gebieten leicht auftreten, in denn hohe Gebäude Mehrwege-SATPS-Signale
stören oder
erzeugen. Ein Abstandsvektor zwischen zwei SATPS-Stationen, der
durch drei Koordinatendifferenzen oder durch eine Vektorgröße und zwei oder mehr
sphärische
Winkel im Verhältnis
zu einer festen Richtung spezifiziert wird, kann zu Beginn bekannt sein.
Allerdings kann sich eine oder können
sich beide Stationen bei der Signalunterbrechung bewegt haben, so
dass der Abstandsvektor erneut erzeugt werden kann.
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Die Erfindung sieht einen Abstandsvektor zwischen
den beiden Stationen unter Verwendung von einem oder mehreren Wellenrückstrahlern
vor, die an der zweiten Station angebracht und zu der ersten Station
ausgerichtet sind. Ein elektromagnetischer Wellenstrahl ("Lichtstrahl") wird von der ersten Station
in Richtung der zweiten Station geleitet, und der Strahl wird von
der zweiten Station in Richtung der ersten Station zurückgestrahlt.
Der Abstandsvektor von Station zu Station wird durch elektrooptische Phasenmesstechniken
ermittelt. Nachdem der Abstandsvektor nach dem Auftreten einer SATPS-Signalunterbrechnung
wieder erzeugt worden ist, wird die Phasenintegerzahlenkombination
für die
beiden Stationen erneut bestimmt, und die statische oder kinematische
Vermessung kann fortgesetzt werden.
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Aus diesem Ansatz mit einer Totalstation
resultieren verschiedene Vorteile: (1) Azimut-Winkelbestimmungen
können
schnell vorgenommen werden; (2) der Einsatz differentieller SATPS-Informationen ergänzt und
verbessert die Genauigkeit der messbaren Vermessungsparameter; (3)
die SATPS-Signalverarbeitung
kann an der Bezugsstation oder an der mobilen Station erfolgen;
(4) wenn die Frequenz des Datenübermittlungsabschnitts
von Station zu Station entsprechend ausgewählt wird oder wenn einer oder mehrere
Signalrückmelder
zur Signalübertragung zwischen
den beiden Stationen verwendet werden, sind die Vermessungen nicht
auf Sichtlinienmessungen von der Bezugsstation zu einer mobilen Station beschränkt, nachdem
die Integer-Phasenmehrdeutigkeiten gelöst worden sind; und (5) systematische und
zufällige
Fehler in den SATPS- und elektrooptischen Messungen können durch
die Kombination der Informationen der beiden Systeme bestimmt und
reduziert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels
der für
die Bezugsstation und die mobile Station gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendeten Komponenten;
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2 eine
schematische Ansicht eines gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung an der mobilen Station oder an der Bezugsstation
verwendeten Retroreflektors;
-
die 3A und 3B gemeinsam eine schematische
Ansicht eines Signalverarbeitungssystems, das gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
die Bezugsstation und für
die mobile Station eingesetzt wird;
-
die 4A und 4B perspektivische Vorder- und
Hinteransichten eines herkömmlichen
elektrooptischen Geräts,
das die horizontale Lage, den vertikalen Winkel und die Länge eines
Vektors bestimmt, der dieses Gerät
mit einem zweiten Gerät
verbindet, das auf den Empfang einer elektromagnetischen Welle von
dem ersten Signal mit der Rückführung eines
Signals zu dem ersten Gerät
reagiert;
-
5 das
Auftreten von Integer-Phasenmehrdeutigkeiten in einem SATPS;
-
die 6 und 7 Reduzierungen in dem Suchvolumen
für die
korrekten Trägerphasen-Integerzahlen,
die bei der vorliegenden Erfindung in zwei Ansätzen verfügbar sind.
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Bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die Abbildung aus 1 veranschaulicht viele der in einer
Bezugsstation 11 und einer mobilen Station 31 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Komponenten. Die Bezugsstation 11 weist
eine auf einem Stativ oder einer anderen stabilen Struktur (nicht
abgebildet) angebrachte Platte 13 auf, die um eine ungefähr vertikale
Achse AA drehbar ist, die durch die Platte 13 verläuft. Ein
zweiter, als Alhidade bezeichneter Körper 15 ist an einer
oberen Oberfläche
der Platte 13 angebracht und ist entweder um die erste
Achse AA im Verhältnis
zu der Platte 13 drehbar oder dreht sich mit der Platte 13 um
die erste Achse AA. Ein dritter Körper 17 ist angrenzend
an die Alhidade 15 positioniert oder wird von dieser umgeben
und dreht sich um eine ungefähr
horizontale zweite Achse BB im Verhältnis zu der Alhidade 15,
wobei diese Achse als Kippachse oder horizontale Achse bezeichnet wird.
Der dritte Körper 17 weist
einen elektronischen Entfernungsmesser (EDM) 19 auf, der
mit Unterstützung
durch die Rotationen der ersten, zweiten und dritten Körper um
die ersten und zweiten Achsen AA und BB in eine willkürliche Richtung
ausgerichtet werden kann (über
eine Hemisphäre
mit einem eingeschlossenen Raumwinkel von ungefähr 2π Steradianten). In einem Ausführungsbeispiel
basiert der elektronische Entfernungsmesser (EDM) 19 auf
elektrooptischen Grundsätzen
und emittiert elektromagnetische Wellen W mit einer festen Wellenlänge λ, die mit
hoher Genauigkeit bekannt ist. Die Wellen W werden an der mobilen
Station 31 reflektiert oder interagieren mit dieser auf
andere Art und Weise, und ein Rückführungssignal
von der mobilen Station wird zur Bestimmung der Entfernung von der
Bezugsstation 11 zu der mobilen Station 31 verwendet.
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Die Bezugsstation 11 bestimmt
den horizontalen oder den Seitenwinkel θh einer
Bezugsstations-Orientierungslinie DD in der lokalen horizontalen Ebene
in Bezug auf eine feste Referenz- bzw. Bezugslinie RR (zur besseren
Veranschaulichung in der Abbildung aus 6 dargestellt), wie etwa die geographische
Nordrichtung. Die Bezugsstation 11 bestimmt ferner den
vertikalen oder Polarwinkel θv zwischen einer horizontalen Linie DD und
dem Abstandsvektor SV (Länge
von D), der die Bezugsstation und die mobile Station 31 verbindet.
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Die Bezugsstation 11 weist
ferner eine SATPS-Signalantenne 21 auf, die einen Teil
eines Handgriffs oder einer anderen Struktur für das Gerät 11 bilden kann,
das SATPS-Signale von zwei oder mehr Satelliten empfängt die
Teil eines Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten sind.
Die von der SATPS-Antenne 21 empfangenen SATPS-Signale werden
an einen SATPS-Empfänger/Prozessor 23 übertragen,
der diese Signale analysiert und die Position der Antenne bestimmt.
Der SATPS-Empfänger/Prozessor 23 (1)
identifiziert die SATPS-Satellitenquelle
für jedes
SATPS-Signal, (2) bestimmt den Zeitpunkt, an dem jedes identifizierte
SATPS-Signal an der Antenne ankommt, und (3) bestimmt die aktuelle
Position der SATPS-Antenne aus diesen Informationen und aus Informationen über die
Ephemeriden für
jeden identifizierten SATPS-Satelliten.
Die SATPS-Signalantenne und der SATPS-Empfänger/Prozessor
sind Bestandteil des Benutzersegments eines bestimmten SATPS Global
Positioning Systems, wie dies etwa von Tom Logsdon in The NAVSTAR
Global Positioning System, Van Nostrand Reinhold, 1992, Seiten 33–90, beschrieben
wird, wobei dieses Dokument hierin durch Verweis enthalten ist.
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Die Bezugsstation 11 weist
eine Kommunikationseinrichtung der ersten Station auf, die einen ersten
Sender, Empfänger
oder Transceiver 24 und eine erste Kommunikationsantenne 25 aufweist,
zur Übermittlung
von Informationen zu und/oder zum Empfang von Informationen von
der mobilen Station 31, und mit einem gemeinsamen Datenausgangsanschluss 27.
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Die mobile Station 31 weist
einen vierten Körper 33 auf,
der an einem Stativ, einem Prismenmast oder einer anderen stabilen
Struktur (nicht abgebildet) angebracht und um eine ungefähr vertikale dritte
Achse CC drehbar ist. Normalerweise sind die Achsen AA und CC jeweils
mit dem lokalen Schwerkraftvektor ausgerichtet, so dass AA und CC
nur bei sehr geringen Entfernungen zwischen der Bezugsstation 11 und
der mobilen Station 31 parallel zueinander sind. Der vierte
Körper 33 weist
einen EDM-Responder 35 auf, der auf einfallende elektromagnetische
Wellen, wie etwa W, reagiert und ein Rückführungssignal erzeugt, das von
dem EDM 19 empfangen und verstanden wird. Der EDM 19 und der
EDM-Responder 35 arbeiten zusammen, um die Entfernung bzw.
den Abstand zwischen der Bezugsstation 11 und der mobilen
Station 31 und/oder einen Winkel zwischen dem Stations-Abstandsvektor
SV und einer ausgesuchten Bezugslinie zu bestimmen, wie etwa der
durch die Bezugsstation verlaufenden Linie der geographischen Nordrichtung.
Der Seitenwinkel (horizontal) und der Polarwinkel (vertikal) für den Abstandsvektor
werden unter Verwendung eines optischen Codierers bestimmt, der
in dem digitalen Theodolit vorgesehen ist.
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Die mobile Station 31 weist
ferner eine zweite SATPS-Signalantenne 37 und
einen zweiten SATPS-Signalempfänger/prozessor 39 auf,
die miteinander verbunden sind, die auch SATPS-Signale von zwei
oder mehr SATPS-Satelliten empfangen und die Position der zweiten
SATPS-Antenne aus diesen SATPS-Signalen
bestimmen. Die mobile Station 31 kann auch einen gemeinsamen
Datenausgangsanschluss 38 für Informationen über die
Position der ersten oder der zweiten Station aufweisen.
-
Die mobile Station 31 weist
ferner einen zweiten Sender, Empfänger oder Transceiver 40 und eine
zweite Kommunikationsantenne 41 auf, die eine Kommunikation
zwischen der Bezugsstation 11 und der mobilen Station 31 ermöglicht.
In einem in der Abbildung aus 1 dargestellten
Betriebsmodus des Systems empfängt
die Bezugsstation 11 SATPS-Signale, führt Codephasen- und Trägerphasenmessungen
durch, vergleicht die durch diese Signale angezeigte Position der
Bezugsstation mit der Position der Bezugsstation, die mit hoher
Genauigkeit von einer anderen Quelle bekannt ist, und übermittelt
die Positionsberichtigungsinformationen an die mobile Station 31.
Diese Informationen enthalten nicht verarbeitete Codephasen- und Trägerphaseninformationen
sowie Berichtigungen der durch das SATPS bestimmten Position der
Bezugsstation auf der Basis der bekannten Position der Bezugsstation.
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Die Bezugsstation 11 bestimmt
die Differenz zwischen drei räumlichen
Positionskoordinaten und/oder einer lokalen Zeitkoordinate und übermittelt diese
Koordinatendifferenzen an die mobile Station, wobei die ersten und
zweiten Kommunikationsantennen 25 und 41 verwendet
werden. Die mobile Station 31 verwendet danach die Bezugsstationsmessungen und
die Positionsinformationen der mobilen Station sowie lokale SATPS-Messungen
zur genauen Bestimmung der Position der zweiten SATPS-Antenne 37 im
Verhältnis
zu der Position der ersten SATPS-Antenne 21.
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Alternativ übermittelt die mobile Station 31 in einem
zweiten Betriebsmodus ihre mittels SATPS bestimmten Positions- und/oder Zeitkoordinaten
sowie die Informationen über
die Höhe
des Gerätes
und den relevanten Status (wie etwa meteorologische Daten und die
verbliebene Batterieladung) an die Bezugsstation 11, und
zwar unter Verwendung der ersten und zweiten Kommunikationsantennen 25 und 41.
Der erste SATPS-Empfänger/Prozessor 23 empfängt diese
Koordinaten und berichtigt die Koordinaten für die zweite SATPS-Antenne 37 unter
Verwendung der Messungen für
die erste SATPS-Antenne 21.
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In einem dritten Betriebsmodus empfängt die Bezugsstation 11 SATPS-Daten
von einer entfernten Station (in der Abbildung aus 1 nicht abgebildet), deren Position in
einem geodätischen
Bezugsrahmen genau bekannt ist. Die Bezugsstation 11 verwendet
diese Informationen zur genauen Bestimmung der eigenen Position
sowie der Position der mobilen Station 31 in dem gewünschten
Bezugsrahmen.
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Die Abbildung aus 2 veranschaulicht einen geeigneten EDM-Responder 35 für die mobile Station 31 aus 1, einen Retroreflektor 51 für elektromagnetische
Wellen, der zwei hoch reflektierende Oberflächen 53a und 53b aufweist,
die senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Alternativ kann der
Retroreflektor 51 eine Anordnung von Antennenkomponenten 53a und 53b aufweisen,
welche eine einfallende elektromagnetische Welle auf einer Mikrowellen-
oder Infrarotfrequenz empfängt
und eine zurückstrahlende
Welle erzeugt, die von dem Retroreflektor 51 in die entgegengesetzte
Richtung verläuft,
wie dies in dem an Schmidt und Kadim erteilten U.S. Patent US-A-4.985.707
veranschaulicht wird, das hierin durch Verweis enthalten ist.
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Eine einfallende elektromagnetische
Welle W1 nähert
sich der ersten Oberfläche/Anordnung 53a in
einem willkürlichen
Einfallwinkel ϕ1, wird als eine Welle W2 reflektiert, die
sich der zweiten Oberfläche/Anordnung 53b nähert und
wird von der zweiten Oberfläche/Anordnung
als eine Welle W3 mit einem Reflexionswinkel π/2 – ϕ1 reflektiert.
Die Welle W3 bewegt sich somit von dem Retroreflektor 51 in die
gleiche Richtung jedoch entgegengesetzt zu der Richtung der Annäherung der
einfallenden Welle W1 weg. Die einfallende Welle W1 wird somit zu
dem EDM 19 aus 1 als
eine antiparallele Welle W3 zurückgeführt. Bei
dem EDM-Responder 35 aus 1 kann
es sich um einen optischen Retroreflektor bekannter Bauweise handeln,
wenn die einfallende elektromagnetische Welle W1 eine Wellenlänge aufweist,
die sich in dem nahen Infrarot-, dem sichtbaren oder dem Ultraviolettbereich
befindet. Wenn die einfallende Welle W1 eine Wellenlänge im fernen
Infrarotbereich, im Mikrowellenbereich oder eine noch größere Länge aufweist,
kann es sich bei dem EDM-Responder 35 um eine Anordnung
von Antennenelementen zur Rückstrahlung
der einfallenden Welle gemäß den vorstehenden
Ausführungen
handeln.
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Die Abbildungen der 3A und 3B veranschaulichen
ein Ausführungsbeispiel
des Systems 61 der Bezugsstation 11 sowie entsprechend
des Systems 71 der mobilen Station 31. Das System 61 der Bezugsstation
umfasst: (1) ein SATPS-Messteilsystem 62, das SATPS-Satellitensignale
empfängt
und die mittels SATPS bestimmte Position der ersten SATPS-Antenne 21 (1) berechnet oder auf andere
Art und Weise bestimmt; (2) ein Totalstations-Teilssystem 63,
das den EDM 19 aufweist und horizontale und/oder vertikale
Entfernungs- und/oder Winkelverschiebungsinformationen und/oder
azimutale Verschiebungsinformationen für die mobile Station 31 im
Verhältnis
zu der Bezugsstation 11 vorsieht; (3) ein Datenübermittlungsabschnitts-Teilsystem 63, das
SATPS-Positionsinformationen
von der mobilen Station 31 empfängt und/oder SATPS-Positionsinformationen
zu der mobilen Station 31 übermittelt; (4) ein Datenverarbeitungs-Teilsystem 65,
das Informationen von den Teilsystemen 62, 63 und/oder 64 empfängt und
Informationen über
die Position der mobilen Station im Verhältnis zu der Bezugsstation 11 vorsieht;
und (5) ein Benutzeroberflächen-Teilsystem 66,
das Informationen von dem Datenverarbeitungs-Teilsystem 65 empfängt und
diese Informationen in einem für
eine Vermessungsarbeiten ausführenden
Person nützlichen
Format oder Formaten an der Bezugsstation 11 anzeigt und
speichert.
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Das in der Abbildung aus 3 dargestellte System 71 für die mobile
Station umfasst: (1) ein SATPS-Messteilsystem 72, das SATPS-Satellitensignale
empfängt,
Trägerphasen-
und Codephasenmessungen ausführt
und die mittels SATPS bestimmte Position der zweiten SATPS-Antenne 37 (1) bestimmt; (2) ein Datenübermittlungsabschnitts-Teilsystem 73,
das SATPS-Positionsinformationen
von der Bezugsstation 11 empfängt und/oder SATPS-Positionsinformationen
zu der Bezugsstation 11 übermittelt; (3) ein Sprachnachrichten-
und/oder Datenübermittlungsabschnitt 74 (optional),
der das Datenübermittlungsabschnitts-Teilsystem 64 der
Bezugsstation mit dem Datenübermittlungsabschnitts-Teilsystem
der mobilen Station verbindet und es Bedienungspersonen an den beiden
Stationen ermöglicht, miteinander
zu kommunizieren; (4) ein Datenverarbeitungs-Teilsystem 75,
das Informationen von den Teilsystemen 72 und/oder 73 und/oder 76 empfängt und Informationen über die
Position der mobilen Station 31 vorsieht; und (5) ein Benutzeroberflächen-Teilsystem 76,
das Informationen von dem Datenverarbeitungs-Teilsystem 75 empfängt und
diese Informationen in einem für
eine Vermessungsarbeiten ausführenden
Person nützlichen
Format oder Formaten an der mobilen Station 31 anzeigt
und speichert.
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Das Datenübermittlungsabschnittselement 73 aus 3B kann auf verschiedene
Art und Weise implementiert werden. Eine erste Implementierung führt eine
Modulation der optischen Welle oder der Funkwelle W durch, die zur
Erkennung der mobilen Station 31 von der Bezugsstation 11 (1) verwendet wird. Wenn
die Welle W1 in Bezug auf die Abbildung aus 2 optisch ist, sind die reflektierenden Oberflächen 53a und 53b mit
entsprechenden elektrisch empfindlichen Trägern 55a und 55b versehen, welche
diese Modulationen der optischen Welle W1 erfassen und die erfassten
Modulationssignale zu einem Signaldemodulator 57 übertragen,
der die Signale demoduliert und den Inhalt dieser Signale bestimmt.
Da die einfallende Welle W1 und die erste reflektierte Welle W2
von den entsprechenden Reflektoren 53a und 53b abgefangen
werden, sollte jede der beiden empfindlichen Trägerschichten 55a und 55b im
Wesentlichen das gleiche modulierte Signal erfassen; und eines oder
beide der erfassten Modulationssignale, die von der empfindlichen
Trägerschicht 55b erfasst
werden, können
zur Fehlerprüfung
für die
durch die empfindliche Trägerschicht 55a erfassten
Modulationssignale verwendet werden. Wenn es sich bei der Welle
W1 um eine Funkwelle handelt, können
die der Welle W1 zugeführten
Modulationen von einem oder mehreren der Antennenelemente in der
zurückführenden
Antennenanordnung erfasst und erneut von einem Signaldemodulator
demoduliert werden.
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Eine zweite Implementierung des Datenübermittlungsabschnitts 73 gemäß der Abbildung
aus 3B verwendet eine
Funkverbindung zwischen den Antennen 25 und 41 sowie
der zugeordneten Sender und Empfänger 24 und 40,
wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt
ist. Dieser Datenübermittlungsabschnitt
weist den Vorteil auf, das der Übermittlungsabschnitt
eine Einwege- oder Zweiwege-Kommunikation
zwischen der Bezugsstation 11 und der mobilen Station 31 vorsehen
kann.
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Es gibt mindestens drei mögliche Ansätze für den Empfang
und die Verarbeitung von Daten in dem Ausführungsbeispiel aus den Abbildungen
der 3A und 3B. In dem ersten Ansatz
empfängt
das System 71 der mobilen Station die SATPS-Signale (einschließlich Satellitenattributinformationen) über das
SATPS-Messteilsystem 72 und übermittelt diese Signale an
das System 61 der Bezugsstation, wo die mittels SATPS bestimmten
Positionen der Bezugsstation und der mobilen Station berechnet werden, wobei
die Berichtigung der Position der Bezugsstation (= bekannte Position
der Bezugsstation – mittels SATPS
bestimmte Position der Bezugsstation) berechnet wird, und wobei
die mittels SATPS bestimmte Position der mobilen Station unter Verwendung
der Positionsberichtigung für
die Bezugsstation berichtigt wird. Bei diesem Ansatz sind das Datenverarbeitungs-Teilsystem 75 und
das Benutzeroberflächen-Teilsystem 76 in
dem System 71 der mobilen Station optional und können weggelassen
werden.
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Bei einem zweiten Ansatz empfängt das
System 61 der Bezugsstation die SATPS-Signale über das
SATPS-Messteilsystem 62 und übermittelt diese Signale an
das System 71 der mobilen Station, wobei die mittels SATPS
bestimmten Positionen der Bezugsstation und der mobilen Station
berechnet werden, wobei die Positionsberichtigung der Bezugsstation
berechnet wird, und wobei die mittels SATPS bestimmte Position der
mobilen Station unter Verwendung der Positionsberichtigung für die Bezugsstation berichtigt
wird. Die bekannte Position der Bezugsstation kann von der Bezugsstation
zu der mobilen Station übermittelt
werden, oder die Informationen über die
bekannte Position können
in dem SATPS-Messteilsystem 72 oder dem Datenverarbeitungs-Teilsystem 75 des
Systems 71 der mobilen Station gespeichert werden. Bei
diesem Ansatz sind das Datenverarbeitungs-Teilsystem 65 und
das Benutzeroberflächen-Teilsystem 66 in
dem System 61 der Bezugsstation optional und können weggelassen
werden.
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Bei einem dritten Ansatz empfängt das
System 71 der mobilen Station die SATPS-Signale über ihr
SATPS-Messteilsystem 72, bestimmt die Position der mobilen
Station und übermittelt
die mittels SATPS bestimmten Positionsinformationen der mobilen Station
zu dem System 61 der Bezugsstation. An dem System 61 der
Bezugsstation wird die mittels SATPS bestimmte Position der Bezugsstation
berechnet, wobei die Berichtigung der Position der Bezugsstation
berechnet wird, und wobei die mittels SATPS bestimmte Position der
mobilen Station unter Verwendung der Positionsberichtigung der Bezugsstation
berichtigt wird. Bei diesem Ansatz sind das Benutzeroberflächen-Teilsystem 76 in
dem System 71 der mobilen Station optional und können weggelassen
werden.
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Die Abbildungen der 4A und 4B zeigen entsprechende
Vorder- und Hinteransichten einer repräsentativen herkömmlichen
elektronischen Totalstation 81 gemäß dem Stand der Technik. Die
Vorderansicht aus 4A veranschaulicht
einen Tragegriff 83, eine Gerätehöhenmarkierung 85,
eine elektronische Speicherkarte und Abdeckung 87, eine alphanumerische
Anzeige 89, die Klammern 91 und 93, eine
Dosenlibelle 95 mit zugeordneten Niveauregulierungsschrauben 97,
Niveauregulierungs-Fußschrauben 99,
einen Tribach 101, einen horizontalen Kreispositionierungsring 103,
eine Tastatur 105 zur Eingabe von Daten und Befehlen, eine
Objektivlinse 107 zur Sichtlinienpositionierung bei der
Vermessung und eine Basisplatte 109. Die Hinteransicht
(Seite der Bedienungsperson) der Station 81 aus 4B veranschaulicht einen
Schlitz für
einen Röhrenkompass in
dem Handgriff 83, eine Batterie oder eine andere Stromversorgung 115,
einen optischen Lotfokussierring 117 und ein Einstellokular 118,
einen Leistungsschalter 119, eine horizontale Klammer 120,
eine vertikale Klammer 121, eine horizontale Einstellschraube 122 für feine
Bewegungen, einen elektronischen Anschluss 123 für die Datenausgabe,
einen Anschluss 125 für
die externe Stromversorgung, ein horizontales Plattenniveau 127 und
eine Einstellschraube 129, eine Einstellschraube 131 für feine
vertikale Bewegungen, einen Teleskop-Durchschlagknopf 133,
ein Teleskopokular 135 (mit der Objektivlinse 107 aus 4A verbunden), einen Teleskop-Objektivring 137 und
ein Lochvisier 139 zur weiteren Betrachtung einer Szene,
in der eine Vermessung vorgenommen wird.
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SATPS-Trägerphasenmessungen weisen Integer-Phasenmehrdeutigkeiten
auf, die aufgelöst werden
müssen,
um bezüglich
der Position der Station eine Genauigkeit im Zentimeterbereich zu
erreichen. Die Abbildung aus 5 veranschaulicht
zwei sich überschneidende
Wellensequenzen, die aus Trägerwellen
entstehen, die von zwei SATPS-Satelliten, der tatsächlichen
Position einer Antenne 37 der mobilen Station im metrischen
Maß und
verschiedenen anderen möglichen
metrischen Maßen
für die Position
der mobilen Station empfangen werden. Ein EDM und ein digitaler
Wert der vertikalen Schräge bzw. Neigung
zwischen der Bezugsstation und der mobilen Station sieht wichtige
Informationen für
die Auflösung
dieser Integer-Phasenmehrdeutigkeiten vor.
Die in der Abbildung aus 6 dargestellte
bekannte Entfernung d zwischen der Antenne 21 der Bezugsstation
und der Antenne 37 der mobilen Station begrenzt den ganzzahligen
Suchbereich für
die Integer-Phasenmehrdeutigkeiten
auf eine Sphäre
bzw. Kugel mit dem Radius d. In der Praxis ist die Entfernung d
nur mit geringfügiger
Unsicherheit von ±Δd bekannt,
und der Suchbereich nimmt ein Volumen zwischen zwei konzentrischen
Sphären
mit dem Radius d ± Δd an.
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Der Suchbereich wird ferner durch
die Anwendung des bekannten Höhenunterschieds
dv zwischen den beiden Antennen 21 und 37 verkleinert, wobei
dieser Unterschied aus der bekannten Entfernung d und dem vertikalen
Winkel θv im Verhältnis
zu einer horizontalen Linie DD aus 6 bestimmt
wird. In der Praxis weist der vertikale Winkel θv eine
ihm zugeordnete geringfügige
Unsicherheit von ±Δθv auf. Die Suche kann jetzt auf einen kreisförmigen Bereich eingegrenzt
werden, der durch die Kreuzung der beiden konzentrischen Sphären mit
dem Radius d ± Δd definiert
ist, und den Bereich zwischen zwei Kegeln mit einem gemeinsamen
Scheitel an der Antenne 21 der Bezugsstation und Öffnungswinkeln
gleich π/2 – (θv ± Δθv). Eine Winkelverschiebung θh zwischen einer Bezugslinie RR und der Linie
DD kann eine verloren gegangene Satellitenverbindung wiederherstellen.
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Der Höhenunterschied zwischen der
Bezugsstation 11 und der mobilen Station 31 steht
im Verhältnis
zu dem Geoid, während
die SATPS-Messungen im Verhältnis
zu einem festen ellipsoidischen Bezugssystem stehen. Sofern die Koordinatenunterschiede
zwischen dem Geoidsystem und dem Bezugssystem nicht vorab bestimmt
worden sind, muss der Höhenunterschied
dv der Antenne auch etwaige Unsicherheiten
in den Geoid-ellipsoidischen Bezugssystemen berücksichtigen. Solange die Entfernung
d klein ist (≤ 10
km), sollte der Geoidellipsoidische Höhenunterschied in einem ausreichend
flachen Terrain nicht größer sein
als ein paar Zentimeter. Der ganzzahlige Suchbereich kann durch
ein Ellipsoid näherungsweise
bestimmt werden, wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt ist, oder durch ein krummliniges
Parallelepipedon, wie dies in der Abbildung aus 7 dargestellt ist.
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Eine weitere Verkleinerung des ganzzahligen
Suchbereichs kann durch Nutzung der verfügbaren differentiellen SATPS-Codemessungen realisiert werden,
welche einen eindeutigen Näherungswert für die Position
der mobilen Station im Verhältnis
zu der Bezugsstation vorsehen, wobei die Ungenauigkeit dabei nicht
größer ist
als etwa fünf
Meter. Die Genauigkeit der Positionslösung auf Codebasis regelt die
resultierende Größe des ganzzahligen
Suchbereichs, der jetzt auf einen Sektor eines Rotationsellipsoids
reduziert ist, wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt ist. Als potenzielle Kandidaten
gelten nur die Kombinationen der Trägerphasen-Integer-Mehrdeutigkeiten,
die in den Sektor gemäß der Abbildung
aus 6 fallen. Die ganzzahlige
Kombination mit der geringsten Streuung wird vorzugsweise als richtige
Kombination ausgewählt.
Wenn die richtige ganzzahlige Kombination aus einer einzelnen Messepoche
nicht unmittelbar hervor geht, können
zusätzliche
Satellitengeometrien im Zeitverlauf verwendet werden, um Fehler
durch Mittelwertbildung zu beseitigen und um falsche ganzzahlige
Kombinationen weiter auszuschließen.
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"Miniature
Interferometer Terminals for Earth Surveying Ambiguity and Multipath
with Global Positioning System" von
Counselman und Gourevitch, I.E.E.E. Trans. on Geoscience and Remote
Sensing, Band GE-19 (1981, Seiten 244–252, ist eines der ersten
Bezugsdokumente, das Techniken zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten im
Zusammenhang mit GPS behandelt, wobei das Dokument hierin durch
Verweis enthalten ist. Die veröffentlichten
Suchalgorithmen beruhen auf einem statistischen Maß der Qualität von ganzzahligen
Kombinationen mit unterschiedlichen Mehrdeutigkeiten zur Identifikation
der richtigen Mehrdeutigkeiten für
die verfolgten Satelliten.
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Bestimmte Recheneffizienzen in ganzzahligen
Suchalgorithmen werden in den U.S. Patenten US-A-4.963.889 und US-A-5.072.227
an Hatch und von Euler und Landau in "Fast GPS Ambiguity Resolutions On-the-fly
for Real-time Applications",
Sixth International Geodetic Symposium on Satellite Positioning,
Columbus, Ohio, USA, 17. bis 20. März 1992, offenbart, die hierin
durch Verweis enthalten sind. Offenbart wurden auch Suchtechniken
für Mehrdeutigkeits-Integerzahlen,
bei denen die Entfernung zwischen zwei SATPS-Empfängern (z.
B. an Bezugs- und mobilen Stationen) bekannt ist. In den Patenten an
Hatch, dem an Timothy et al. erteilten U.S. Patent US-A-5.101.356
und dem an Allison erteilten U.S. Patent US-A-5.148.179, die hierin
durch Verweis enthalten sind, werden weitere Techniken zur Auflösung von
ganzzahligen Mehrdeutigkeiten erörtert.
Dabei ist die Möglichkeit,
die Integer-Mehrdeutigkeitssuche auf der Basis des Höhenunterschieds
und der Entfernung zwischen den beiden SATPS-Antennen eng einzugrenzen.
Somit existieren für
die Auflösung
von Integer-Mehrdeutigkeiten verschiedene Techniken, und diese Techniken
können
hierbei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zur Ausführung einer
Trägerphasen-Positionsbestimmung
angewandt werden.
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Eine SATPS-Antenne, ein Empfänger/Prozessor
und andere geeignete Vorrichtungen können für die herkömmliche elektronische Totalstation 81 aus
den Abbildungen der 4A und 4B nachgerüstet und
sogar in deren Gehäuse
integriert werden. Zum Beispiel können eine SATPS-Antenne 21 mit geeigneter
Bauweise und ein SATPS-Empfänger/Prozessor 23 im
oberen Bereich des Handgriffs 83 aus 4A gemäß dem Vorschlag aus 1 vorgesehen werden. Alternativ
kann der SATPS-Empfänger/Prozessor
in der Alhidade 15 aus 1 an
jeder geeigneten Stelle darin positioniert werden. Eine zweite Antenne 25 und
ein Transceiver 24 für
die Bezugsstation 11 und eine zweite Antenne 41 und
ein Transceiver 40 für
die mobile Station 31 können
an allen geeigneten Stellen an diesen Stationen positioniert werden,
um miteinander zu kommunizieren. Vorzugsweise teilen sich die SATPS-Komponenten und
die zugehörigen
Kommunikationskomponenten 21, 23, 24 und 25 an
der Bezugsstation 11 einen gemeinsamen Datenanschluss und
einen gemeinsamen Stromversorgungsanschluss mit den anderen Komponenten
der Bezugsstation; und die SATPS-Komponenten
sowie die zugehörigen
Kommunikationskomponenten 37, 39, 40 und 41 für die mobile Station 31 teilen
sich vorzugsweise einen gemeinsamen Datenanschluss und einen gemeinsamen Stromversorgungsanschluss
mit den anderen Komponenten der mobilen Station.
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Eine Konfiguration mit zwei oder
mehr Empfängern
kann zur präzisen
Bestimmung der relativen Positionen zwischen zwei Stationen verwendet
werden. Dieses als differentielle Positionsbestimmung bekannte Verfahren
ist deutlich präziser
als die absolute Positionsbestimmung, vorausgesetzt, dass die Entfernungen
zwischen diesen Stationen deutlich geringer sind als die Entfernungen
der Stationen von den Satelliten, wie dies auch für gewöhnlich der
Fall ist. Die differentielle Positionsbestimmung kann für Vermessungs-
und Konstruktionsarbeiten im Feld eingesetzt werden, wobei Positionskoordinaten
und Entfernungen vorgesehen werden, die bis auf wenige Zentimeter
genau sind.
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Bei der differentiellen Positionsbestimmung ist
das Ausmaß vieler
Fehler in dem SATPS für
räumlich
nah aneinander liegende Stationen ähnlich. Der Effekt dieser Fehler
auf die Genauigkeit der differentiellen Positionsbestimmung wird
somit deutlich durch einen Prozess der teilweisen Fehleraufhebung reduziert.
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf einer Kombination aus einem System zur differentiellen Positionsbestimmung
mittels Satelliten (DSATPS) und elektrooptischen Entfernungs- und
Winkelmessungen, um besonders genaue Positionsinformationen über die
Position einer oder mehrerer mobilen Stationen im Verhältnis zu
einer Bezugsstation vorzusehen, deren Position bekannt ist oder
mit hoher Genauigkeit bestimmt wird.
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Ein System zur Positionsbestimmung
mittels Satelliten (SATPS) ist ein System aus Satellitensignalsendern,
wobei Empfänger
auf der Erdoberfläche oder
in der Nähe
der Erdoberfläche
angeordnet sind, wobei das System Informationen sendet, aus denen die
aktuelle Position eines Beobachters und/oder der Zeitpunkt der Observation
bestimmt werden können. Zwei
mögliche
Betriebssysteme für
das SATPS sind das Global Positioning System und das Global Orbiting
Navigational System.
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Das Global Positioning System (GPS)
ist Teil eines Navigationssystems auf Satellitenbasis, das von dem
Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten von Amerika (United
States Defense Department) im Rahmen des NAVSTAR Satellitenprogramms
entwickelt wurde. Ein vollständig
einsatzfähiges
GPS weist bis zu 24 Satelliten auf, die ungefähr gleichmäßig um sechs kreisförmige Umlaufbahnen mit
je vier Satelliten verteilt sind, wobei die Umlaufbahnen einen Neigungswinkel
von 55° zu
dem Äquator
aufweisen und zueinander Abstände
aufweisen, die einem Vielfachen von 60 Längengrad entsprechen. Die Umlaufbahnen
weisen Radien von 26.560 Kilometern auf und sind ungefähr kreisförmig. Die Umlaufbahnen
sind nicht geosynchron und weisen Umlaufzeitintervalle von 0,5 siderischen
Tagen (11,967 Stunden) auf, so dass sich die Satelliten zeitlich
im Verhältnis
zu der darunter liegenden Erde bewegen. Theoretisch sind drei oder
mehr GPS-Satelliten von den meisten Punkten der Erdoberfläche aus sichtbar,
und der visuelle Zugriff auf zwei oder mehr dieser Satelliten kann
zur Bestimmung der Position eines Beobachters an jeder Stelle auf
der Erdoberfläche
an 24 Stunden des Tages eingesetzt werden. Jeder Satellit ist mit
einer Cäsium-
oder Rubidium-Atomuhr
versehen, um Zeitgebungsinformationen für die von den Satelliten übermittelten
Signale vorzusehen. Für
jede Satellitenuhr wird eine interne Uhrberichtigung vorgesehen.
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Jeder GPS-Satellit übermittelt
zwei Spread-Spectrum-L-Band-Trägersignale;
ein Signal L1 mit einer Frequenz f1 = 1575,42 MHz und ein Signal
L2 mit einer Frequenz f2 = 1227,6 MHz. Die beiden Frequenzen stellen
ganzzahlige Vielfache f1 = 154 f0 und f2 = 120 f0 dar, wobei eine
Basisfrequenz f0 = 10,23 MHz eingesetzt wird. Das Signal L1 von
jedem Satelliten ist eine binäre
Pulslagenmodulation (BPSK für
binary phase shift key), moduliert durch zwei Pseudozufallsrauschcodes
(PRN) in Phasenverschiebung, bezeichnet als C/A-Code und P-Code. Das
Signal L2 von jedem Satelliten wird nur durch den P-Code binär pulslagenmoduliert.
Nachstehend wird die Eigenschaft dieser PRN-Codes beschrieben.
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Ein Grund für den Einsatz von zwei Trägersignalen
L1 und L2 ist einen teilweisen Ausgleich der Ausbreitungsverzögerung eines
derartigen Signals durch die Ionosphäre zu ermöglichen, wobei die Verzögerung ungefähr als die
fotometrische Entfernung der Signalfrequenz f variiert (Verzögerung ∝f–2).
Dieses Phänomen
wird in dem U.S. Patent US-A-4.463.357 an MacDoran erörtert, wobei
die Erörterung
hierin durch Verweis enthalten ist. Nachdem die Durchgangszeitverzögerung durch
die Ionosphäre
bestimmt worden ist, kann ein einem bestimmten Trägersignal
zugeordneter Phasenunterschied bestimmt werden.
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Die Verwendung der PRN-Codes ermöglicht den
Einsatz einer Mehrzahl von GPS-Satellitensignalen zur Bestimmung
der Position eines Beobachters und das Vorsehen von Navigationsinformationen.
Ein von einem bestimmten GPS-Satelliten übermitteltes Signal
wird durch Erzeugen und Abstimmen oder Korrelation mit dem PRN-Code
für den
bestimmten Satelliten ausgesucht. Alle PRN-Codes sind bekannt und
werden in GPS-Satellitensignalempfängern erzeugt oder gespeichert,
die von Beobachtern auf der Erde getragen werden. Ein erster PRN-Code
für jeden
GPS-Satelliten, der teilweise auch als Präzisionscode oder P-Code bezeichnet
wird, ist ein verhältnismäßig langer,
grober Code mit einer zugeordneten Takt- oder Chipfrequenz von f0
= 10,23 MHz. Ein zweiter PRN-Code
für jeden
GPS-Satelliten, der teilweise als klarer/Erfassungscode oder C/A-Code
bezeichnet wird, dient zur Erleichterung einer schnellen Satellitensignalerfassung
und Übergabe
auf den P-Code, und wobei der Code verhältnismäßig kurz und gröber ist
und eine Takt- oder Chipfrequenz von f0/10 = 1,023 MHz aufweist.
Der C/A-Code für
jeden GPS-Satelliten weist eine Länge von 1023 Chips oder Zeitinkrementen
auf, bevor sich der Code wiederholt. Der vollständige P-Code weist eine Länge von
259 Tagen auf, wobei jeder Satellit einen eindeutigen Abschnitt
des vollständigen
P-Codes übermittelt.
Der für
einen bestimmten GPS-Satelliten verwendete Abschnitt des P-Codes
weist eine Länge von
genau einer Woche (7,000 Tage) auf, bevor sich dieser Codeabschnitt
wiederholt. Anerkannte Verfahren zur Erzeugung des C/A-Codes und
des P-Codes werden
in dem hierin durch Verweis enthaltenen Dokument "GPS Interface Control
Document ICD-GPS-200, veröffentlicht
von der Rockwell International Corporation, Satellite Systems Division,
Revision A, 26. September 1984, ausgeführt.
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Der GPS-Satelliten-Bitstrom weist
Navigationsinformationen zu den Ephemeriden des übermittelnden GPS-Satelliten
und einen Almanach für
alle GPS-Satelliten auf, wobei Parameter Berichtigungen für ionosphärische Signalausbreitungsverzögerungen
vorsehen, die sich für
Einzelfrequenzempfänger eignen
sowie für
eine Offset-Zeit zwischen der Satelliten-Taktzeit und der wahren
GPS-Zeit. Die Navigationsinformationen werden mit einer Rate von
50 Baud übermittelt.
Eine nützliche
Erörterung
des GPS und von Techniken zur Ermittlung von Positionsinformationen
aus den Satellitensignalen ist in der hierin durch Verweis enthaltenen
Publikation von Tom Logsdon, The NAVSTAR Global Positionin System,
Van Nostrand Reinhold, New York, 1992, vorgesehen.
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Eine zweite Konfiguration für die globale
Positionsbestimmung ist das Global Orbiting Navigation Satellite
System (GLONASS), das von der früheren Sowjetunion
in die Umlaufbahn geschickt wurde und wahrscheinlich von der Russischen
Republik weiter unterhalten wird. GLONASS verwendet ebenfalls 24 Satelliten,
die ungefähr
gleichmäßig in drei
Umlaufbahnen mit jeweils acht Satelliten verteilt angeordnet sind.
Jede Umlaufbahn weist eine nominelle Neigung von 64,8° im Verhältnis zum Äquator auf,
und die drei Umlaufbahnen weisen zueinander einen Abstand auf, der
einem Vielfachen von 120 Längengrad
entspricht. Die kreisförmigen
Umlaufbahnen von GLONASS weisen kleinere Radien von etwa 25.510
Kilometern auf sowie eine Umlaufdauer eines Satelliten von 8/17
eines siderischen Tages (11,26 Stunden). Ein GLONASS-Satellit und
ein GPS-Satellit vollenden somit alle acht Tage 17 bzw. 16 Umläufe. Das GLONASS-System
verwendet zwei Trägersignale
L1 und L2 mit den Frequenzen f1 = (1,602 + 9k/16) GHz und f2 = (1,247
+ 7k/16) GHz, wobei k (= 0, 1, 2, ..., 23) die Nummer des Kanals
oder Satelliten darstellt. Die Frequenzen liegen in zwei Bändern von
1,597 bis 1,617 GHz (L1) und 1,240 bis 1,260 GHz (L2). Der Code
von L1 wird durch einen C/A-Code (Chiprate = 0,511 MHz) sowie durch
einen P-Code (Chiprate = 5,11 MHz) moduliert. Der Code von L2 wird
gegenwärtig
nur durch den P-Code moduliert. Die GLONASS-Satelliten übermittelt ebenfalls Navigationsdaten
mit einer Rate von 50 Baud. Da sich die Kanalfrequenzen voneinander
unterscheiden lassen, sind der P-Code und der C/A-Code für jeden
Satelliten identisch. Die Verfahren für den Empfang und zum Analysieren
der GLONASS-Signale gleichen den für die GPS-Signale verwendeten Verfahren.
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Verweise hierin auf ein System zur
Positionsbestimmung mittels Satelliten betreffen ein Global Positioning
System, ein Global Orbiting Navigation System und jedes andere kompatible
System auf Satellitenbasis, das Informationen vorsieht, durch welche
die Position eines Beobachters und der Zeitpunkt der Observation
bestimmt werden können,
wobei all diese die Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllen.
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Ein System zur Positionsbestimmung
mittels Satelliten (SATPS), wie etwa das Global Positioning System
(GPS) oder das Global Orbiting Navigation Satellite System (GLONASS),
verwenden die Übertragung
von codierten Funksignalen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen
Struktur von einer Mehrzahl von um die Erde umlaufenden Satelliten.
Ein einziger passiver Empfänger
für derartige
Signale ist in der Lage, die absolute Position des Empfängers in
einem Koordinatenbezugssystem mit zentrierter und fester Erde zu
bestimmen, das von dem SATPS verwendet wird.