EP3959533A1

EP3959533A1 - Messanordnung und verfahren

Info

Publication number: EP3959533A1
Application number: EP20722996.4A
Authority: EP
Inventors: Mirko Essling
Original assignee: AndroTec GmbH
Current assignee: AndroTec GmbH
Priority date: 2019-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2022-03-02
Also published as: JP2024170477A; US20220146621A1; CN114174764A; US12386022B2; JP7549603B2; DE102019002516B4; DE102019002516A1; JP2022527033A; JP7851999B2; WO2020207629A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Basisstation (2) für Messungen, bei welchen Messstrahlung in eine Strahlebene (4) emittiert wird, wobei die Basisstation für eine Taumelbewegung der Strahlebene ausgebildet ist, durch welche die Lage der Normalen der Strahlebene (6) auf bekannte Weise so geändert wird, dass Orientierungen der Normalen wiederholt auftreten. Die Normale der Strahlebene kann ihre Lage zyklisch wiederholen. Beschrieben wird auch eine Messanordnung (3) für eine solche Basisstation und mindestens einer zugehörigen Gegenstelle. Beschrieben wird auch ein Verfahren zur Führung eines mobilen Objektes, insbesondere eines Fahrzeugs, bei dem eine Basisstation und mindestens eine auf das mobile Objekt fest bezogene, aktive Gegenstelle verwendet wird, die gemeinsam eine Sender-Empfänger-Messanordnung bilden.

Description

Titel : Messanordnung und Verfahren

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Bean spruchte und befasst sich demnach mit Messungen.

Messanordnungen, mit denen die Position und/oder die Lage ei nes Objektes und/oder einzelne Koordinaten relativ zu einer Basisstation gemessen werden können, finden in vielen Berei chen Anwendung, wie der Erfassung realer Objekte zur Erstel lung virtueller Realitäten, in der Industrievermessung, Bau vermessung, Baumaschinensteuerung usw., weshalb eine Vielzahl von Anordnungen zur Messung bzw. Vermessung bekannt sind.

Es sind daher eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken entwi ckelt worden wie Tachymeter, Lasertracker, Rotationslaser, Re altime Kinematic-GNSS-Empfänger usw., die zum Teil zwar die simultane Verwendung an einer Vielzahl von Messstellen durch relativ kostengünstige Anordnungen, beispielsweise Gegenstel len zu einer Basisstation erlauben, die aber eine Reihe von Problemen mit sich bringen, wie zu geringe Messgenauigkeit, Mehrpfadempfang und Abschattungen z.B. in Straßenschluchten, sowie Verfügbarkeitsprobleme von Korrekturdiensten und Satel litensystemen .

In einer Vielzahl von Anwendungen wird als bewährter Ansatz daher eine zentrale Basisstation aufgestellt, die rotierende Strahlen oder Strahlfächer aussendet; mit geeigneten Strahl empfängern kann auf die Position der Empfänger relativ zur Ba sisstation geschlossen werden. Prinzipiell wäre es möglich, beispielsweise mittels eines passiven Retroreflektors , den Strahl vom Empfänger zurück zur Basis zu senden, und dort zu bestimmen, von wo der Strahl zurück reflektiert wurde. Im Ge brauch einfacher und heute bei Vermessungen weit verbreitet sind jedoch sogenannte aktive Empfänger, bei denen mit licht empfindlichen Elementen auf den Empfang von Licht ein elektri sches Signal erzeugt und ausgewertet werden kann. Die Signatur bei Detektion des Strahls an den Strahlempfängern hängt dabei einerseits von der Art und Weise ab, wie die Basisstation die Strahlen emittiert, und andererseits davon, wie die Strahlemp fänger ausgebildet sind. So können Strahlempfänger mit langge streckten oder punktförmigen lichtempfindlichen Elementen aus gestattet werden und die Basisstation kann Licht als Strahlen fächer oder als Einzelstrahl emittieren sowie mit gleichblei bender Intensität oder mit einer zeitlichen Modulation. Dass die Strahlen sichtbar oder unsichtbar sein können und gegebe nenfalls auch Strahlen im Hochfrequenzbereich verwendet werden können, sei erwähnt. Aus Gründen der Vereinfachung wird vor- liegend insoweit regelmäßig, sofern anderes nicht ersichtlich ist, gleichwohl davon gesprochen, dass die Positionsbestimmung „optisch" oder zumindest „quasi-optisch" erfolgt, auch wenn gegebenenfalls unsichtbare Strahlung oder Hochfrequenzstrah lung verwendet wird.

Bei den beschriebenen Systemen mit zentraler Basisstation gibt es bereits eine Reihe von Ansätzen, Kosten zu senken und die Genauigkeit sowie die Verfügbarkeit zu erhöhen. Beispielhaft sei dies an den aus dem Stand der Technik bekannten Basissta tionen gezeigt, die in Fig.la bis Fig.ld dargestellt sind.

Bei Fig. la handelt es sich um die in US7,394,527 der Anmelde rin und in US5,767,960 offenbarte Basisstation mit drei aus einer rotierenden Basis emittierten Strahlfächern, die es ei ner mittels Funk bzw. Kabelverbindung synchronisierten aktiven Gegenstelle, also einem angestrahlten aktiven Target erlauben, aus der zeitlichen Abfolge des Auftreffens der drei Strahlfä cher auf das aktive Target den Abstand, die Höhe und einen Ho rizontalwinkel des aktiven Targets in Zylinderkoordinaten be zogen auf die Basisstation zu berechnen.

Fig.lb zeigt eine Basisstation aus der EP 1 434 029 mit drei aus dem Rotationszentrum emittierten Strahlebenen, was es mit einem geeigneten aktiven Target erlaubt, einen Horizontalwin kel und einen Vertikalwinkel im polaren Koordinatensystem der Basisstation zu berechnen.

Fig. lc zeigt eine Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß US 4,441,809, deren Eigenschaften weitgehend denen von Fig.la entsprechen, wobei allerdings mindestens zwei aktive Targets zur Bestimmung von mehr als einem Höhenwinkel nötig sind.

Fig. Id zeigt wiederum eine Basisstation aus US 5,110,202 mit zwei rotierenden Strahlfächern, womit das aktive Target einen Horizontalwinkel und einen Vertikalwinkel im polaren Koordina tensystem der Basisstation zu berechnen vermag.

Den in Fig.l dargestellten Ansätzen aus dem Stand der Technik ist gemein, dass sie auf rotierenden Laseroptiken basieren, die mindestens zwei bis drei Strahlfächer aussenden, um bis zu zwei Richtungswinkel in Bezug auf ein aktives Target bestimmen zu können. Dazu werden Zeitmessungen der AuftreffZeiten der einzelnen Strahlfächer verwendet. Dabei erlauben diese Ansätze es zumindest prinzipiell auch, mit Hilfe der gemessenen Verti kal- und Horizontalwinkel quasi beliebig viele virtuelle (La ser) ebenen in einem Messraum um die Basisstation aufzuspannen, d. h. auf eine Vielzahl von Höhen zu messen.

Die vorbekannten Anordnungen und die erforderlichen Empfänger sind allerdings oftmals baulich unerwünscht kompliziert, vor allem, sofern eine hohe Genauigkeit erzielt werden soll. Die Präzision derartiger optischer Anordnungen wird nämlich unter anderem bestimmt durch die Genauigkeit, mit der die Lichtab- strahlung durch die Basis erfolgt. Dabei kommt unter anderem, aber nicht nur, die Genauigkeit zum Tragen, mit welcher der mechanische Aufbau erfolgt. Dies führt zu hohen Kosten bei hochgenauen Basisstationen. Was die Reichweite angeht, ist zu beachten, dass die Strahlen oftmals gut sichtbar sein sollen, damit der Empfänger leichter in den Strahlverlauf gebracht werden kann, und dass die Strahlen oftmals in einer Höhe abge strahlt werden, die dicht an der Augenhöhe liegt. Damit ist aus Sicherheitsgründen die Strahlenergie zu beschränken, um Augensicherheit herbeizuführen. Dies wiederum reduziert die Reichweite .

Zudem beruhen die dargestellten Ansätze unter anderem darauf, dass zwei oder mehr Strahlfächer durch jeweils verschiedene (Zylinder-) Optiken geleitet werden müssen, die allerdings im Regelfall unterschiedliche und sich nicht gegenseitig aufhe bende Abbildungsfehler besitzen, womit insbesondere eine hoch präzise Bestimmung von Vertikalwinkeln wegen der sehr kriti schen notwendigen Ebenheit bzw. dem Gleichlauf der Strahlfä cher ohne eine aufwändige, kostspielige und zeitraubende

Werkskalibrierung in mehreren Freiheitsgraden nicht möglich ist. Zudem ist die Synchronisierung zwischen aktivem Empfänger und Basisstation oftmals nur locker oder fehlt ganz, was wie derum an den Gleichlauf der rotierenden Laserköpfe erhebliche Anforderungen stellt, wenn hohe Winkelgenauigkeiten gewünscht werden. Typischerweise werden etwa 0.001% ...0.0001% Gleich laufwerte benötigt, um Winkelgenauigkeiten von wenigen Winkel sekunden für vertikale und horizontale Winkel zu erzielen. Durch diese Anforderungen muss für die Basisstationen auf teu re und anfällige Leichtlauflagerungen sowie auf große Schwung massen zurückgegriffen werden, was die Robustheit senkt und für viele Anwendungen eine Praxistauglichkeit fraglich er scheinen lässt, zumal die Basisstationen größer und schwerer werden, was sowohl den Systempreis als auch die Gesamtnutzer kosten über die Lebensdauer in die Höhe schnellen lässt.

Es wäre daher wünschenswert, hier Verbesserungen zu ermögli chen, zumal sich zumindest die aus dem Stand der Technik be kannten Ansätze aus den Fig. lb und Fig. Id nach wie vor hoher Beliebtheit bei Anwendern im Bereich der Baumaschinensteuerung und Industrievermessung erfreuen.

Es sind daher für bestimmte Anwendungen schon automatisch ver folgende Distanzmessgeräte entwickelt worden, bei denen eine einzelne Gegenstelle von der Basisstation verfolgt wird. Diese einzelne Gegenstelle kann ein passiver Retroreflektor oder ein aktiver Empfänger sein bzw., sofern die Basisstation explizit für den Empfang von Strahlung aus der Gegenstelle ausgebildet ist, einen aktiven Sender darstellen. Derartige, oftmals als Lasertracker für die Industrievermessung bzw. als Robotik- Tachymeter für die Landvermessung bekannte Systeme sind zwar nach wie vor sehr populär, haben aber den Nachteil, nicht nur teuer zu sein, sondern je Basis auch nur die Verfolgung eines einzelnen Targets zu erlauben.

Bei bestimmten Anwendungen, z.B. bei der Baumaschinensteuerung von bevorzugt ganzen, möglicherweise sogar autonomen Straßen fertigungskolonnen, d.h. Abfolgen von Straßenfertiger und meh reren Walzen, führt dies zu nahezu prohibitiven Kosten, weil für jedes zu verfolgende oder zu vermessende Objekt bzw. jeden darauf befindlichen Messpunkt eine eigene Basisstation vorge halten werden muss.

Im Bereich Baumaschinensteuerung ist es zudem häufig erforder lich, nicht nur eine Position bzw. einen Standort zu messen, sondern auch eine Höhe präzise zu kontrollieren. Dies ist bei spielsweise, aber nicht ausschließlich im Straßenbau erforder lich, wo etwa die Einbauhöhe des Straßenbelags bzw. die

Schichtdicke des Straßenbelags zu kontrollieren ist. Viele der dafür eingesetzten Systeme aus Rotationslasern und sogenannten Maschinenempfängern, also zu den Rotationslasern passenden, zellenförmigen Empfängern an Straßenbaumaschinen, erlauben zwar eine präzise Höhenkontrolle, sind aber an eine einzige Laserebene gebunden, was gerade in unebenem Gelände einen er heblichen Nachteil darstellen kann.

Konventionell sind daher in unebenem Gelände oftmals Führungs drähte bzw. Richtschnüre verwendet worden, deren Verlegung aber ebenfalls einen hohen Aufwand erfordert; auch der Ansatz, eine sonst verwendete reale Richtschnur durch eine virtuelle Richtschnur zu ersetzen, insbesondere unter Verwendung von Ba sisstationen mit integrierten Empfängern, erfordert typisch immer noch einen hohen instrumenteilen Aufwand.

So schlägt etwa die EP 2 998 699A1 ein Verfahren zur Führung der Einbauhöhe und Schichtdickenkontrolle von Straßenbauma schinen vor. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift ist durch Bezugnahme eingegliedert. Das aus dem Stand der Technik be kannte Verfahren sei mit Bezug auf Fig. 13 kurz veranschau licht .

Bei dem vorbekannten Verfahren werden Stationen verwendet, die gleichzeitig als Basisstation und als Empfänger für die Strah lung anderer Stationen verwendet werden können, also Rotati onslaser-Transceiver darstellen. Diese werden beim vorbekann ten Verfahren verwendet, um den sonst üblicherweise zur Steue rung der Einbauhöhe von Straßenfertigern benutzten Führungs draht durch eine kettenförmige Anordnung mehrerer, sich aufei nander ausnivellierender Rotationslaser-Transceiver 66a .. 66g (TRX) zu ersetzen, indem unter Bezugnahme auf die von den Ba sisstationen erzeugten Laserebenen 72 entlang der Straße 67 segmentweise ein virtueller Führungsdraht definiert wird. Für diesen Führungsdraht dienen die Rotationslaser-Transceiver als Stützstellen. Indem zwischen den Stützstellen interpoliert und gegebenenfalls geglättet wird, soll deren Abstand vergrößert werden und der Einmessaufwand für eine gegebene Strecke etwas reduziert werden.

Ein solches System soll preiswerter sein als die Kosten für die Einmessung einer einige Kilometer langen Strecke mittels eines herkömmlichen Führungsdrahtes durch einen Vermesser, weshalb sich der Systempreis angeblich schnell amortisieren soll, es sind aber, selbst bei Interpolation, viele sich auf einander ausnivellierende Rotationslaser-Transceiver erforder lich, die überdies in jedem Fall baulich besonders aufwendig sind .

Darüber hinaus hat das vorbekannte System auch weitere Nach teile. So werden zwar Beschränkungen im Höhenmessbereich durch die beschriebene kettenförmige Anordnung erheblich reduziert, aber eben nicht ganz aufgehoben. Dies ist in Fig. 12 darge stellt, bei der eine typische Konstellation für heißen As phalteinbau mit zwei Maschinen gezeigt wird.

Es ist einsichtig, dass der Empfang einer Laserebene in unebe nem Gelände sehr lange und damit im Regelfall besonders kost spielige Laserempfängerzeilen an einer Straßenbaumaschine er fordert; diesbezüglich sei übrigens insbesondere auf die hier ebenfalls durch Bezugnahme vollumfänglich eingegliederte US 2018 / 0 259 332 Al der Anmelderin hingewiesen. Die Länge die ser Anordnungen kann allerdings bei Vibrationen der Maschinen, beispielsweise bei Verwendung an der Einbaubohle eines Stra ßenfertigers oder an der Aufhängung des Wälzkörpers einer Straßenwalze, zu Messungenauigkeiten führen, was einen Kompro miss zwischen Flexibilität, Kosten und Einsatzverfügbarkeit erfordert .

Ein weiterer Nachteil des vorbekannten Standes der Technik be steht darin, dass jeder Transceiver 66 nur eine Laserebene emittieren kann, dass Strahlung nur in eine einzigen Ebene hinein ausstrahlt, weshalb für jede Stützstelle der virtuellen Führungslinie im Stand der Technik ein eigener Transceiver vorgesehen werden muss, der sowohl eine Basisstation, als auch ein aktives Target gleichzeitig enthält. Damit sind diese Ge räte auf einen spezifischen Einsatzzweck beschränkt und kaum für universelle Anwendungen geeignet.

Es wäre vorteilhaft, ein preiswertes Messsystem insbesondere mit gleichzeitig hoher Genauigkeit bereitstellen zu können.

Vorteilhaft wäre auch, virtuelle Führungsdrähte („String- lines") preiswert bereitstellen zu können. Vorteilhaft wäre weiter, Basisstationen verwenden zu können, die für breitere Einsatzzwecke einsetzbar sind. Vorteilhaft wäre weiter, gerin- geren Beschränkungen im Höhenmessbereich unterworfen zu sein als im Stand der Technik bekannt.

Vorteilhaft wäre unter anderem auch eine Messanordnung und ein Verfahren, die es erlauben, Stützstellen einer virtuellen Stringline zu ermöglichen, ohne dass besonders teure Basissta tionen erforderlich sind, um so die Systemkosten weiter zu re duzieren .

Wünschenswert wäre auch, eine verbesserte Messanordnung und/oder ein Verfahren zur optischen oder quasioptischen Posi tionsbestimmung anzugeben.

Es wäre wünschenswert, zumindest einen der oben skizzierten Vorteile zumindest partiell zu erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das in unabhängiger Form Beanspruchte gelöst .

Einige der vorteilhaften Ausführungsformen sind in den Unter ansprüchen angegeben; weitere vorteilhafte Ausführungsformen sowie weitere für sich erfinderische Lösungen können der Be schreibung entnommen werden

Gemäß einem ersten Grundgedanken der Erfindung wird also eine Basisstation für Messungen angegeben, bei welchen Messtrahlen in eine Ebene emittiert werden, wobei die Basisstation für ei ne Taumelbewegung der Strahlebene derart ausgebildet ist, dass die Lage der Normalen der Strahlebene auf bekannte Weise und dergestalt geändert wird, dass die Orientierungen der Normalen wiederholt auftreten.

Eine erste grundlegende Erkenntnis besteht demnach darin, dass eine auf bekannte Weise bewusst vorgesehene, kontrolliert er folgende Taumelbewegung der Strahlebene es ermöglicht, einen Vertikalwinkel bzw. mit Hilfe von weiteren Informationen eine Höhe auf besonders einfache Weise zu bestimmen. Beispielsweise kann dort, wo die Basisstation Strahlen emittiert, die von ei nem Empfänger erfasst werden, die Höhe des Empfängers relativ zu einer Höhe der Basisstation leicht festgestellt werden.

Um dies zu verstehen, stelle man sich vor, dass die Strahlebe ne fest steht, also ihre Ausrichtung nicht verändert. Dann wird ein Empfänger, der momentan in der Strahlebene liegt, al so von einem zur Ebene aufgeweiteten Strahl momentan ange strahlt wird, auch weiter dauerhaft in der Strahlebene liegen.

Taumelt die Strahlebene hingegen, führt dies dazu, dass der Strahl am Ort des Empfängers seine Höhe entsprechend der Tau- melbewegung allmählich ändert; genauer wird sich der Strahl an einer gegebenen, von der Basisstation entfernten Stelle näm lich entsprechend der Taumelbewegung zwischen einer größten Höhe und einer niedrigsten Höhe auf und ab bewegen. Nimmt man der Einfachheit halber eine zyklische Taumel-Bewegung an, und nimmt man weiter an, dass der Strahlempfänger an einer gegebe nen, von der Basisstation entfernten Stelle ortsfest in einer Höhe zwischen der größten und der niedrigsten, von der Strahl ebene erreichten Höhe angeordnet ist, so wird die Strahlebene den Empfänger zweimal während eines Taumel-Zyklus überstrei chen, nämlich einmal, während die Strahlebene die Empfänger- Höhe durch Senken von oben nach unten erreicht und dann wie der, wenn die Strahlebene die Empfänger-Höhe durch Heben von unten nach oben erreicht. Liegt die Empfänger-Höhe sehr dicht an der größten Höhe, wird es nur kurze Zeit dauern, bis die sich wieder senkende Strahlebene den Empfänger nach dem ers ten, beim Heben beobachteten Überstreichen zum zweiten Mal wieder erreicht. Gleiches gilt, wenn die Empfängerhöhe sehr dicht an der kleinsten Höhe liegt und die sich senkende

Strahlebene gerade die Empfängerhöhe zum ersten Mal überstri chen hat; auch dann wird die Zeit, bis sich die zunächst auf ihre minimale Höhe senkende Strahlebene wieder bis zum Empfän ger gehoben hat, nur kurz sein. Liegt die Empfänger-Höhe dage gen nahezu mittig zwischen der niedrigsten und der größten Hö he, die die Strahlebene in gegebener Entfernung erreichen kann, wird es bei gleicher Taumelgeschwindigkeit eine entspre chend längere Zeit dauern, bis der Empfänger wieder überstri chen wird. Bei bekanntem Taumelverhalten und bekannter Entfer nung von der Basisstation kann daher aus den zeitlichen Ab ständen des Überstreichens auf die Höhe des Empfängers ge schlossen werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass - wenn bei periodischer Tau melbewegung ein Empfänger auf gegebener Höhe wiederholt über strichen wird- zwei unterschiedliche Intervalle zwischen zwei Überstreichungen auftreten können. Das erste Intervall ent spricht der Zeit zwischen dem Überstreichen bei Bewegung der Strahlebene von oben nach unten und dem Überstreichen bei Be wegung von unten nach oben, während das zweite Intervall der Zeit zwischen dem Überstreichen bei Bewegung von unten nach oben und dem Überstreichen bei Bewegung von oben nach unten entspricht. Die beiden Intervalle werden zusammen der Taumel periode entsprechen. Ein und dieselbe Intervallkombination kann aber sowohl nahe dem Maximum als auch nahe dem Minimum der Höhe beobachtet werden. Sofern nicht klar ist, ob die Strahlebene sich durch die Taumelbewegung gerade nach oben o- der nach unten neigt, führt dies gegebenenfalls zu einer Zwei deutigkeit, die allerdings auf verschiedene Arten aufgelöst werden kann.

Es wird zudem einsichtig sein, dass die maximale Höhe, die der Strahl bei gegebener, taumelbedingter Neigung der Strahlebene erreichen kann, abhängig vom Abstand zur Basisstation ist. Die Zeitintervalle hängen dabei davon ab, wie nahe die Höhe des Empfängers an der minimalen bzw. maximalen Höhe liegt, die der Strahl bei gegebener, taumelbedingter Neigung der Strahlebene in diesem Abstand erreichen kann.

Falls die Entfernung des Empfängers zur Basisstation nicht be kannt ist, können so als verwertbare Messwerte beispielsweise bereits Vertikalwinkel erhalten werden.

Es ist aber möglich und vorteilhaft, wenn zusätzliche Maßnah men ergriffen werden, um die Entfernung des Empfängers zur Ba sisstation zu bestimmen und/oder um die Zweideutigkeit der Hö henbestimmung aufzulösen. Hierfür gibt es verschiedene Mög lichkeiten .

Gegebenenfalls kann, um Eindeutigkeit bezüglich der Höhe zu erzielen, der Messraum beschränkt werden, beispielsweise auf einen Halbraum, dessen Teilungsebene durch das Koordinaten zentrum der Basisstation verläuft, so dass z.B. nur in der Hö he oberhalb oder nur in der Höhe unterhalb einer Horizontalen gemessen wird. Es könnte am Empfänger auch ermittelt werden, ob die Taumelbewegung an dessen Ort gerade zu einem Heben oder einem Senken der Strahlebene führt, beispielsweise durch die Verwendung zweier lichtempfindlicher Elemente. Es sei hier da rauf hingewiesen, dass eine einmal gegebene Eindeutigkeit be stehen bleibt, sofern verfolgt wird, wie sich die aktive Ge genstelle relativ zur Basis bewegt. Dies reicht, um dann dau erhaft Eindeutigkeit zu gewährleisten. Die Nachverfolgung ist insbesondere dort vorteilhaft, wo etwa aufgrund temporärer Ab schattungen eines oder mehrerer lichtempfindlicher Elemente einer aktiven Gegenstelle damit gerechnet werden muss, dass eine Zweideutigkeit auch mit einer Vielzahl von lichtempfind lichen Elementen nicht immer aufgelöst werden kann.

Bevorzugt ist dabei, wenn die lichtempfindlichen Elemente in bekanntem Abstand nur so weit entfernt übereinander angeordnet werden, dass in der Regel beide lichtempfindlichen Elemente überstrichen werden. In einem solchen Fall lässt sich zunächst aus der Abfolge des Überstreichens erkennen, ob zuerst das obere und danach das untere lichtempfindliche Elementen über strichen wurde oder umgekehrt. Aus dem Zeitverlauf der Emp fangsereignisse kann also erkannt werden, ob sich die Strahl ebene durch Taumeln am Ort des Empfängers momentan hebt oder senkt. Zudem kann dann auch die Entfernung des Empfängers von der Basisstation bestimmt werden. Es sei erwähnt, dass der in strumenteile Aufwand, zwei hinreichend große lichtempfindliche Elemente in einem Lichtempfänger zu betreiben und die Zeit Signaturen dieser Empfänger auszuwerten, ausgesprochen gering ist. Zudem können solche Empfänger so vibrationsfest ausgebil det werden, dass selbst bei starker Vibration, wie sie bei Straßenbaumaschinen auftreten, keine unbeherrschbaren Schwin gungen stören. Im Regelfall wird die Basisstation Strahlung aussenden und die Gegenstelle als Empfänger ausgebildet werden, welche die von der Basisstation ausgesandte Strahlung empfängt. Dieser Emp fänger wird eine aktive Gegenstelle darstellen, weil darin ty pisch fotoelektrische Elemente vorgesehen sind wie Fotodioden, welche im Ansprechen auf Auftreffen der Strahlung elektrische Signale erzeugen, und weil die elektrischen Signale in der ak tiven Gegenstelle im Regelfall weiterverarbeitet werden, also beispielsweise signalkonditioniert werden, Digitalsignale im Ansprechen auf die analogen Empfangssignale bestimmt werden und im Ansprechen auf die Digitalsignale weitere Größen be rechnet werden wie beispielsweise Winkel oder Koordinaten re lativ zu einer Basisstation.

Mit dem Begriff „Lichtstrahlen", welche die Basisstation emit tiert, wird dabei vorliegend nicht nur auf sichtbare optische Strahlung Bezug genommen. Erwähnt seien übliche, im sichtbaren oder unsichtbaren, insbesondere im Infraroten emittierende La serdioden, Festkörperlaser, LEDs, sowie Array-Anordnungen da von mit einzeln oder gemeinsam ansteuerbaren Elementen, die sich eine gleiche nachfolgende Optik, beispielsweise eine Kol limatoroptik teilen, sowie, für einen quasioptischen Wellen längenbereich Gunn-Dioden und sonstige HF-Strahler als geeig nete Quellen solcher vorliegend unter dem Begriff „Lichtstrah len" subsumierter Strahlung.

Die ausgesendete Strahlung wird durch eine Ebene laufen und diese Ebene wird erfindungsgemäß taumeln. Darauf hingewiesen sei, dass gegebenenfalls bei bekannten Basisstationen mit ro tierendem Strahl aufgrund ungenauer bzw. ausgeschlagener Dreh lager und dergleichen zwar eine Art Torkel-Bewegung beobacht bar sein könnte, dass es sich dabei aber nicht um eine Taumel bewegung handelt, insbesondere nicht um eine Taumelbewegung, die bekannt ist, bei der also Parameter vorliegen, aus welchen sich insbesondere eine aktuelle Lage der Normalen ergibt. An ders als vorliegend wird sich dort die Lage der Normalen der Strahlebene nicht auf bekannte und kontrollierte Weise ändern, geschweige denn dergestalt, dass Orientierungen einer Normalen wiederholt bekannt durchlaufen werden.

Es sei zudem darauf hingewiesen, dass die Taumelbewegung der vorliegenden Erfindung im Regelfall zu erheblichen Änderungen der Strahlebenen-Neigung führen wird. So ist einsichtig, dass bei im Mittel horizontaler Strahlebene die Taumelbewegung zu Neigungen gegen die Horizontale von wenigstens +-2,5°, bevor zugt +-5°, weiter bevorzugt wenigstens +- 10°, insbesondere bevorzugt wenigstens +-15° jeweils bezogen auf einen 360° Vollkreis führen wird.

Betont sei, dass bereits eine einzige, von der Basisstation taumelnd emittierte Strahlebene mit als flächenförmig profi- liertem Strahl, als Strahlfläche oder als Strahlfächer ausge sandter Strahlung im optischen oder quasioptischen Wellenlän genspektrum ausreichen wird, um zwei Richtungswinkel zur Ba sisstation, nämlich einen Vertikalwinkel l (lambda) und einen Horizontalwinkel y (psi) beim Überstreichen einer aktiven Ge genstelle zu bestimmen. Diesbezüglich erwähnt sei auch, dass bei stationären oder nahezu stationären Gegenstellen dadurch, dass die Normale dieselbe Lage wiederholt einnehmen kann, eine Mittelung von Werten möglich ist, durch die die Genauigkeit erhöht werden kann.

Es gibt verschiedene Arten, wie bewirkt werden kann, dass sich die Lage der Strahlebenen-Normale auf bekannte und kontrol lierte Weise ändert. So kann eine vollständige Rotation oder eine zwischen zwei Endpunkten (scannend bzw. oszillierend) hin und her gehende Bewegung vorgesehen werden; ein scannendes Hin- und Her-Bewegen hat den Vorteil, dass ein bestimmter Be reich häufiger überstrichen wird; eine vollständige Rotation lässt sich im Regelfall hingegen baulich einfacher realisie ren .

Es wird im Übrigen im Regelfall so sein, dass der Strahlengang bei zwei Strahldurchläufen einer Rotation oder Scanbewegung durch die gleichen optischen Komponenten der Basisstation ver läuft und sich somit ein Großteil sonst besonders relevanter Fehler gegenseitig aufheben, insbesondere Linearitätsfehler in Bezug auf die Messung von Vertikalwinkeln. Damit reicht eine schnelle eindimensionale Kalibrierung von Vertikalwinkeloff sets aus, um Vertikalwinkel selbst mit Genauigkeiten bis hin unter in den Sub-Winkelsekunden-Bereich erfassen zu können.

Es sei aber betont, dass es nicht zwingend ist, einen aktiven Empfänger als aktive Gegenstelle zu verwenden, sondern dass gegebenenfalls die aktive Gegenstelle auch dadurch aktiv sein kann, dass sie selbst Strahlen aussendet, wobei die Basis dann Strahlung nur von einer taumelnden Ebene empfängt, beispiels weise durch Vorschaltung einer geeigneten Empfangsoptik vor einem lichtempfindlichen Element. Wo also vorliegend ansonsten von einem optoelektronischen Strahlsendeelement gesprochen wird, kann bei einer solchen Umkehr zwischen Sender und Emp fänger stattdessen ein optoelektronisches Strahlempfangsele ment wie eine Photodiode, APD, SiPM, Detektorarray, eine CCD oder dergleichen vorgesehen werden und umgekehrt, wobei dadurch die sonst übliche Strahlrichtung umgekehrt wird. Die Strahlebene wird dann nicht die Richtcharakteristik ausgesen deter Messstrahlung beschreiben, sondern eine Richtcharakte ristik eines Lichtstrahlempfangs. Diese Möglichkeit besteht einsichtigerweise nicht nur für die Basisstation, sondern auch für die im Regelfall als Empfänger ausgebildeten Gegenstelle. Obwohl dies nachfolgend nicht an allen Stellen weiter vertieft wird, kann es insoweit Vorteile haben, weil Strahlung genau oder grob auf die Basis gerichtet werden kann, was die Gefähr- düng von Personen bei gegebener Strahlintensität gegebenen falls reduziert.

Es kann im Übrigen auch vorgesehen sein, dass in der Basissta tion sowohl ein optoelektronisches Strahlsendeelement als auch gleichzeitig ein optoelektronisches Strahlempfangselement im Fokus einer Kollimationsoptik angeordnet wird, z.B. unter Ver wendung eines polarisierenden Strahlteilers mit Lambda/4- Platte. Es wird damit möglich, dass die Basisstation gleich zeitig optische Strahlung aussenden und empfangen kann, was Richtungsmessungen auf hochreflektiven passiven Targets, wie z.B. die bei Totalstationen verwendeten Corner-/Cube- Reflektoren (Katzenaugen) sowie Pulslaufzeitmessungen zur Be stimmung eines vollständigen Satzes von 3D-Koordinaten ermög licht. Auch in einem solchen Fall wird die Strahlebene tau meln. Dies wird für sich alleine bereits als erfinderisch an gesehen, denn es erlaubt, dass sich mehrere Basisstationen z.B. aufeinander einmessen und es erlaubt auch, 3D-Messungen, vergleichbar mit Robotik-Tachymetern auszuführen. Der Vorteil gegenüber vorbekannten Basisstation-Transceivern liegt hier in einer deutlich einfacheren Optomechanik, die nur eine einzige präzise Drehachse benötigt, gegenüber zwei Drehachsen bei her kömmlichen Tachymetern. Die Verwendbarkeit derartiger Anord nungen für nachfolgend noch beschriebene, Führungslinien bil dende Segmentketten sei explizit als besonders vorteilhaft und preiswert offenbart und wird wiederum für sich alleine als er finderisch angesehen.

Es sei erwähnt, dass es für sich genommen ebenfalls als pa tentwürdig angesehen wird, eine Basisstation für den Strah lungsempfang derart auszustatten, dass jeweils nur Strahlung von einer bestimmten Richtung empfangen wird, und die aktive Gegenstelle für die Strahlemission zu ertüchtigen, insbesonde re dort, wo mit taumelnden Ebenen gearbeitet wird, wobei dann die Basisstation eine taumelnden Empfangscharakteristik be sitzt.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, kann also insbesondere eine Messanordnung zur optischen oder quasioptischen Positi onsbestimmung vorgesehen werden, die für ein in seiner Positi on oder Lage zu bestimmendes Objekt, mindestens ein auf dieses räumlich fest bezogenen aktives Target und mindestens eine Ba sisstation aufweist, in deren mit Messungen erfassbarem Be reich sich das aktive Target befindet und bei welcher die Ba sisstation eine taumelnde Strahlebene erzeugt.

Erläutert sei im Übrigen, dass mit dem Begriff Ebene bzw.

Strahlebene auf eine breite Vielzahl von Strahlanordnungen Be zug genommen wird. So können erfindungsgemäß beispielsweise flächenförmige Strahlprofile verwendet werden, wie z.B. eine bevorzugt weitestgehend, also bis auf Abbildungs- und Ab gleichfehler unverzerrte ebene Fläche; erfindungsgemäß können aber auch für die noch zu beschreibenden Kegelspiegel oder die noch zu beschreibenden Totalreflexions-Kegeleintiefungen von Axicons Kegelflächen mit rundem, elliptischem oder leicht wel ligem Grundprofil verwendet werden und es wird ebenso Bezug genommen auf Strahlfächer bzw. mehrfache Strahlfächer wie etwa durch Abschattung bedingte koplanare mehrfache Strahlfächer, sowie auf durch Abbildungs- und Abgleichfehler verzerrte

Strahlflächen dieser o.g. Arten. Trotz dieser breiten Ausle gung des Begriffes wird insbesondere dort, wo Formeln angege ben werden, zum leichteren Verständnis der angegebenen Formeln eine ideale, flache Ebene angenommen. Diesbezüglich erwähnt sei aber, dass flächenförmige Strahlprofile, Strahlfächer oder (bei gedachter Taumelfreiheit ohne zusätzlich überlagertes Taumeln) in einer Ebene umlaufende Strahlen besonders bevor zugt sind, und zwar auch dann, wenn die bevorzugten Varianten durch Abbildungs-und /oder Abgleichfehler verzerrt sind.

Eine Taumelbewegung wird bevorzugt dadurch realisiert und so definiert, dass der Endpunkt einer Normale auf die Strahlebene um eine zu dieser Normalen nichtparallelen Achse umläuft, und zwar mit einem jederzeit bekannten, bevorzugt konstanten oder weitgehend konstanten Neigungswinkel zur nichtparallelen Ach se, wobei auch die Phase des Umlaufs der Strahlebenen-Normale um die nichtparallele Achse jederzeit bekannt ist und wobei die aktive Gegenstelle, d.h. im Regelfall ein aktives Target, mindestens zweimal pro zyklischem Umlauf der Normalen von der Strahlebene getroffen wird, und zwar bei Normalen- Phasenwin keln yi und Y₂. (Beachte, dass diese Phasenwinkel nachfolgend auch als Drehwinkel oder Winkelstellungen bezeichnet werden) . Die Normale folgt also einer Art Präzessionsbewegung, wie dies aus Kreiseln bekannt ist.

Im Regelfall wird die nichtparallele Achse übrigens allgemein lotrecht stehen, was zu einer im Mittel um eine horizontale Ebene taumelnden Strahlebene führt. Die lotrecht stehende Ach se kann dort, wo die Taumelbewegung als zyklische Taumelbewe gung durch Drehung optischer Elemente, d.h. rotierender

Strahlablenkungskomponenten für von der Basis emittierte

Strahlung realisiert ist, die Drehachse der optischen Elemente darstellen .

Dass es aber nicht zwingend erforderlich ist, die nichtparal lele Achse exakt lotrecht auszurichten, sei erwähnt. Insbeson dere ist es möglich, auf einen nicht exakt lotrechte Ausrich tung der nichtparallelen Achse zu kompensieren, was eine be sonders aufwändige Aufstellung erübrigt und des Weiteren hilft, dort Fehler zu vermeiden, wo eine aufgestellte Basis sich selbst- etwa aufgrund eines zu weichen Untergrundes - während einer Messung allmählich neigt. Es sei insofern also betont, dass die nichtparallele Achse zwar üblicherweise weit gehend senkrecht steht, aber von ihrer Ausrichtung her nicht notwendigerweise auf eine solche Ausrichtung limitiert ist. Es ist aus dem Vorstehenden verständlich, dass bei einer er findungsgemäßen Messanordnung die mindestens zwei Phasenwinkel bzw. die mindestens zwei Zeitpunkte, zu denen die aktive Ge genstelle überstrichen wird, wenn die Strahlebenen- Normale um die nichtparallele Achse umläuft, verwendbar sind, um mindes tens einen Richtungswinkel in Bezug auf das polare Koordina tensystem der Basisstation zu berechnen. Es wird insoweit be vorzugt sein, wenn die aktive Gegenstelle, d.h. ein aktives Target zur Berechnung von mindestens einem vertikalen Rich tungswinkel l (lambda) in Bezug auf das polare Koordinatensys tem der Basisstation ausgelegt ist. Es wird weiterhin einsich tig sein, dass das aktive Target zur Berechnung von mindestens einem horizontalen Richtungswinkel y (psi) in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgelegt sein kann.

Aus dem vorstehenden ist verständlich, dass es ohne weiteres möglich ist, dass die Strahlebenen-Normale ihre Orientierungen wiederholt durchläuft, indem die Normale der Strahlebene ihre Lage zyklisch durchläuft. Daher wird in einem bevorzugten Aus führungsbeispiel auch vorgeschlagen, dass eine Basisstation dazu ausgebildet ist, die Taumelbewegung der Strahlebene so zu erzeugen, dass die Normale der Strahlebene ihre Lage zyklisch wiederholt. Eine besonders vorteilhafte zyklische Bewegung kann durch präzessionsartige Rotation der Strahlebenen-Normale um eine allgemein vertikale Achse erzielt werden.

Um dabei eine taumelnde Strahlebenenbewegung auf besonders einfache Weise zu realisieren, braucht die Basisstation ledig lich eine rotierende Strahlablenkungskomponente zu enthalten. Beispielhaft genannt seien hierfür ein rotierendes, transmis- sives, refraktives Winkelprisma, ein rotierender, verkippt zu einer vertikalen bzw. Rotationsachse angeordneter Spiegel, ein Axicon, das als konisch geschliffene Linse gebildet sein kann, welche eine Punktquelle auf eine Linie entlang der optischen Linsen-Achse abbildet, bzw. einen Laserstrahl in einen Ring transformiert, oder Kegeloptiken, genauso wie auf jede andere rotierbare Anordnung von mehreren optischen Komponenten Bezug genommen wird, die in der Lage ist, einen kollimierten Strahl drehend um seine Ausbreitungsrichtung um einen Winkel a abzu lenken. Aufgrund der einfachen Implementierbarkeit mit derar tigen Elementen ist es einsichtigerweise bevorzugt, wenn die Basisstation eine rotierende Strahlablenkungskomponente ent hält .

Es ist zudem baulich besonders gut zu realisieren und daher bevorzugt, wenn die Basisstation für die Verwendung mit einem aktiven Empfänger ausgebildet ist und eine Taumelbewegung der art erzeugt, dass die Normale der Strahlebene um eine zu die ser Normale nichtparallelen, mit einem vordefinierten, wenigs tens weitgehend konstanten Neigungswinkel zu ihr stehende Drehachse mit jederzeit bekanntem Rotationswinkel umläuft und der aktive Empfänger mindestens zweimal pro Rotation der Nor male von der Strahlebene getroffen wird.

Wie oben aufgeführt, sind eine Reihe von Strahlprofilen mög lich. Um diese aus herkömmlichen Strahlquellen wie Laserdio den, Festkörperlaser oder LEDs zu erhalten, ist die Verwen dung von Strahlaufbereitungskomponenten bevorzugt. Es ist da her bevorzugt, wenn die Basisstation eine Strahlaufweitungs komponente bzw. Strahlaufweitungsmittel, z.B. eine Strahl-zu- Strahlebene-Aufweitungskomponente aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass ggf. der Strahl auch zu einem oder mehreren Fächern aufgeweitet werden kann. Weiter wird darauf hingewie sen, dass es möglich ist, durch Abschattung, selektive Absorp tion und dergleichen, die räumliche Verteilung der Emission zu beeinflussen .

Eine Strahlaufweitungskomponente zur Erzeugung der Strahlebene kann beispielsweise die Form bzw. Funktion eines Kegelspiegels annehmen. Dieser kann mit beliebigem Kegelwinkel, bevorzugt aber 90° ausgelegt sein. Ebenfalls offenbart sei die Verwen dung von Axicons, beispielsweise eines plankonkaven Axicons mit interner Reflektion und seitlicher Auskopplung über eine Mantelfläche, und auch Zylinderoptiken seien als verwendbar erwähnt, sowie jede andere Kombination aus geeigneten opti schen Komponenten.

Es kann darüber hinaus ferner vorgesehen sein, dass die Basis station ein optoelektronisches Strahlsendeelement enthält, dem optische Elemente nachgeordnet sind und /oder welches mit op tischen Elementen integral versehen ist, um die ausgesendete Strahlung auf einen bestimmten Öffnungswinkel, bzw. bevorzugt auf eine möglichst parallele Ausbreitung zu kollimieren. Denk bar hierfür sind Laserdioden, Festkörperlaser, LEDs, sowie Ar- ray-Anordnungen davon mit einzeln ansteuerbaren Elementen, die sich die gleiche Kollimatoroptik teilen, sowie für den quasi optischen Wellenlängenbereich auch Gunn-Dioden oder sonstige HF-Strahler .

Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass sowohl ein optoelekt ronisches Strahlsendeelement als auch gleichzeitig ein opto elektronisches Strahlempfangselement in den Fokus der Kollima tionsoptik z.B. durch einen polarisierenden Strahlteiler mit 1/4-Platte gebracht werden. Es wird damit möglich, dass die Basisstation Richtungsmessungen auf hochreflektive passive Targets, wie z.B. die bei Totalstationen verwendeten Corner Cube Reflektoren (Katzenaugen) sowie Pulslaufzeitmessungen zur Bestimmung ganzer 3D-Koordinaten ausführen kann. Damit können sich Basisstation z.B. aufeinander einmessen oder 3D- Messungen, vergleichbar mit Robotik-Tachymetern ausführen. Der Vorteil liegt dann hier aber in der deutlich einfacheren Opto- mechanik, die nur eine einzige präzise Drehachse benötigt, ge genüber zwei Drehachsen beim Tachymeter. Es wird weiterhin bevorzugt, dass der kollimierte Strahl durch eine rotierende Strahlablenkungskomponente abgelenkt und durch die Strahlebenenaufweitungskomponente zur taumelnden Strahl ebene aufgeweitet wird.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, wird die Basisstati on in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein optoelektroni sches, Lichtstrahlung aussendendes Element und einen Kollima tor für dessen Strahlung aufweisen, wobei weiter eine rotie rende Strahlablenkungskomponente vorgesehen ist, die so ausge bildet sind, dass sie das vom optoelektronischen, Lichtstrah lung aussendenden Element ausgestrahlte Licht zu einer tau melnden Strahlebene aufweiten. Es ist einsichtig, dass dies eine besonders einfache bauliche Ausgestaltung der Basisstati on ermöglicht.

Oben wurde das Beispiel einer um eine lotrechte Achse umlau fende Strahlebenen-Normale eingeführt, wobei erläutert wurde, dass die Achse nicht zwingend exakt lotrecht sein muss. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass eine Kompensation einer nicht exakt lotrechten Stellung möglich ist. Es ist demgemäß vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Basisstation ein Neigungskompensator vorgesehen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Neigungskompensator entweder eine horizontale Aus richtung mechanisch erzwingen kann, beispielsweise durch aktu- atorische Korrektur einer Fehlstellung, gegebenenfalls auch eine wiederholte aktuatorische Korrektur einer sich ändernden Fehlstellung, dass aber bevorzugt lediglich der Neigungswinkel einer baulich definierten Achse der Basisstation, beispiels weise einer Rotationsachse von rotierenden optischen Komponen ten hinreichend genau erfasst werden muss und die entsprechen de Information zur Auswertung herangezogen wird. Somit ist ei ne Grundneigung der Strahlebene ohne Taumeln, d. h. die mitt lere Orientierung der Strahlebene auf zwei unterschiedliche Arten kompensierbar, nämlich einerseits durch eine mechanische Ausrichtung und andererseits durch eine messtechnische Erfas sung und rechnerische Kompensation. Dass die messtechnische Erfassung und rechnerische Kompensation im Regelfall preiswer ter ist, und zwar sowohl baulich als auch im Betrieb, und des halb zu bevorzugen ist, sei erwähnt.

Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Basisstation ein Mittel zur Modulation der vom optoelektronischen Element ausgesandten Lichtstrahlung mit einem Datensignal aufweist, bevorzugt mit einem winkelkodierenden Datensignal und/oder mit anderen

Hilfsdaten kodierenden Datensignal, bevorzugt mit einer ein deutigen Kennung (ID oder Seriennummer) der Basisstation und/oder der Temperatur der Basisstation, des Batteriestandes der Basisstation, etc., sowie der Stellung eines Neigungs sensors oder Neigungskompensators. Die Information über eine aktuelle tatsächlichen Neigung und somit die mittlere Orien- tierung der Strahlebene kann also bevorzugt auf die von der Basisstation emittierte Strahlung aufmoduliert werden. Ebenso kann durch das winkelkodierende Datensignal die aktuelle Phase im Zyklus eines Strahlebenen-Normalen-Umlaufs an die aktive Gegenstelle übermittelt werden. Der besondere Vorteil, die ak tuelle Phase im Zyklus eines Strahlebenen-Normalen-Umlaufs , d. h. beispielsweise den aktuellen Drehwinkel einer das Strahl- ebenen-Taumeln durch ihre Rotation bewirkenden rotierenden Op tik zu übertragen, also etwa eines rotierenden Winkelprismas, besteht neben der baulichen Vereinfachung durch Wegfall zu sätzlicher Elemente wie für die drahtgebundene Übertragung bzw. eine drahtlose Übertragung vor allem in der Latenzfrei heit. Es sei darauf hingewiesen, dass bei Mehrfachempfang Mit telungen möglich sind und dass nachfolgend besonders geeignete Verfahren zur Kodierung der Drehwinkel-Information offenbart werden. Eine Messanordnung wird demgemäß bevorzugt so ausge bildet, dass ein Mittel zur Modulation des optoelektronischen Strahlsendeelementes mit einem winkelkodierenden Datensignal vorgesehen ist.

Es ist damit möglich, dass eine winkelmäßige Synchronisation zwischen der Basisstation und der aktiven Gegenstelle nicht wie bisher - zeitversetzt und nur locker - per separater, störanfälliger Funk- oder Infrarot-Datenübertragung erfolgt, sondern sie direkt, durch Modulation der Strahlung der Strahl ebene mit einem winkelkodierten Datensignal sowie wahlweise weiteren Hilfsinformationen von der Basisstation zu erzielen. Allein durch diese Maßnahme können die Anforderungen an den Gleichlauf der Rotation bereits um typisch mehr als zwei Grö ßenordnungen reduziert werden, und es kann auf sonst erforder liche kostspielige Lagerungen und Schwungmassen verzichtet werden. Die Übertragung eines Drehwinkels durch Aufmodulation geeigneter Information auf einen emittierten Strahl ist im Üb rigen auch dort vorteilhaft und wird für sich genommen - also insbesondere unabhängig von einer Strahlebenen-Taumelbewegung - als erfinderisch angesehen, wo eine Basisstation einen ro tierenden Strahl bzw. rotierende Strahlebenen oder Fächer aus sendet und ein aktueller Rotationswinkel bei Strahlempfang be kannt sein muss, insbesondere zur Bestimmung von Koordinaten eines Messstrahlempfängers. Ein emittierter Strahlung aufmodu liertes Datensignal kann dabei z.B. die aktuelle Winkelstel lung der Drehachse einer Strahlablenkungskomponente kodieren, wobei die Winkelstellung wiederum durch einen an die Drehung der Strahlablenkungskomponente gekoppelten Winkelencoder ge wonnen wird.

Es sei insoweit ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich hier beanspruchte bzw. offenbarte Teilaspekte der hier offen barten Erfindung, wie insbesondere die optische Datenübertra gung über den Laserstrahl beispielsweise mit Drehwinkeldaten und/oder die Übertragung von Hilfsinformationen wie beispiels weise eine eindeutige Kennung (ID oder Seriennummer) auch all- gemein auf die Lasertransceiver aus EP 2 998 699 vorteilhaft anwenden lassen, wie auch auf jeden beliebigen Rotationslaser, die damit in die Lage versetzt werden, horizontale Winkel zu bestimmen, ohne eine externe Synchronisation, z.B. per Funk oder per separater IR-Datenübertragung zu realisieren oder um empfangene Laserstrahlen eindeutig einem Lasertransmitter zu ordnen zu können.

Aus dem vorstehenden ist auch ersichtlich, wie vorteilhaft es sein kann, zumindest intermittierend zusätzlich zu Winkeldaten noch weitere Hilfsdaten über die Strahlung bzw. die Strahlebe ne zu übertragen, wie insbesondere z.B. die Ausrichtung, d. h. Stellung eines Neigungssensors oder Neigungskompompensators zur nachträglichen Kompensation der Basisstation-Verkippung an der und durch die aktive Gegenstelle; ebenfalls übertragbar sind Batteriestand, Temperatur oder dergleichen, was bei lang andauernden Messungen ein frühzeitiges Erkennen womöglich kri tischer Basisstation-Betriebszustände ermöglicht, ohne dass eine Person diese an der Basisstation kontrollieren muss.

Erwähnt sei, dass die Größe eines lichtempfindlichen Elementes in der aktiven Gegenstelle typisch so groß sein wird, dass das Überstreichen des lichtempfindlichen Elementes und somit der Empfang der Strahlung von der Basisstation eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Da dies schon bei recht kleinflächigen lichtempfindlichen Elementen der Fall sein wird, ermöglicht dies ohne besonderen baulichen Aufwand bei der aktiven Gegen stelle, Richtungswinkel besonders genau zu bestimmen, sofern die aktiven Gegenstelle dazu ausgestaltet ist, die während des Zeitraums des Überstreichens gegebene Phasenlage der Strahl- ebenen-Normale, d.h. die Winkelstellung ihrer Drehung um die Drehachse unter Berücksichtigung und Berechnung eines zeitli chen Schwerpunkts des Strahlempfangs zu bestimmen.

Die Phasenlage der Strahlebenen-Normale wird nämlich typisch mit diskreten Winkelschritten codiert; bei länger andauerndem Empfang von mit diesen diskreten Winkelschritten kodierter Strahlung wird es möglich, zwischen mehreren diskreten Winkel schritten zu interpolieren.

Es wird also bevorzugt zwischen mehreren diskreten Winkel schritten interpoliert, die während des Strahlempfangs, d. h. während des Überstreichens der aktiven Gegenstelle von der Ba sisstation übertragen und an der aktiven Gegenstelle empfangen wurden. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine Strahlemp- fangs-Signatur auch durch Optimierung eines Modells für den Verlauf eines typischen Strahlempfangs z.B. mit einem LMS- Verfahren oder einem entsprechend trainierten Neuronalen Netz (KI, AI) ausgewertet werden.

Bei großen Distanzen zwischen Basisstation und lichtempfindli chem Element werden die Strahlempfangsereignisse stark ver- rauscht und/oder dauern sehr kurz, so dass empfangsseitig oft mals nur noch ein einziger Winkelschritt dekodiert werden kann. Selbst dann ist es aber weiterhin möglich, trotzdem sub- samplegenau, d.h. deutlich genauer als die kodierten Winkel schritte, auf die Phasenlage des zeitlichen Schwerpunktes zu schließen, und zwar indem die Taumelgeschwindigkeit und die Hüllkurve des empfangenen Signals berücksichtigt wird. Es ist einsichtig, dass bei entsprechenden Berechnungen die Taumelge schwindigkeit nicht besonders genau bekannt sein muss und auch deren zeitliche Schwankungen unter den genannten Bedingungen keinen nennenswerten Einfluss auf die Messgenauigkeit haben.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, wird zunächst Schutz für eine Basisstation beansprucht. Schutz wird aber auch bean sprucht für eine Messanordnung, die wenigstens eine entspre chende Basisstation wie vorstehend beschrieben sowie wenigs tens eine zugehörige aktive Gegenstelle umfasst. Erwähnt sei, dass gegebenenfalls die aktive Gegenstelle wie beschrieben in einer weiteren Basisstation angeordnet sein kann, ohne einen besonders hohen baulichen Aufwand zu erfordern. In anderen Fällen und/oder zusätzlich kann die aktive Gegenstelle aber auch durch einen aktiven Empfänger realisiert sein, wobei von einem aktiven Empfänger ausgegangen wird, wenn darin aktive elektronische Elemente bzw. aktive elektronische Schaltkreise bzw. Datenauswertungseinheiten oder dergleichen vorhanden sind. Erwähnt sei, dass ein Messsystem der vorliegenden Erfin dung mit einer Basisstation mehr als eine aktive Gegenstelle ansprechen kann und demgemäß auch mehr als eine aktive Gegen stelle zum Messsystem gehören kann. Insbesondere kann etwa zur Definition virtueller Führungslinien zumindest eine an einer mobilen Einheit vorgesehene aktive Gegenstelle und eine stati onär angeordnete aktive Gegenstelle vorhanden sein.

Wie bereits erläutert, ist es im Übrigen möglich, Zweideutig keiten bei der Höhenbestimmung auf einfache Weise durch geeig nete Ausgestaltung aktiver Gegenstellen aufzulösen. Insbeson dere ist dies durch Verwendung in vertikaler Richtung bean standeter lichtempfindlicher Elemente möglich, wobei, wenn der Abstand darin verwendeter lichtempfindlicher Elemente vonei nander bekannt ist, zugleich der Abstand der aktiven Gegen stelle wie eines aktiven Lichtempfängers als aktives Target von der Basisstation bestimmt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Messstrahlempfängers sieht daher vor, dass er mindestens zwei voneinander beanstan dete lichtempfindliche Elemente aufweist, die im Betrieb in unterschiedlicher Höhe angeordnet sind, und dass er dazu aus gebildet ist, aus der Zeitsignatur des Überstreichen der lichtempfindlichen Elemente eine Zweideutigkeit der Höhenbe stimmung aufzulösen und bevorzugt auch den Abstand von der Ba sisstation zu bestimmen. Dass in gleicher Weise bei einer Strahlung aussendenden Gegenstelle mindestens zwei Strahlquel- len entsprechend beanstandet voneinander vorgesehen werden könnten, sei erwähnt.

Es wird einsichtig sein, dass aktive Gegenstellen wie aktive Messstrahlempfänger für die Verwendung mit den Basisstationen der vorliegenden Erfindung besonders ertüchtigt sein werden, insbesondere, was bevorzugte Ausführungsformen angeht.

Schutz wird daher auch beansprucht für einen Messstrahlempfän ger, der zum Empfang von Lichtstrahlen aus einer Basisstation wie sie vorliegend offenbart bzw. wie obenstehend beschrieben ausgebildet ist und der insbesondere dazu ausgebildet sein kann, im Ansprechen auf ein wiederholtes Erfassen der taumeln den Strahlebene mindestens einen Winkel in Bezug auf das pola re Koordinatensystem der Basisstation zu berechnen, bevorzugt unter Bestimmung von Zeitpunkten der Erfassungen und/oder un ter Bestimmung von mindestens zwei Winkelstellungen der durch das Strahlebenentaumeln sich drehenden Strahlebenen-Normalen zu den Zeitpunkten der Erfassungen. Es sei erwähnt, dass es prinzipiell möglich ist, unter Verwendung erfindungsgemäßer Basisstationen und zugehöriger aktiver Gegenstellen die voll ständige Position und gegebenenfalls Lage der aktiven Gegen stellen relativ zur Basisstation zu bestimmen, und dass ein sichtiger Weise auch beliebige Koordinaten bestimmbar sind, ohne auf zur Erläuterung besonders anschauliche Zylinder- bzw. Kugelkoordinaten mit der Basisstation als Ursprung Bezug neh men zu müssen.

Bei einem erfindungsgemäßen Messstrahlempfänger ist es, wie aus dem Vorstehenden ersichtlich sein wird, bevorzugt, dass er dazu ausgebildet ist, die Winkelstellungen unter Dekodierung der mit einem winkelkodierenden Datensignal und gegebenenfalls Hilfsdaten modulierten Strahlung zu bestimmen, und/oder dass er zur Berechnung von mindestens einem Vertikalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgebildet ist .

Es ist weiter bevorzugt, wenn ein Messstrahlempfänger zur Be rechnung von mindestens einem Horizontalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgebildet ist. Es wird also typisch eine Signalkonditionierung und/oder eine digitale Datenverarbeitungsstufe vorgesehen sein.

Um Richtungswinkel hochgenau zu bestimmen, kann eine aktive Gegenstelle d.h. ein aktives Target dazu ausgestaltet sein, aus der zum Zeitpunkt des Auftreffens mit dem winkelkodierten Datensignal bzw. evtl. Hilfsdaten modulierten Strahlung der Strahlebene, sowie mit einer zeitlichen Schwerpunkberechnung des Strahlempfangs zur Interpolation zwischen den übertragenen diskreten Winkelschritten die Winkelstellung der Drehung der Normalen der Strahlebene um die Drehachse zu bestimmen. Eine besonders vorteilhafte und typische Anwendung des Mess systems, der Licht emittierenden Basis und/oder eines erfin dungsgemäßen Messstrahlempfängers ist es, mobile Objekte, ins besondere Fahrzeuge, z.B. autonom fahrende Fahrzeuge, zu füh ren .

Schutz wird daher auch beansprucht für ein Verfahren zur Füh rung eines mobilen Objektes, insbesondere eines Fahrzeugs, bei dem eine strahlungsemittierende Basisstation und mindestens ein auf das mobile Objekt fest bezogener Messstrahlempfänger für deren Strahlung verwendet wird, wobei wenigstens ein wei terer Messstrahlempfänger stationär aufgebaut wird, eine vir tuelle Verbindungslinie zwischen der Basisstation und dem wei teren, stationär aufgebauten Messstrahlempfänger ermittelt wird, und dann unter Bezugnahme auf Strahlungserfassungen durch den fest auf das mobile Objekt bezogenen Messstrahlemp fänger und die virtuellen Verbindungslinie Führungsdaten für die Führung des mobilen Objektes ermittelt werden, bevorzugt indem eine Ebene bestimmt wird, in welcher die Verbindungsli nie zwischen der Basisstation und dem stationären Messstrahl empfänger liegt und welche zusätzlich eine festgelegte

Querneigung besitzt, und weiter bevorzugt eine Soll- Führungslinie in dieser Ebene bestimmt wird und weiter bevor zugt Führungsdaten bestimmt werden, um das mobile Objekt ent lang dieser Ebene zu führen. Die Querneigung kann z.B. durch einen vom Benutzer vorgegebenen Neigungswert definiert werden oder durch die Verbindungslinie der Basisstation zu einem wei teren, stationär aufgebauten Messstrahlempfänger.

Es wird somit insbesondere ein Verfahren zur Höhen- und Lage bestimmung eines Fahrzeuges mit einer Messanordnung zur opti schen oder quasioptischen Positionsbestimmung aufweisend min destens ein auf das Fahrzeug fest bezogenes aktives Target und mindestens eine Basisstation vorgeschlagen, wobei in deren Er fassungsbereich das aktive Target angeordnet wird und wobei mindestens ein weiteres, stationäres, aktives Target vorgese hen wird, und wobei durch die Verbindungslinie zwischen der Basisstation und dem stationären aktiven Target ein Segment eines virtuellen Führungsdrahtes, sowie eine virtuelle Laser ebene mit vordefinierter Querneigung aufgespannt wird, an der das Fahrzeug in seiner Arbeitshöhe, vergleichbar einem klassi schen Führungsdraht, mit Hilfe der durch die aktiven Targets gewonnenen Richtungswinkel der Basisstation, geführt wird.

Es ist eine vorteilhafte Möglichkeit eines solchen Verfahrens, dass eine Kette aus Segmenten einer virtuellen Verbindungsli nie derart aufgebaut wird, dass Strahlung, bevorzugt Licht strahlung, emittierende Basisstationen und stationär aufgebau ter aktive Gegenstellen, d.h. bevorzugt Messstrahlempfänger, entlang der Kette alternieren und diese Kette aus Segmenten den virtuellen Führungsdraht bilden. Hierbei können jeder Ba sisstation zwei virtuelle Laserebenen zugeordnet werden, die von den jeweils benachbarten stationären aktiven Gegenstellen bzw. Targets rechnerisch aus den Richtungswinkeln der Station bestimmt werden.

Dabei brauchen die aktiven Gegenstellen nicht zugleich als Ba sisstationen dienen, sondern können rein strahlempfangende ak tive Gegenstellen sein. Diese vorteilhafte Ausbildung führt zu einer erheblichen Reduktion des baulichen Aufwandes für die Errichtung einer virtuellen Verbindungslinie gegebener Länge bei gleicher Basisstation-Reichweite, also bei gleicher

Strahlleistung. Dass eine Kommunikation der verschiedenen Stützstellen untereinander in einem solchen System erfolgen kann, schon um gegebenenfalls andere Stationen über einen ei genen, möglicherweise aktuell kritischen Betriebszustand zu informieren und/oder um Betriebszustände anderer Stationen ab zufragen, sei als vorteilhafte Variante offenbart.

Es sei im Übrigen erwähnt, dass es bei einer vorteilhaften Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Führung eines mo bilen Objektes besonders bevorzugt ist, dass die zu verschie denen Segmenten bestimmbaren Führungsdaten geglättet und/oder zumindest bei den Übergangsstellen der Segmente interpoliert werden, bevorzugt jeweils unter Bezugnahme auf zusätzliche In formationen, besonders bevorzugt unter Bezugnahme auf Schnitt punkte der Richtungswinkel mit dem geplanten Verlauf einer Führungsbahn und/oder auf Odometer-Werte, wobei bevorzugt als Führungsdaten Steuerparameter für die automatische Bewegung des mobilen Objektes bestimmt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Verfah ren zur Führung eines mobilen Objektes auch mit Basisstationen aus dem Stand der Technik, z.B. gemäß Fig.l realisiert werden kann, was für sich genommen ebenfalls als erfinderisch angese hen wird, ebenso wie auch die Verwendung mit taumelnden

Strahlebenen als erfinderisch angesehen wird.

Darüber hinaus können die im oben beschriebenen Verfahren ver wendeten erfindungsgemäßen oder aus dem Stand der Technik be kannten Basisstationen analog zu EP 2 998 699 Al auch als Messstrahl-Transceiver ausgeführt werden, was ebenfalls als erfinderisch angesehen wird.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 Vier verschiedene beispielhafte Messanordnungen aus dem Stand der Technik, der in der Einleitung erläu tert ist.

Fig. 2 Eine Übersicht über eine bevorzugte Messanordnung. Fig . 3 Eine bevorzugte Messanordnung mit einem aktiven Tar get, wobei die Empfangssignatur des aktiven Targets für zwei verschiedene Höhen dargestellt ist.

Fig. 4 Eine Messanordnung mit einer aktiven Gegenstelle, die zwei Empfänger in bekanntem Abstand b vertikal über einander aufweist, um Zweideutigkeiten zu beseitigen und 3D-Koordinaten relativ zu einer Basisstation zu bestimmen .

Fig . 5 Eine Messanordnung mit einem aktiven Target, dem eine

GNSS-Antenne zur Beseitigung der Zweideutigkeit zuge ordnet ist, wobei durch das aktive Target die 3D- Koordinaten der GNSS-Antenne verbessert werden kön nen .

Fig. 6 Eine Messanordnung mit zwei Basisstationen zur Besei tigung der Zweideutigkeit mit Basisabstand b und zur Bestimmung von 3D-Koordinaten eines aktiven Targets.

Fig. 7 Sechs alternative Anordnungen von optischen Komponen ten in der Basisstation.

Fig. 8 Ein Schnittbild durch die Optomechanik einer beson ders bevorzugten Ausführung der Basisstation.

Fig. 9 Ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung der beson ders bevorzugten Ausführung der Basisstation.

Fig. 10 Ein Blockschaltbild einer besonders bevorzugten Aus führung des aktiven Targets.

Fig. 11 Beispiele und Erläuterungen zur möglichen Ausgestal tung der winkelkodierten Datensignale in der Basis station und nach Empfang im aktiven Target.

Fig. 12 Eine Anbringung der Lasersensoren an Baumaschinen bei einem Verfahren zur Führung von Baumaschinen im Stra ßenbau (Stand der Technik, bereits erklärt) .

Fig. 13 Eine Draufsicht auf einen Straßenverlauf bei einem

Verfahren nach dem Stand der Technik, der in der Ein leitung erläutert ist.

Fig. 14 Eine Anbringung der aktiven Targets beim vorgeschla genen Verfahren zur Höhen- und Lagebestimmung eines Fahrzeuges .

Fig. 15 Virtuelle Laserebenen und eine Interpolation am Über gang zwischen den Stützstellen bei Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer virtuellen Führungslinie bzw. Stringline. Fig. 16 Eine Draufsicht auf einen Straßenverlauf und Straßen fertiger bei der Ausführung des auch mit Fig. 15 er läuterten Verfahren mit virtueller Stringline.

Fig. 2 zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Messanordnung aufweisend eine Basisstation 2, von welcher Messstrahlung in eine Ebene emittiert wird, wobei die Basisstation 2 für eine Taumelbewegung der Strahlebene 4 ausgebildet ist, durch welche die Lage der Normalen 6 der Strahlebene 4 auf bekannte Weise so geändert wird, dass eine Reihe von Orientierungen der

Strahlebene-Normalen 6 in bekannter Weise durchlaufen werden, vgl. Phasenwinkel y (psi) . Weiter weist die Messanordnung 1 eine aktive Gegenstelle 3 für den Empfang der von der Basis station 2 ausgestrahlten Messstrahlung, d.h. ein aktives Tar get 3 auf.

Die Basisstation 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem hinreichend stabilen Dreifuss-Stativ 36 angeordnet und emittiert als Messstrahlung sichtbares Licht. Im darge stellten Ausführungsbeispiel steht die Basisstation 2 so, dass eine Achse 8 lotrecht ausgerichtet ist. Wie noch mit Bezug auf die Figuren 7 erläutert werden wird, rotieren in der Basissta tion 2 strahlablenkende optische Elemente um die Achse 8. Die Taumelbewegung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 wird dabei so bewirkt, dass die Normale 6 auf die Strahlebene 4 gegen die Achse 8 um einen Winkel (alpha) geneigt ist und ein Endpunkt eines die Achse 8 schneidenden Normalen-Einheitsvektors 6 auf einem Kreis um die Achse 8 um läuft. Der Phasenwinkel y (psi) gibt an, in welcher Phase des Kreisumlaufs sich dieser Norma lenvektor befindet.

Das aktive Target 3 kann an einem zu vermessenden Objekt

(nicht gezeigt) beispielsweise lösbar oder unlösbar befestigt sein, an dieses gehalten werden oder zur Messung einer Positi on bei dieser fest oder beweglich aufgestellt sein. Es wird verständlich sein, dass die taumelnde Strahlebene eine auf ge eigneter Höhe angeordnete aktive Gegenstelle 3 bei jedem Tau melzyklus zweimal überstreicht. Das aktive Target 3 weist ein lichtempfindliches Element auf, um bei dem durch Überstreichen bewirkten Empfang der Messstrahlung jeweils ein charakteristi sches Signal zu erzeugen. Aus der Signatur dieses charakteris tischen Signals, symbolisiert durch die Kurve am Empfänger 42 in Fig. 2, kann auf die Orientierungen der Normalen zu jenen Zeiten, an welchen die Messstrahlung empfangen wird, geschlos sen werden, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.

Um eine taumelnde Strahlebene zu erzeugen, ist in der Basis station 2 ein optoelektronisches Strahlsendelement 12 angeord net, vergleiche Fig. 7a - 7f, wobei dem optoelektronischen Strahlsendelement 12 dessen Strahl formende und umlenkende optische Elemente nachgeordnet sind. Es gibt eine Vielzahl op- tischer Anordnungen, mit denen die gewünschte Taumelbewegung der Strahlebene 4 erreicht werden kann. Von dieser Vielzahl optischer Anordnung seien einige mit Bezug auf die Figuren 7a bis 7f beschrieben.

In Fig. 7a ist die Anordnung der optischen Komponenten einer besonders bevorzugten Variante der Basisstation 2 gezeigt. Hierbei ist das optoelektronische Strahlsendelement 12 eine Laserdiode 12, die ein divergentes Strahlbündel emittiert. Dieses wird mittels eines Kollimators 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als bikonvexe Linse bester Form ausgebil det ist, in einen weitgehend parallelen kollimierten Strahl umgewandelt. Dieser kollimierte Strahl trifft nachfolgend auf eine rotierende Strahlablenkungskomponente 7, bei der es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 7a um ein rotie rendes Winkelprisma handelt. Das Winkelprisma rotiert dabei um die Drehachse 8, welche wiederum parallel zur Ausbreitung des kollimierten Strahlbündels 11 ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Drehachse 8 lotrecht und die taumelnden Strahlebene 4 hat ei nen Normalen-Vektor 6, der um den Ablenkwinkel alpha gegen die lotrechte Drehachse 8 geneigt ist. Für den Antrieb der Winkel prisma-Rotation ist ein die Drehbewegung erzeugender, in Fig. 7a nur schematisch dargestellter elektrischer Motor 18 vorge sehen .

Das damit entsprechend einer bei Winkelprisma-Rotation zyk lisch in unterschiedliche, aber stets schräg gegen die Lot rechte 8 stehende Richtungen abgelenkte, kollimierte Strahl bündel fällt im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 dann auf einen 90° Kegelspiegel 5, der das abgelenkte kollimierte Strahlbün del in eine Strahlebene 4 umwandelt und dabei weiter neigt.

Die Neigung der Strahlebene 4 ist dabei hinter dem Kegelspie gel 5 so, dass die Normale 6 auf die Strahlebene 4 im Winkel alpha schräg zur lotrechten Drehachse 8 steht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, läuft die Normale 6 entsprechend der Winkelpris marotation zyklisch um die Lotrechte 8, sodass die Strahlebe- nen-Normale 6 immer wieder dieselbe Orientierung einnimmt, während das Winkelprisma rotiert und wobei die momentane Ori entierung der Strahlebenen-Normalen 6 jederzeit bekannt ist, sofern bekannt ist, wie das Winkelprisma durch die vom Drehmo tor 18 bewirkte Winkelprisma-Rotation um die lotrechte Dreh achse 8 momentan orientiert ist. Es wird unten noch eine be vorzugte Möglichkeit angegeben, wie eine momentane Orientie rung des Winkelprismas durch die vom Drehmotor 18 bewirkte Winkelprisma-Rotation bestimmt und dem aktiven Target 3 mitge teilt werden kann.

Da der Kegelspiegel 5 das abgelenkte, kollimierte Strahlbündel zu einer Strahlebene aufweitet, wird insoweit eine Strahlauf weitungskomponente realisiert. Zu beachten ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, dass die Strahlebene eine endliche Dicke aufweist und sich diese Dicke zudem in unterschiedlichen Richtungen unterschei det. Dies ist an Fig. 7a und 7b erkennbar. Dieser Effekt vari ierender Dicken kann am besten verstanden werden, wenn ange nommen wird, dass die Spitze des Kegelspiegels 5 exakt über der lotrechten Achse 8 liegt und im Übrigen die durch die Spitze des Kegelspiegels 5 verlaufende Kegelspiegel- Symmetrieachse exakt auf der lotrechten Achse 8 liegt. Weiter sei angenommen, dass der Kollimator die Strahlung aus dem optoelektronischen Strahlsendelement 12 auf ein präzise kreis förmiges und homogenes Bündel paralleler Einzelstrahlen kolli- miert. (Explizit darauf hingewiesen sei, dass diese Annahmen einer exakten Ausrichtung nur gemacht werden, um den Effekt der unterschiedlichen Dicken besser erläutern zu können, dass aber die Realisierung der Annahmen für die praktische Ausfüh rung nicht zwingend erforderlich ist und die Erfindung oder das besondere Ausführungsbeispiel keinesfalls auf die angenom mene Exaktheit beschränkt sein sollen. Die Leser seien daher explizit darauf hingewiesen, dass weder eine exakte Anordnung der Kegelspiegel-Spitze auf der lotrechten Achse, noch die exakte koaxiale Ausrichtung der durch die Spitze des Kegel spiegels 5 verlaufenden Kegelspiegel-Symmetrieachse mit der lotrechten Achse noch ein wie beschrieben exakt divergenzfrei kollimiertes und exakt kreisförmiges Strahlbündel praktisch erforderlich sind, sondern jeweilige Ungenauigkeiten und Ab weichungen gegebenenfalls ohne weiteres hingenommen werden können oder, wo eine höhere Präzision gewünscht ist, Korrektu ren von Ungenauigkeiten möglich sind. Dass sich gleichwohl oh ne großen Aufwand hohe bauliche Präzisionen in Richtung auf die zur besseren Erläuterung gemachten vereinfachenden Annah men hin erzielen lassen, sei jedoch erwähnt.)

Unter den gemachten, vereinfachenden Annahmen der Kegelspie- gel-Ausrichtung kann besonders gut verstanden werden, weshalb die Strahldicke in unterschiedlichen Richtungen variiert, in dem für zwei Richtungen jeweils zentrale bzw. am äußeren Rand des kollimierten Strahlbündels liegende Strahlen betrachtet werden, nämlich jene in der Richtung mit vom Kegelspiegel 5 weg größter aufsteigender Strahlebenen-Neigung bzw. die ent sprechenden Strahlen in der dazu diametral entgegengesetzten Richtung mit am stärksten absinkender Strahlebenen-Neigung.

Die zentralen Strahlen des kollimierten Strahlbündels treffen sehr nahe bei der Kegelspitze auf den Kegelspiegel 5. Sie wer den jeweils, also in jener Richtung, in welcher die Strahlebe ne aufsteigt, als auch in der diametral entgegengesetzten Richtung, in welcher die Strahlebene absinkt, die untere Gren ze der Strahlebene definieren. Weil das kollimierte Strahlbün del gegen die Lotrechte 8 und somit die Kegelspiegelachse ge neigt ist, laufen die äußeren Strahlen des Strahlbündels aber auf der einen Seite auf die lotrechte Achse 8 zu, wohingegen die äußeren Strahlen auf der diametral entgegengesetzten Seite von der lotrechten Achse 8 weg laufen. Dementsprechend treffen die äußeren Strahlen des kollimierten Strahlbündels den Kegel spiegel 5 in jeweils unterschiedlichen Höhen. Dies ist in Fig. 7a gut zu erkennen. Dieses Auftreffen in unterschiedlicher Hö he führt nach der Ablenkung durch den Kegelspiegel 5 dazu, dass die Dicke der Strahlebene zu den unterschiedlichen Rich tungen hin unterschiedlich ist. Fig. 7b zeigt, dass sich die Dicke der Strahlebene in einer Richtung entsprechend der Ände rung der Strahlneigung ändert. Dabei ist in Fig.7b die gleiche Anordnung wie Fig. 7a gezeigt, nur dass hier die Lage der Strahlengänge zusätzlich strichpunktiert für eine um 180° wei tergedrehte Stellung des Winkelprismas gezeigt ist.

Zu beachten ist, dass die unterschiedliche Dicke sich aus wirkt, wenn bestimmt wird, wann ein Lichtempfänger von der taumelnden Strahl-Ebene überstrichen wird.

Dieser Effekt ist aber genau berechenbar und kann rechnerisch kompensiert werden. Außerdem kann die Spitze des Kegelspiegels fast die Oberfläche des Winkelprismas ohne Strahlabschattungen der Strahlebene berühren, wenn der Neigungswinkel der Strahl ebene exakt dem Prismenwinkel entspricht, was bei einem Bre chungsindex von 2.0 beim Material des Winkelprismas der Fall ist. Die entsprechenden Abbildungsfehler, die zu der variie renden Dicke führen, sind also in der Praxis unkritisch.

Fig. 7c zeigt, dass und wie die oben beschriebenen, Strahlebe nendicke verändernden Versatzprobleme optisch weitgehend aus geglichen werden können. Die in diesem Ausführungsbeispiel zur Strahlablenkung verwendeten optischen Elemente umfassen neben einem wiederum verwendeten Winkelprisma 7 eine zwischen dem Kollimator 10 und dem Winkelprisma 7 im Strahlengang angeord nete, gegen die Achse des kollimierten Strahles verkippte, planparallele Platte. Die verkippte planparallele Platte ist drehfest mit dem Winkelprisma 7 gekoppelt, sodass die verkipp te, planparallele Platte bei Rotation des Winkelprisma 7 von Fig. 7c mitrotiert. Die Strahlablenkungskomponente umfasst in diesem Ausführungsbeispiel also neben dem Winkelprisma auch eine verkippte Parallelplatte.

Fig 7d zeigt eine weitere Ausführungsform, welche sich von je ner der Fig. 7a insoweit unterscheidet, als bei Fig. 7d der parallele kollimierte Strahl zu einem Ringsstrahl umgeformt wird, also eine Intensität über die Querschnittsfläche hat, welche im Zentrum nur gering ist und welche einen ringförmigen Bereich höherer Intensität entfernt vom Zentrum besitzt. Die ses Ringstrahl-Profil wird erhalten, indem dem Kollimator zwei Axicons hinzugefügt werden. Das Ringstrahlprofil hat Vorteile bezüglich der Divergenz der Strahlebene in der Vertikalen, weshalb ein Strahl gegebener Leistung noch in größerer Entfer- nung von der Basisstation 2 nachweisbar ist. Die Reichweite einer Basisstation 2 und die mit einer Basisstation 2 erziel baren Messgenauigkeiten können unter Verwendung eines solchen Ringstrahl-Profils verbessert werden.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 7e ist der Kegelspiegel 5 von Fig. 7a durch ein 90° plankonkaves Axicon ersetzt. Das darge stellte plankonkave Axicon ist im Ausführungsbeispiel als senkrechter Kreiszylinder mit einer zum Lichtsender 12 hin planen Stirnfläche und mit einer kegelförmigen Eintiefung auf der vom Lichtsender 12 abgewandten Stirnfläche gebildet. Die Oberflächen dieses plankonkaven Axicons sind optisch poliert. Ein von der Seite des Lichtsenders 12 her in die plane Stirn fläche des plankonkaven Axicons eintretendes Strahlenbündel wird durch innere Total-Reflexion an der kegelförmigen Eintie fung umgelenkt und tritt aus der Mantelfläche aus. Die Verwen dung eines solchen plankonkaven Axicons hat bei der mechani schen Auslegung einer Basisstation 2 Vorteile, weil das Axicon - anders als ein Kegelspiegel - leicht gehalten werden kann, ohne dass ein Glasrohr, ein Glasgehäuse oder gar nichttranspa rente Bügelstrukturen Teile des Strahl abschatten oder Strah len bei Durchtritt abschwächen.

Durch seine zylindrische Form kann das gezeigte Axicon insbe sondere unterhalb des Strahlaustrittsbereiches mit geringem Aufwand gemeinsam mit den rotierenden, strahlablenkenden opti schen Elementen koaxial zur Rotationsachse gehalten werden, beispielsweise in einem geeigneten Rohr. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Spitze der kegelförmigen Eintiefung des Axicons nicht so nahe an der Austrittsfläche eines strahlab lenkenden Winkelprismas angeordnet werden kann, wie dies für die Spitze des Kegelspiegels 5 von Fig. 7a der Fall ist. Weil sich aus diesem Grund die zuvor beschriebene, zu unterschied lichen Strahlebenen-Dicken führende Ablenkung durch das rotie rende Winkelprisma stärker auswirken würde, wird es bevorzugt, dort, wo anstelle des Kegelspiegels 5 ein plankonkaves Axicon eingesetzt wird, anstelle des einzelnen rotierenden Winkel prismas von Fig. 7a zwei gegeneinander arbeitende, den Strahl unterschiedlich stark ablenkende Winkelprismen zu verwenden, die gemeinsam ein mittiges oder nahezu mittiges Auftreffen des abgelenkten Strahles auf die Kegelfläche des plankonkaven Axi cons gewährleisten.

Eine Ausführungsform, die zwar keine besonders hohen Mess genauigkeiten ergibt, aber besonders kleine Baugrößen und ge ringste Kosten zulässt, ist in Fig. 7f gezeigt. In diesem Aus führungsbeispiel ist das Mittel zur Strahlablenkung identisch mit dem Mittel zur Strahl-zu-Strahlebenen-Aufweitung . Mit an deren Worten ist hier die Strahlablenkungskomponente 7 iden tisch mit der Strahlebenenaufweitungskomponente 5. Dabei wird ein Kegelspiegel 5 verwendet, dessen Symmetrieachse zur (in Fig. 2 lotrechten) Drehachse 8 um einen Winkel alpha/2 ver- kippt ist. Dies stellt eine überragend einfache Lösung dar, ist aber mit Problemen in der Stabilität der Ablenkung behaf tet, weil sich dynamische Fehler der mechanischen Lagerung der Drehachse bei üblicher Auslegung und üblichen Neigungswinkeln der Normalen der Taumelebene mehr als lOx stärker auswirken als bei der Anordnung von Fig. 7a. Diese Variante aus Fig. 7f ist also nur zu bevorzugen, wenn es nicht auf höchste Mess genauigkeit ankommt, dafür aber auf kleinste Baugröße und ge ringste Kosten, wie z.B. bei der miniaturisierten Integration der Basisstation in ein Smartphone oder dergleichen.

Die gezeigten optischen Komponenten erlauben eine vorteilhafte optomechanische Konstruktion von Basisstationen 2. Dies sei beispielhaft an Fig. 8 für einen mechanischen Aufbau einer weitgehend der Konfiguration aus Fig. 7a entsprechenden Aus führungsform erläutert.

Fig. 8 zeigt dabei ein Schnittbild durch die Optomechanik die ser besonders bevorzugten Variante der Basisstation 2.

Das optoelektronische Strahlsendelement 12 ist dabei eine La serdiode, die ein divergentes Strahlbündel emittiert. Das di vergente Strahlbündel wird durch eine Kollimatorlinse 10 in einen parallelen (auf Unendlich) fokussierten Strahl umgewan delt. Wie ersichtlich, sind die Laserdiode 12 und die Kollima torlinse 10 fest zueinander montiert. Sie befinden sich im In neren einer um sie herum drehbaren Hohlwelle 8, die fest mit dem Winkelprisma 7 verbunden ist; genauer ist das Winkelprisma in die Hohlwelle eingesetzt.

Die Hohlwelle ist durch eine spielfrei vorgespannte Lagerein heit 9 drehbar gelagert und wird durch den als bürstenloser Motor 18 realisierten Dreh-Antrieb angetrieben und so gemein sam mit dem Winkelprisma in Drehung versetzt. Dazu weist der Motor 18 einen Stator 19 und einen mit der Hohlwelle drehfest verbunden Magnetrotor 20 auf. Auf dem Rotor ist dabei zugleich eine Encoderscheibe 21 angebracht, die von zwei Encoderlese köpfen 22 abgetastet wird. Aus den bei Abtastung der Encoder scheibe 21 mit Hilfe der Encoderleseköpfe 22 gewonnenen Signa len kann der Drehwinkel des Magnetrotors in Echtzeit bestimmt werden und gleichzeitig ein Zentrierfehler der Encoderscheibe, sowie Lagerschlag kompensiert werden.

Da das durch das Winkelprisma abgelenkte, kollimierte Strahl bündel auf den Kegelspiegel 5 fällt, was das Strahlbündel wie zuvor diskutiert zu einer schräg stehenden Strahlebene aufwei tet und bei Rotation des Winkelprismas zu dem gewünschten be kannten Taumeln der Strahlebene führt, kann aus den Signalen, die mit den Encoderleseköpfen 22 durch die Abtastung der En coderscheibe 21 gewonnen werden, nicht nur der Drehwinkel des Magnetrotors in Echtzeit bestimmt werden, sondern es ist zu gleich auch die Drehausrichtung des Winkelprisma und ergo der Phasenwinkel im Bewegungszyklus der Strahlebenen-Normale 6 be kannt .

Die Basisstation weist zum Schutz der optischen Komponenten strahlaustrittsseitig eine transparente, als Glasgehäuse oder, bevorzugt als stirnseitig verschlossenes Glasrohr geformte Ab deckung 38 auf, durch welche die taumelnde Strahlebene in den zu vermessenden Messraum austritt.

Zur Steuerung insbesondere der Strahlemission durch die Laser diode 12 und des Drehantriebes durch den Motor 18 ist eine Steuereinheit 23 vorgesehen, welche die elektrischen Drehwin kelsignale der Encoderleseköpfen 22 erfasst und daraus ein (unter Zuhilfenahme von Winkelkalibrierdaten winkelkodiertes) Datensignal 14 erzeugt, das zur Modulation der Strahlungsleis tung an die Treiberschaltung 13 der Laserdiode 12 gespeist wird .

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild dieser Steuereinheit. Die Steuereinheit weist eine Stromversorgung 24 und Schnittstellen für Kalibrierung und Debugging auf. Die Steuereinheit weist weiter eine geeignete Encoder- und Motorelektronik 25 auf, über welche sie mit dem Motor 18 und den Encoderleseköpfen 22 so in Verbindung steht, sodass eine Zentrale Recheneinheit 33 die Motordrehzahl festlegen kann.

Bevorzugt verwaltet die Steuerung weiter nicht nur ein Benut zerinterface 27, sondern auch ein z.B. in RFID- oder NFC- Technologie ausgeführtes, drahtloses Lesegerät 26 für Positi onstags bzw. Transponder 37, die am Stativ 36 angeordnet bzw. an der Anschlussstelle zwischen Stativ und Basisstation (z.B. am Dreifuß, Tribrach oder Nivellierplatte) angebracht sein können und vorher ermittelten absoluten Positionen, wie sie etwa im Vorfeld einer Vermessung mittels statischen GNSS aus gemessen werden können, entsprechen. Eine solche Bezugnahme auf absolute, z.B. mittels statischem GNSS oder tachymetrisch eingemessene Positionen für die Stative der Basisstationen er laubt es, dort, wo eine virtuelle Führungslinie gewünscht wird, mit nur wenigen, entsprechend einem Baufortschritt mit wandernden Basisstationen eine ausgedehnte virtuelle Führungs linie zu errichten, was zu einer erheblichen Kostensenkung ge genüber dem Stand der Technik bei zugleich verbessertem Hand ling durch die Benutzer führt.

Dass der Ansatz der Einmessung von Basisstation- Aufstellpunkten auf statische Absolutpositionen, insbesondere mit Hilfe von statischem GNSS oder Tachymetern, und Speiche rung dieser Daten in einem Transponder am Stativ bzw. Auf stellpunkt der Basistation gegenüber dem Stand der Technik als vorteilhaft angesehen wird und es als für sich genommen schutzfähig angesehen wird, um z.B. eine virtuelle Führungsli nie mit Basisstationen aufzubauen, welche entsprechend einem Baufortschritt von einer statisch eingemessenen Position zu einer nächsten statisch eingemessenen Position mitwandern, sei erwähnt. Die Einreichung hierauf gerichteter Teilanmeldungen ist explizit Vorbehalten. Betont sei, dass ein solches Verfah ren auch mit herkömmlichen Basisstationen anwendbar ist, wel che keine auf definierte und erfasste Weise taumelnden Strahl ebenen emittieren. Ebenso ist dieses Verfahren insbesondere anwendbar auf aus dem Stand der Technik bekannte Tachymeter sowie auf Zweineigungslaser und dergleichen.

Dort, wo die Steuerung 23 dazu ausgebildet ist, absolute Posi tionen zu erfassen, beispielsweise absolute Positionen zuvor ausgemessener Positionstags , ist die Steuereinheit 23 bevor zugt dazu ausgebildet, den von den aktiven Targets empfangba ren Strahl dergestalt zu modulieren, dass diesen die absolute Position der jeweiligen Basisstation 2 regelmäßig, beispiels weise alle paar Sekunden mitgeteilt wird. Die Absolutposition stellt insoweit eine Hilfsinformation dar, die der von der Ba sisstation ausgesendeten Strahlung aufmoduliert werden kann.

Es sei erwähnt, dass gegebenenfalls auch die Möglichkeit be steht, die Basisstation 2 mit einem eigenen GNSS- Empfänger zu versehen, was gegebenenfalls eine Vorab-Ausmessung von Soll- AufStellpositionen für die Basisstationen 2 erübrigt.

Die Basisstation 2 weist weiter einen Neigungskompensator 28 auf, der ein neigungsindikatives Signal an die Steuerung 23 ausgibt, welches ebenfalls zur wiederholten Modulation der ausgesendeten Strahlung verwendbar ist.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit 23 eine Interpolationsschaltung 31 auf, mit wel cher jene Datenworte, die die Winkelpositionen kodieren, an exakt auf die Encoder kalibrierten Positionen ausgegeben wer den. Durch Hinterlegung entsprechender Korrekturdaten in einem Kalibrierspeicher 32 können dabei Encoderscheiben mit schlech terer Linearität so genau kalibriert werden, dass trotz schlechterer Linearität hochgenaue Winkeldaten erzeugt werden. Die dazu notwendigen Korrekturdaten können bei der Herstellung für jede Encoderscheibe ohne weiteres bestimmt und hinterlegt werden; es sei darauf hingewiesen, dass der Kalibrierspeicher insbesondere als nichtflüchtiger Speicher ausgelegt sein kann.

Die Interpolationsschaltung 31 setzt die bevorzugt auf ganz zahlige Indexe bei festen Winkelschritten bezogenen Winkelda ten, sowie bevorzugt auch andere Hilfsinformationen, in ein für die Modulation der Strahlung geeignetes Datenformat um und sorgt dabei wie erforderlich auch für das Vorhandensein von Redundanzen und Checksummen.

Eine gegenüber der Übertragung von Winkelinformation an festen Winkelpositionen bevorzugte Variante besteht darin, Winkelin formation in festen Zeitabständen zu übertragen. Die somit zu festen Zeitpunkten gegebenen Winkel können in der Basisstation durch Interpolation der Winkelencoderdaten bestimmt werden und dann zu den festen Zeitpunkten als Winkelinformationen über tragen werden. Dies hat den Vorteil, dass an der aktiven Ge genstelle der Beginn von Datenworten auch ohne hervorgehobene Startimpulse sehr gut detektiert werden kann. Dies wiederum ist vorteilhaft, weil die zur Verfügung stehende Laserleistung besser nutzbar ist und somit die Reichweite der Basisstation erhöht werden kann.

Als zur optischen Datenübertragung passende Datenformate sei beispielhaft das MPPM-Format bzw. ein modifiziertes MPPM Sig nal mit acht Symbolen, d.h. optischen Pulsen, an 128 Positio nen erwähnt, das eine Kodierung von 40 Bit Information pro Da tenwort erlaubt. Die Verwendung eines PPM-Datenübertragungs- protokolles, also auch anderer Datenprotokolle als das MPPM- Protokoll, zur Aufmodulation auf die von Basisstationen emit tierte Messstrahlung wird für sich als erfinderisch angesehen, und zwar auch für ansonsten nach dem Stand der Technik kon struierte Basisstationen, Rotationslaser und dergleichen.

Bevor dieses verwendete Datenprotokoll genauer erläutert wird, sei auf den Aufbau der aktiven Gegenstelle 3 eingegangen. Dies ist insoweit sinnvoll, als das vorteilhaft verwendete Daten protokoll so ausgebildet ist, dass sich mit preisgünstigen, robusten Empfängern besonders hohe Genauigkeiten erzielen las sen .

In Fig. 10 ist das Blockbild der zur oben beschriebenen Basis station 2 gehörigen aktiven Gegenstelle, d. h. des aktiven Targets 3 gezeigt. Das aktive Target 3 weist, insbesondere für die Verwendung mit Baumaschinen, einen Empfangskollimator 40 auf, mit welchem Licht auf einen Lichtleiter 41 fokussiert und in diesen eingekoppelt wird. Der Lichtleiter 41 leitet von der Basisstation 2 eintreffende Strahlung auf ein lichtempfindli ches optoelektronisches Element wie eine Fotodiode. Bei dem Lichtleiter 41 kann es sich insbesondere um eine polymeropti sche Faser (POF) handeln, die mehrere Meter Länge besitzen kann und eine räumliche Trennung zwischen dem Eintrittsbereich für Strahlung in das aktive Target 3 und den für die Erfassung und Auswertung einer Strahlungsempfangs-Signatur verwendeten optoelektronischen und elektronischen Bauelementen erlaubt.

Beim Überstreichen der Strahlebene über den Empfangskollimator 40 wird die Lichtstrahlung auf den Lichtleiter 41 fokussiert und in diesen eingekoppelt. Der Empfänger 42, der als eigen ständige Komponente realisiert werden kann und z.B. bei Bauma schinenanwendungen sicher im Maschineninneren angebracht wer den kann, steht damit nur über den Lichtleiter 41, der mehrere Meter lang sein kann, mit der Außenwelt in Verbindung. Der eigentliche Messpunkt liegt bei einer solchen Anordnung am Empfangskollimator 40, der außen an einer Baumaschine ange bracht sein kann, was erhebliche Vorteile unter anderem bezüg lich der Gesamt-Erschütterungsempfindlichkeit und der Wasser dichtigkeit der Anordnung bietet. Dem lichtempfindlichen opto elektronischen Element kann ein optisches Filter zur Unterdrü ckung optischer Störstrahlung zugeordnet sein, wobei typi scherweise ein Bandpassfilter 43 mit einem um die Emissions wellenlänge der Basisstation 2 nur wenige Nanometer breiten Wellenlängendurchlassbereich verwendet wird. Dieser Filter kann zum Beispiel vor einer Eintrittslinse in den Empfangskol limator 40, innerhalb des Empfangskollimators 40, zwischen Empfangskollimator 40 und dem Lichtleiter oder zwischen Licht leiter und lichtempfindlichen elektronischem Element liegen. Bevorzugt ist es dabei jedoch, das optische Filter möglichst nah am optoelektronischen Element vorzusehen, weil in einem solchen Fall typisch ein Filter mit nur geringer baulicher Größe verwendbar ist, was preisliche und Gewichtsvorteile bie tet .

Das bevorzugt optisch gefilterte Licht fällt nun als optisches Empfangssignal 44 auf das lichtempfindliche optoelektronische Empfangselement 45. Besonders bevorzugt ist es, hierfür eine übliche Avalanche-Photodiode (APD) oder einen linear betriebe nen Silizium-Photomultiplier zu verwenden, dessen Vorspannung von der Recheneinheit 53 kontrolliert wird.

Das lichtempfindliche optoelektronische Empfangselement gibt ein elektrisches Signal aus, welches in eine Signalkonditio nierungsschaltung 48 geführt ist, wobei im vorliegenden Bei spiel ein Transimpedanzverstärker (TIA) mit analogem Optimal filter eingesetzt wird. Das nach Signalkonditionierung erhal tene analoge Ausgangssignal wird wiederum durch einen Hochge- schwindigkeits-ADC 49 in Daten eines digitalen Datenstroms 50 gewandelt. Dieser Datenstrom wird einer digitalen Vorverarbei- tungs- und Kompressionsschaltung 51 zugeführt, die den empfan genen Datenstrom digital weiter aufbereitet, indem der Daten strom von Rauschen und unnützen oder störenden Signalen wie Störereignissen durch Streulicht bereinigt wird, um einer nachfolgenden Recheneinheit nur jene Daten des Datenstroms zu zuführen, die zur Weiterverarbeitung tatsächlich notwendig sind. Eine solche digitale Datenstromaufbereitung komprimiert also den Datenstrom.

Vorteilhaft ist, dass eine solche Datenkompression mit beson ders preiswerten Datenverarbeitungseinheiten durchführbar ist, insbesondere deshalb, weil immer wieder die gleichen Datenver arbeitungsschritte durchgeführt werden müssen. Für derartige Schritte bieten sich besonders konfigurierbare Bausteine wie FPGAs an. Da diese einen nur geringen Stromverbrauch aufweisen und es erlauben, für die Weiterverarbeitung des komprimierten Datenstromes eine Recheneinheit mit vergleichsweise geringer Rechenleistung zu verwenden, ist die Verwendung einer Daten kompression insgesamt vorteilhaft. Erwähnt sei diesbezüglich insbesondere, dass durch die Verwendung eines FPGA-basierten Datenkompressors der sonst erforderliche Stromverbrauch auf ca. 1/10 reduziert werden kann, was insbesondere dort vorteil haft ist, wo die aktiven Targets 3 als vollintegrierte, mit tels Batterien versorgte Handempfänger, vorzugsweise vollinte grierte Handempfänger ohne die vorerwähnten Lichtleiter ausge bildet werden sollen. Erwähnt sei aber, dass insbesondere dort, wo der Stromverbrauch eine allenfalls untergeordnete Rolle spielt und zugleich eine Recheneinheit mit ausreichend hoher Rechenleistung zur Verfügung steht, auf den Kompressor 51 auch verzichtet werden könnte.

Als bevorzugt erwähnt sei, dass der Empfänger, d.h. das aktive Target 3, weiter mit Kommunikationsschnittstellen 54, vorlie gend insbesondere für die Funkanbindung über WLAN ausgestattet ist, um mit anderen aktiven Targets 3 wie erforderlich zu kom munizieren und errechnete Positionsinformationen weiterzuge ben .

Mit der beschriebenen Messanordnung 1, die die Basisstation 2, die eine auf bekannte Weise taumelnde Strahlebene erzeugt, und einer aktiven Gegenstelle 3 aufweist, kann bestimmt werden, in welchem Winkel gegen die Horizontale eine zwischen der aktiven Gegenstelle einerseits und dem in der Basisstation zwei lie genden Taumelzentrum der Strahlebene andererseits gedachte Verbindungslinie ansteigt. Dieser Neigungswinkel wird im Fol genden als vertikaler Richtungswinkel bezeichnet. In Fig. 2 ist er mit dem griechischen Buchstaben l (lambda) bezeichnet.

Soll gemäß Fig. 2 die Position der aktiven Gegenstelle 3 rela tiv zur Basisstation 2 in Kugelkoordinaten angegeben werden, deren Mittelpunkt das Zentrum der Strahlebenen-Taumelbewegung ist, so wird neben dem vertikalen Richtungswinkel noch ein ho rizontaler Richtungswinkel und der Abstand zur Basisstation 2 benötigt. Es versteht sich, dass für den vertikalen Richtungs winkel und den horizontalen Richtungswinkel eine Richtung mit 0° festgelegt werden muss. Für den vertikalen Richtungswinkel ist eine exakt horizontale Richtung mit Steigung Null beson ders ausgezeichnet. Für den horizontalen Richtungswinkel kann die Richtung dagegen per se beliebig festgelegt werden. Wäh rend in der Praxis Richtungen wie Norden besonders ausgezeich net wären, kann vorliegend als ausreichend angesehen werden, wenn der horizontale Richtungswinkel auf jene als 0° festge legte Richtung bezogen wird, auf welche der Phasenwinkel im Bewegungszyklus der Strahlebenen-Normalen bezogen ist. Oben stehend wurde diesbezüglich bereits erläutert, dass der Pha senwinkel im Bewegungszyklus der Strahlebenen-Normalen einem Drehwinkel des das Winkelprisma antreibenden Drehmotors ent spricht und dass dieser Drehwinkel mit einem Winkelencoder be stimmt werden kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann dessen O-Richtung für die Festlegung der horizontalen Richtung 0° herangezogen werden.

Der Einsatz der oben beschriebenen Optik in der Basisstation 2 bewirkt aufgrund der gezielt erzeugten Taumelbewegung, dass die Strahlebenen-Normale 6 auf einem Kreis umläuft wie in Fig. 2 dargestellt, wobei jede aktive Gegenstelle 3 je Kreisumlauf, also je Taumelzyklus zweimal überstrichen wird (jedenfalls so weit sich die Strahlungseintrittsfläche der aktiven Gegenstel le 3 zwischen der höchsten Höhe und der niedrigsten Höhe be findet, welche die Strahlebene annehmen kann) . Das Überstrei chen geschieht zu bestimmten Phasenwinkeln. Sind die beiden Phasenwinkel yi und Y2, zu denen die aktive Gegenstelle über strichen wird, bekannt, so berechnet sich der horizontale Richtungswinkel zunächst einfach aus deren Mittelwert, ent spricht also (yi + Ü_{2 )} /2.

Für die Bestimmung des vertikalen Richtungswinkels l (lambda), also des Anstieg- oder Abfallwinkels einer gedachten Verbin dungslinie zwischen einerseits der aktiven Gegenstation und andererseits dem in der Basisstation 2 liegenden Taumelzentrum der Strahlebene, muss zusätzlich der Winkel herangezogen wer den, in welchem die Normale 6 auf die Strahlebene 4 gegen die lotrechte Achse 8 geneigt ist. Dieser Winkel ist in Fig. 2 als Winkel (alpha) bezeichnet.

Bei gegebenen Phasenwinkeln yc und Y2, zu denen die aktive Ge genstelle 3 von der taumelnden Strahlebene 4 überstrichen wird, kann mit diesen Größen der vertikale Richtungswinkel l (lambda) berechnet werden gemäß

In Fig. 3 ist hierzu symbolisch gezeigt, wie es sich auf den Abstand der Überstreichungs-Ereignisse auswirkt, wenn das ak tive Target in gegebener Entfernung von der Basisstation 2 seine Höhe verändert. Mit der Höhenänderung einher geht eine Veränderung des zeitlichen Abstandes der Überstreichungs- Ereignisse, weil die Strahlebene 4 je nach Targethöhe unter schiedlich lange benötigt, um nach einem ersten Überstreichen zu einer Ausrichtung weiter zu taumeln, in welcher das zweite Überstreichen beobachtet wird. Die unterschiedlich langen Zeitdauern entsprechen einsichtiger Weise zugleich unter schiedlich weiten Drehungen der ihren Bewegungzyklus durchlau fenden Strahlebenen-Normalen 6. Es ist aber aus Fig. 3 auch ersichtlich, dass der mittlere Zeitpunkt zwischen den zwei Überstreichungen nicht von der Targethöhe abhängt. Dass dieses Verhalten den oben angegebenen Formeln vollständig entspricht und darin zum Ausdruck kommt, sei betont. Zu beachten ist allerdings, dass bei der einfachen Anordnung wie jener von Fig. 2 zunächst nur die Signatur des wiederhol ten Überstreichens der aktiven Gegenstelle 3 von der Strahl ebene 4 erfasst wird, dabei aber nicht eindeutig ist, ob eine beobachtete Signatur einer Höhe oberhalb oder unterhalb der Horizontalen auftritt. (In der Gleichung oben wirkt sich das durch Zweideutigkeiten von Vorzeichen aus) .

Es wäre zwar möglich, eine solche Zweideutigkeit zu vermeiden, indem der Messraum auf einen Halbraum beschränkt wird, es ist aber auch mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen möglich, die Zweideutigkeit ohne eine derart signifikante Messraumbeschrän kung aufzulösen. Hierzu sei auf die Möglichkeiten hingewiesen, die nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 4-6 beschrieben wer den .

Mit Fig. 4 wird vorgeschlagen, die Zweideutigkeit aufzulösen, indem zwei aktive Gegenstellen 3a und 3b übereinander angeord net werden, was es erlaubt, aus den somit vier erfassten Über streichungen die Höhen der einzelnen aktiven Gegenstellen ein deutig zu ermitteln. Betont sei, dass gegebenenfalls nicht zwei identische, vollständig separate aktive Gegenstellen ver wendet werden müssen, sondern dass es ebenso möglich ist, eine einzelne Gegenstelle mit zwei übereinander angeordneten Licht empfängern bzw. Lichtkollimatoren zu versehen. Eine besonders geeignete aktive Gegenstelle 3 hat somit mehr als einen ein zelnen Lichtempfänger. Besonders vorteilhaft an dieser Anord nung ist, dass dort, wo der vertikale Abstand b der übereinan der angeordneten Lichtempfänger bekannt ist, auch der Abstand der aktiven Gegenstelle 3 zur Basisstation 2 bestimmt werden kann. Es ist demnach unter Rückgriff auf den Basisabstand b möglich, bei bekannter Höhe des Strahltaumel-Zentrums die Hö henkoordinate z der aktiven Gegenstelle 3 und den Abstand r der aktiven Gegenstelle 3 zur Basisstation 2 zu berechnen.

Demnach kann durch eine Empfängeranordnung wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, die 3D-Position des aktiven Targets 3 im po laren Koordinatensystem der Basisstation bestimmt werden. Da rauf hingewiesen sei, dass dort, wo zusätzliche Empfänger vor gesehen sind, die Genauigkeit durch Interpolation erhöht wer den kann und/oder, bei geeigneter Positionierung noch weiterer zusätzlicher Empfänger auf der aktiven Gegenstelle 3, auch die Orientierung der aktiven Gegenstelle 3 im Raum erfassbar wird.

Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit zugelassen werden kann, dass die Verbindungs linie zwischen den beiden Empfängern 3b und 3b nicht exakt vertikal, sondern verkippt gegen die Vertikale verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform der mit Bezug auf Fig. 4 be schriebenen aktiven Gegenstelle 3 wird daher die aktive Gegen stelle 3 mit einem Inklinometer versehen, dessen Messwerte zur Kompensation einer aktuellen Verkippung herangezogen werden können .

Mit Fig. 5 wird als Alternative und/oder zusätzliche Möglich keit gezeigt, dass die Zweideutigkeit durch eine Verbindung des aktiven Targets 3 mit der Positions- bzw. Lageinformation einer GNSS-Antenne aufgelöst werden kann. Zugleich kann, wo die absoluten, mittels GNSS bestimmten Positionen benötigt werden, die Genauigkeit der GNSS-Messungen erhöht werden, wenn auf eine eingemessene Absolut-Position der Basisstation 2 und die mit der aktiven Gegenstelle 3 hier zu relativ bestimmten Positionen Bezug genommen wird. Die Genauigkeit der GNSS- Position kann insbesondere bezüglich der Höhenmessung signifi kant verbessert werden. Die Anordnung ist insoweit insbesonde re dort vorteilhaft, wo hochgenaue Absolutpositionen zwingend erforderlich sind.

Fig. 6 zeigt eine weitere Anordnung, mit der eine Zweideutig keit automatisch auflösbar ist. Dabei werden zwei Basisstatio nen 2a und 2b in bekanntem Basisabstand b aufgestellt und be züglich ihrer Horizontalachsen aufeinander eingemessen. Für ein aktives Target 3, das sich im Messraum beider Basisstatio nen befindet, also die Strahlung von beiden Stationen zu Mess zwecken empfangen kann, kann dann durch 3D-Triangulation die 3D-Position des aktiven Targets 3 bestimmt werden.

Besonders bevorzugt ist dabei eine Implementierung derart, dass auf jeder der zwei verwendeten Basisstationen 2 passive Targets 34a und 34b angebracht werden, und zwar bevorzugt in Flucht zur Drehachse der jeweils anderen Station, wobei die Basisstationen dann wie oben stehend beschrieben selber auch für den Empfang von Strahlung ausgelegt sind, und zwar derge stalt, dass neben Horizontalwinkeln und Vertikalwinkeln durch die Bestimmung einer Pulslaufzeit von einer ersten Basisstati on zum reflektierenden passiven Target der zweiten Basisstati on und zurück auch die Querdistanzen zwischen den beiden Ba sisstationen gemessen werden können.

Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass die Stationen sich bei Aufstellung automatisch einmessen können und die ge wonnenen Informationen über die jeweils benachbarte Station als Hilfsinformationen mit über eine Modulation der Strahlung an eine aktive Gegenstelle 3 übertragen werden können, ohne dass von dieser der Einmessprozess initiiert oder dessen Er gebnisse per Funkschnittstelle abgefragt werden müssten. Der Aufstellprozess ist dabei so einfach wie bei einer Totalstati on .

Was die Höhenbestimmung angeht, so würde es bei allen Varian ten zwar prinzipiell ausreichen, lediglich die Überstrei chungszeiten zu bestimmen und dann von einer gleichlaufenden Rotationsgeschwindigkeit des Winkelprisma auszugehen. Dies be- schränkt aber nicht nur die Genauigkeit, sobald Gleichlauf schwankungen auftreten, sondern lässt auch die vollständige Bestimmung aller Koordinaten der aktiven Gegenstelle 3 nicht zu. In den obenstehenden Erläuterungen wurde daher davon aus gegangen, dass die tatsächlichen Drehwinkel der Winkelprisma- Rotation bzw. der Phasenwinkel im Bewegungszyklus der Strahl- ebenen-Normale selber bekannt seien.

Es wurde dazu bereits darauf hingewiesen, dass entsprechende Informationen mit einem Winkeldecoder ermittelt werden können und entsprechende Winkeldaten der Strahlung aus der Basissta tion 2 aufmoduliert werden können.

Details zu einem Datenprotokoll, das für die Modulation des optoelektronischen Strahlsendelements, hier der Laserdiode 12, besonders geeignet ist, seien nun mit Bezug auf die Figuren 11 beschrieben .

Dazu sei zunächst daran erinnert, dass die taumelnde Strahl ebene 4 wie oben dargestellt eine womöglich zwar in verschie denen Richtungen variierende, jedenfalls aber regelmäßig end liche Dicke besitzt. Demgemäß vergeht beim Überstreichen des Empfängers von Auftreffen der ersten Strahlen auf dem Empfän ger bis zum Weglaufen der letzten Strahlen vom Empfänger eine endliche Zeit. Die Zeit dieses Strahlempfangs reicht einer seits, um kodierte Information zu empfangen. Andererseits wird sich während dieser Zeit die taumelnde Strahlebene auch weiter bewegen, d. h. während des Überstreichens ändert sich der Pha senwinkel der Strahlebenen-Normalen 6.

Dies kann einerseits für den Empfang einer Abfolge zeitlich kodierte Daten genutzt werden und kann andererseits berück sichtigt werden, um die Messwertpräzision zu erhöhen.

Es ist bevorzugt, zu diesem Zweck insbesondere eine jeweils aktuelle Drehwinkelausrichtung des rotierenden Winkelprismas und somit Information über eine jeweils aktuelle Phase im Be wegungszyklus der Strahlebenen-Normale von der Basisstation 2 an die oder jede aktive Gegenstation 3 zu übertragen. Ein ge eignetes Protokoll für Daten, die der von der Basis ausgesand ten Strahlung aufmoduliert werden können, wird mit Bezug auf Fig. 11 erläutert.

Figuren 11a bis 11c zeigen dazu die durch die aufmodulierte Information geprägten zeitlichen Verläufe der Strahlungsleis tung der von einer Basisstation ausgesendeten Strahlung.

Danach wird in der dargestellten, bevorzugten Implementierung ein hier 40-bit breites Datenwort 15 verwendet, welches je weils aus einem am Empfänger leicht erkennbaren Startsymbol für die Synchronisation sowie aus 8 nachfolgenden Datensymbo- len aufgebaut ist. Die jeweiligen Symbole sind durch allgemein nadelförmige Impulse realisiert.

Mit der zeitlichen Lage der acht nadelförmigen Impulse, die den Datensymbolen entsprechen und die jedem Startsymbol fol gen, bevor ein neues Startsymbol erzeugt wird, wird die ge wünschte Information codiert. In dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel liegt jeder der acht nadelförmigen Impulse auf einer von 128 codierbaren Zeitpositionen. Dies führt, wie Fig. 11c zeigt, zu einer zeitlichen Variation des Modulationsmus ters entsprechend den zu übertragenden Daten. Das Startsymbol unterscheidet sich von den Datensymbolen, damit es besonders leicht erkennbar ist. Dazu bestehen unterschiedliche Möglich keiten. Nach Fig. 11a wird für das Startsymbol ein Impuls ver wendet, der stärker ist als die Impulse der Datensymbole. Eine solche Kodierung wird als Bilevel-Kodierung bezeichnet. Nach Fig. 11b wird stattdessen ein Doppelimpuls verwendet, der aus zwei zeitlich sehr eng beieinander liegenden Nadelimpulsen aufgebaut ist. Der zeitliche Abstand der sehr eng beieinander liegenden Impulsspitzen des Doppelimpulses ist so kurz, dass er im Rest des Datenwortes nicht vorkommt. Der zeitliche Ab stand der Doppelspitzen ist also kleiner als der kürzeste Zeitabstand der 128 codierbaren Zeitpositionen.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Startsymbole nicht nur zur Identifikation eines neuen Datenwortes dienen. Vielmehr kann aus der zeitlichen Abfolge der Startsymbolimpulse auch eine Synchronisation hergeleitet werden, d. h. bei der aktiven Ge genstelle 3 bestimmt werden, wie lange die Basisstation 2 für die Übertragung eines vollständigen Datenwortes benötigt, und es kann daraus hergeleitet werden, wie lang die Zeitintervalle zwischen den 128 protokollgemäß kodierten Zeitpositionen dau ern. Die Synchronisierung kann dabei etwa- entsprechende Re chenleistung in der aktiven Gegenstelle 3 vorausgesetzt - un ter Autokorrelation auf den Zeitabstand der Startsymbolimpulse erfolgen .

Es kann weiterhin zur besseren Ausnutzung der Strahlungsleis tung des Strahlsendeelementes und damit zur Erhöhung der er zielbaren Reichweite bevorzugt sein, dass die Startsymbole we der Bilevel-kodiert werden, d.h. nicht in unterscheidbarer Amplitude im Vergleich zu den Datenimpulsen übertragen werden, noch Doppelimpulse zu Beginn eines Datenwortes übertragen wer den. Darüber hinaus könnten spezifische Startimpulse sogar ganz weggelassen werden. In solchen Fällen kann z.B. Brute- force-Dekodierung mittels Checksummen oder Softdekodierung bzw. Autokorrelation bei Verwendung fester Zeitabstände der Datenworte zur Synchronisation herangezogen werden.

In Fig.11c ist eine Abfolge mehrerer unterschiedlicher winkel kodierter Datenworte 15 gezeigt, die jeweils die Drehwinkelpo- sitionen y_h-i bis y_h+2 kodieren, welche zu den Zeitpunkten der Startimpulse erfasst wurden.

Das Datenprotokoll erlaubt eine hinreichend schnelle und stö rungsfreie Datenübertragung durch die Modulation der ausgesen deten Strahlung. In einer praktischen Aus führungs form war es etwa möglich, ein Datenwort 15 wie beschrieben binnen 2,5 ps zu übertragen. Dies erlaubt eine hinreichend häufige Übertra gung aktueller Drehwinkelinformationen bzw. von Hilfsinforma tionen .

Darauf hingewiesen sei, dass mit dem beschriebenen Übertra gungsverfahren Latenzprobleme in der Übertragung zwischen Ba sisstation und aktiver Gegenstelle praktisch unerheblich wer den. Zwar kann es eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Er fassen einer bestimmten Drehwinkelposition durch den Winkelde coder in der Basisstation 2 und dem Aufmodulieren entsprechen der Information auf die ausgesendete Strahlung geben, diese Latenz tritt aber innerhalb der Basisstation auf und wird zu dem in guter Näherung - also etwa unter Vernachlässigung von Temperatureffekten, welche aber durch Temperierung verringert werden können, zeitlich sehr konstant sein. Insoweit unter scheidet sich diese Übertragung von einer Kommunikation einer aktuellen Winkelinformation über andere Kommunikationswege wie etwa WIFI, weil dort Latenzen stark variieren können. Die be schriebene Datenübertragung ist daher besonders vorteilhaft, was auch für Basisstationen nach dem Stand der Technik mit nichttaumelnder Strahlebene gilt.

Es wird in der oben beschriebenen Implementierung eine sog. Puls-Positions-Modulierung (PPM) angewendet. Dass neben einer solchen PPM-Modulation weitere Modulationsverfahren wie sie aus dem Stand der Technik per se bekannt sind, anwendbar wä ren, sei offenbart. Ohne Beschränkung explizit offenbart sei insbesondere die Verwendbarkeit der Manchesterkodierung, sowie der PSK, QPSK, QAM- Modulationsverfahren .

Mit der Übertragung der Winkelencoder-Daten durch die be schriebene Modulation lässt sich nun die Messgenauigkeit erhö hen. Wie oben erwähnt, dauert es eine bestimmte Zeit, bis der Empfänger in der aktiven Gegenstelle 3 von der taumelnden Strahlebene vollständig überstrichen wurde, weil die Strahl ebene eine endliche Dicke und der Empfänger eine endliche Aus dehnung besitzt. Während dieser Dauer ändert sich auch die Ausrichtung der taumelnden Strahlebene. Es wird daher vorge schlagen, die Messgenauigkeit durch Bestimmung des zeitlichen Schwerpunktes des Überstreichintervalles und eine Interpolati on der Winkelinformation, die während des Überstreichinterval les durch die modulierte empfangene Strahlung erhalten wurde, auf den zeitlichen Schwerpunkt zu erhöhen. Zu beachten ist dabei, dass die am Empfänger der aktiven Ge genstelle 3 empfangene Leistung während des Überstreichens va riieren wird. Dies ist ohne weiteres schon dadurch zu erklä ren, dass nur für einen Teil des Überstreichintervalles die vollständige Empfängerfläche von der Strahlebene getroffen wird, während zu Beginn und Ende des Überstreichen ein Teil des Empfängers nicht von der Strahlebene getroffen wird. Der artige Effekte führen zum Vorhandensein einer die empfangene Leistung verändernden Hüllkurve 47, wie sie beispielhaft in Fig. lld dargestellt ist.

Für die Interpolation der Winkel-Information, also der genauen Bestimmung eines Phasenwinkels im Bewegungszyklus der Strahl- ebenen-Normale, muss zunächst der zeitliche Schwerpunkt dieser Hüllkurve bestimmt werden. Für diesen zeitlichen Schwerpunkt wird dann der einschlägige Winkel durch Interpolation be stimmt .

Die Hüllkurve ist allerdings selbst nicht ohne weiteres ver fügbar; dies ist aber auch nicht zwingend erforderlich, weil es ausreicht, die Höhen der durch die Kurve deformierten Im pulsspitzen zu betrachten. Es wird also insoweit Rückgriff ge nommen auf die analoge Form 46 des durch die Hüllkurve defor mierten Datenstroms. Dies ist besonders einfach möglich, indem sinnvolle, niedrigliegende Empfangsleistungs-Schwellwerte de finiert werden, bei deren Über- bzw. Unterschreiten Start-und Stoppzeiten t_star_t und t_en_d bestimmt werden, vergleiche Fig. lld.

Wenn man damit den zeitlichen Schwerpunkt zwischen den sinn vollen Grenzen t_star_t bis t_en_d bestimmen möchte, kann als dis krete Annäherung die folgende Formel verwendet werden:

Der so erhaltene Wert des zeitlichen Schwerpunktes wird zwar geringfügig vom Dateninhalt der Datenworte abhängen, da der Dateninhalt ja über die Zeitpositionen der Nadelimpulse co diert ist, es wird aber gleichwohl eine immer noch sehr gute Zeitschwerpunkt-Bestimmung ermöglicht .

In Fig. lld ist der zeitliche Schwerpunkt mit t_c bezeichnet. Dieser zeitliche Schwerpunkt liegt zwischen den Zeitpunkten t_n und t_n+i, zu welchen jene Startimpulse empfangen werden, die den Übertragungsbeginn von Datenworten anzeigen, welche die beiden unmittelbar vor bzw. nach der Zeit t_c liegend ermittel ten und übertragenen Dreh- bzw. Phasenwinkel y_h bzw. y_h+ΐ ko dieren .

Mit diesen Bezeichnungen kann der interpolierte Winkel, der dem zeitlichen Schwerpunkt des Überstreichens der Strahlebene über den Lichtempfänger am besten entspricht, bestimmt werden gemäß

Dieser Drehwinkel kann dann nachfolgend für die Berechnung von Richtungswinkel gemäß den oben angegebenen Formeln verwendet werden .

Dieses Vorgehen kann verwendet werden, um zwischen den Winkel schritten, die von den übertragenen Datenworten codiert wer den, deutlich besser als mit 1/10 der Winkelschrittabstände zu interpolieren. Typischerweise können so Genauigkeiten besser als 2 Winkelsekunden erhalten werden. So wurden in einer prak tischen Ausführungsform einer Basisstation 2, deren taumelnden Strahlebene sich mit einem Öffnungswinkel (alpha) von +-5° erweitert hat, vertikale Winkelauflösungen von 0,17 Winkelse kunden erzielt.

Die hohen Genauigkeiten und der einfache und somit preiswerte mechanische Aufbau erlauben insbesondere die Verwendung des offenbarten Messsystems in Anwendungen wie dem Straßenbau und/oder für die Definition virtueller Führungslinien.

Fig. 14 zeigt hierzu die Anbringung der aktiven Targets 3 an einen Wälzkörper 69 einer Straßenwalze, sowie an das kinemati sche Zentrum einer Einbaubohle 70 eines Straßenfertigers. Die Einbaubohle dient dazu, einen heißen Asphaltbelag 68 in einer vorbestimmten Höhe abzuziehen; diese vorbestimmte Höhe soll durch eine virtuelle Führungslinie vorgegeben werden.

Das obenstehend offenbarte Messsystem erlaubt es dabei auf grund der hohen Präzision, die erreicht wird, bei wiederholten Überfahrten der Straßenwalze über den noch heißen Belag das sogenannte Setzmaß zu bestimmen, d. h. anzugeben, wie stark der Straßenbelag durch die Überfahrten verdichtet wird. Dies erlaubt es wiederum, dem Maschinenführer ein Maß für die Ver dichtung des Straßenbelags unmittelbar anzuzeigen. Dafür sind entsprechende Ausgabemöglichkeiten an der aktiven Gegenstelle vorgesehen. Bevorzugt werden an der Einbaubohle - wie bei spielhaft dargestellt - wenigstens zwei aktive Targets bzw. eine aktive Gegenstelle mit zwei Empfangsstellen angebracht, die es erlauben, eine absolute Höhe zu bestimmen. Fig. 15 zeigt, wie eine virtuelle Stringline 64 mit zwei Ba sisstationen 2a und 2b sowie mit einem stationäres Target Rx zwischen diesen aufgespannt werden kann. Dabei werden für die Basisstation 2a zwei virtuelle Ebenen 65a und 65b bestimmt, sowie für die Basisstation 2b zwei virtuelle Ebenen 65c und 65d. Die virtuellen Ebenen 65b und 65c enthalten dabei die je weilige Verbindungslinie der Basisstation 2a bzw. 2b zu dem dazwischen angeordneten stationären Target Rx . Damit die vir tuellen Ebenen 65b und 65c vollständig definiert sind, kann zusätzlich eine gewünschte Richtung senkrecht zu den Verbin dungslinien festgelegt werden. Es wird also eine gewünschte Querneigung der virtuellen, die Basisstationen und das dazwi schenliegende Target verbindenden virtuellen Ebenen festge legt. Basierend auf den virtuellen Ebenen kann nun eine inter polierte Fläche festgelegt bzw. eine virtuelle Führungslinie definiert werden. Mit dem stationär angeordneten aktiven Tar get 3, d. h. der stationär angeordneten aktiven Gegenstelle 3 kann somit eine Stützstelle für die interpolierten Flächen bzw. Führungslinien bereitgestellt werden, die signifikant einfacher aufgebaut und somit preiswerter ist als eine Basis station, und zwar auch bei Verwendung erfindungsgemäßer Basis stationen mit taumelnder Strahlebene.

In Fig. 16 wird für einen Straßenbau 67 mit Straßenfertiger 61 und mit an dessen Einbaubohle angebautem aktivem Target 3 in Draufsicht gezeigt, dass und wie eine erfindungsgemäß unter Verwendung aktiver Gegenstellen Rx als Stützstellen aufgebaute virtuelle Führungslinie 64 zur Höhen- und Lagebestimmung ein gesetzt werden kann. Erwähnt sei, dass, sofern zusätzliche In formationen wie Schnittpunkte von Richtungswinkeln mit dem ge planten Verlauf der Fahrt des Fahrzeuges verschnitten oder 0- dometerwerte mit diesen verrechnet werden, auf eine optionale absolute Positionsbestimmung wenigstens für die Höhenkontrolle verzichtet werden kann, obwohl die notwendigen Steuerparameter zur Interpolation und Glättung der Führungsgröße an den Über gangsstellen der Segmente trotzdem hinreichend genau bestimm bar sind.

Obwohl vorstehend explizit beschrieben wurde, dass und wie die Messanordnung der vorliegenden Erfindung zum Führen von Fahr zeugen und Maschinen anwendbar ist, sei betont, dass die

Messanordnung auch für eine Reihe weiterer Anwendungen Vortei le bietet.

So können mit der Messanordnung u.a. Zweineigungslaser für den Baustellenbetrieb ersetzt werden. Es ist dabei besonders vor teilhaft, die Neigung der virtuellen Laserebene am aktiven Target vorzugeben und die Neigungsachsen mit dem aktiven Tar get auch beliebig setzen zu können. Es ist zudem sogar denkbar, dass dabei verschiedene Anwender mit verschiedenen Neigungsebenen arbeiten. Ebenso ist eine An wendung bei der Nivellierung von Kegelflächen, wie z.B. für Schüttkegel, möglich, was sonst teure Speziallaser erfordert.

Erwähnt sei auch die Möglichkeit, ähnlich wie bei Multi-Cross- Lasern mehrere, aufeinander senkrecht stehende virtuelle Ebe nen zu projizieren und diese mit dem aktiven Target auszurich ten, ohne die Basisstation mechanisch verdrehen zu müssen. Diese Eigenschaften sind ebenfalls für die Industrievermessung bei der Ausrichtung von Maschinen und Wellen sehr vorteilhaft.

Die Messanordnung kann weiter vorteilhaft zur internen Lage kontrolle von Segmenten bei Tunnelbohrmaschinen oder als Kern komponente für innovative Kanalbaulaser, sowie für Deformati onsmessungen bei Monitoring-Anwendungen dienen.

Beschrieben wurde somit unter anderem eine Messanordnung zur Positionsbestimmung, die aus mindestens einem in seiner Posi tion oder Lage zu bestimmenden Objekt, mindestens einem auf dieses räumlich fest bezogenen aktiven Target und mindestens einer Basisstation, in deren Erfassungsbereich das aktive Tar get fällt, besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Basisstation eine taumelnde Strahlebene erzeugt und die Tau melbewegung dadurch definiert wird, dass die Normale der

Strahlebene um eine zu dieser Normalen nicht parallelen, mit einem vordefinierten, weitgehend konstanten Neigungswinkel zu ihr stehende Drehachse mit jederzeit bekanntem Rotationswinkel rotiert und dass das aktive Target mindestens zweimal pro Ro tation der Normalen von der Strahlebene getroffen wird.

Offenbart wurde weiter eine entsprechende Messanordnung, wobei die mindestens zwei Winkelstellungen der Drehung der Normalen der Strahlebene um die Drehachse zu den Zeitpunkten der beiden Treffer dazu verwendet werden, mindestens einen Richtungswin kel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation zu berechnen.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher das aktive Target zur Berechnung von mindestens einem Vertikalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgelegt ist.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher das aktive Target zur Berechnung von mindestens einem Horizontalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgelegt ist.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher die Basisstation eine rotierende Strahlablenkungskom ponente enthält. Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher die Basisstation eine Strahlebenenaufweitungskomponen te enthält.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher die Basisstation ein optoelektronisches Strahlsende element enthält, dessen Strahlung kollimiert wird und durch die rotierende Strahlablenkungskomponente abgelenkt und durch die Strahlebenenaufweitungskomponente zur taumelnden Strahl ebene aufgeweitet wird.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher in der Basisstation ein Mittel zur Modulation des optoelektronischen Strahlsendeelementes mit einem winkelko dierten Datensignal vorgesehen ist.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher zusätzlich zu den Winkeldaten auch weitere Hilfsdaten übertragen werden.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher die übertragenen Hilfsdaten die Stellung eines Nei gungskompensators in der Basisstation beinhalten.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher die übertragenen Hilfsdaten eine eindeutige Kennung (ID oder Seriennummer) der Basisstation beinhalten.

Weiter wurde eine entsprechende Messanordnung offenbart, bei welcher das aktive Target dazu ausgestattet ist, um aus der mit dem winkelkodierten Datensignal und Hilfsdaten modulierten Strahlung der Strahlebene zum Zeitpunkt des Auftreffens und einer zeitlichen Schwerpunkberechnung, die Winkelstellung der Drehung der Normalen der Strahlebene um die Drehachse zu be stimmen .

Beschrieben wurde auch ein Verfahren zur Höhen- und Lagebe stimmung eines Fahrzeuges mit einer Messanordnung zur opti schen oder quasioptischen Positionsbestimmung umfassend min destens ein auf das Fahrzeug fest bezogenen aktiven Target und mindestens eine Basisstation in deren Erfassungsbereich das aktive Target fällt, wobei mindestens ein weiteres, stationä res, aktives Target vorgesehen ist und die Verbindungslinie zwischen der Basisstation und dem stationären aktiven Target ein Segment eines virtuellen Führungsdrahtes, sowie eine vir tuelle Ebene mit vordefinierter Querneigung aufspannt, an der das Fahrzeug in seiner Arbeitshöhe, vergleichbar mit einem klassischen Führungsdraht, mit Hilfe der, durch die aktiven Targets gewonnenen Richtungswinkel der Basisstation, geführt wird . Es ist vorteilhaft bei einem solchen Verfahren zur Höhen- und Lagebestimmung eines Fahrzeuges wenn mehrere alternierende Segmente bestehend aus Basisstationen und stationären aktiven Targets eine Kette von Segmenten eines virtuellen Führungs drahtes bilden.

Erwähnt sei, dass es weiter vorteilhaft ist, wenn zusätzliche Informationen wie Schnittpunkte der Richtungswinkel mit dem geplanten Verlauf der Fahrt des Fahrzeuges verschnitten oder Odometer verrechnet werden, um notwendige Steuerparameter zur Interpolation und Glättung der Führungsgröße an den Übergangs stellen der Segmente zu bestimmen.

Es sei darauf hingewiesen, dass vorstehend an vielen Stellen von einer Basisstation gesprochen wird, die eine taumelnde Strahlebene erzeugt, wobei die Taumelbewegung dadurch defi niert wird, dass die Normale der Strahlebene um eine zu dieser Normale nicht parallelen, mit einem vordefinierten, weitgehend konstanten Neigungswinkel zu ihr stehende Drehachse mit jeder zeit bekanntem Rotationswinkel rotiert und dass das aktive Target mindestens zweimal pro Rotation der Normale von der Strahlebene getroffen wird. Eine solche, durch Rotation der Normalen auf die Strahlebene erzeugte Taumelbewegung ist be sonders vorteilhaft, weil sie sich, wie oben ersichtlich, auf einfache Weise erzeugen und erfassen lässt. Es sei aber darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls andere Bewegungen möglich wä ren, beispielsweise, indem ein zur Strahlverkippung verwende tes optisches Element wie ein Kegelspiegel oder ein plankonka ves Axicon nicht einfach um eine zur Achse des einfallenden Strahl parallele Achse rotiert, sondern eine komplexere Bewe gung überlagert wird. Beispielsweise kann eine Normalen- Rotation wie vorstehend beschrieben mit einer zusätzlichen, aktuatorisch bewirkten Verkippung kombiniert sein. Erinnert sei insoweit an die Präzession eines Kreisels, die ebenfalls nicht vollkommen regulär sein muss.

Es sei aber betont, dass bestimmte Informationen auch auf an dere Weise, beispielsweise über Funk oder drahtgebunden, über tragen werden können. Sofern dabei Winkelinformation übertra gen wird, ist es allerdings vorteilhaft, wenn die Latenz genau bekannt ist.

Claims

Patentansprüche :

1. Basisstation für Messungen, bei welchen Messstrahlung

in eine Strahlebene emittiert wird,

dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation für eine Tau melbewegung der Strahlebene ausgebildet ist,

durch welche die Lage der Normalen der Strahlebene auf be kannte Weise so geändert wird, dass Orientierungen der Nor malen wiederholt auftreten.

2. Basisstation nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, die Taumelbewegung der Strahlebene so zu erzeugen, dass die Nor male der Strahlebene ihre Lage zyklisch wiederholt.

3. Basisstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass sie rotierbare Strahlablen kungsmittel aufweist.

4. Basisstation nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass sie für die Verwendung mit mindestens ei ner aktiven Gegenstelle ausgebildet ist und eine Taumelbewe gung derart erzeugt, dass die Normale der Strahlebene um ei ne zu dieser Normalen nichtparallelen, in einem vordefinier ten, bevorzugt konstanten Neigungswinkel zu ihr stehende Drehachse mit zeitlich bekanntem Phasenwinkel umläuft, um die aktive Gegenstelle mindestens zweimal pro Umlauf der Normalen von der Strahlebene zu überstreichen.

5. Basisstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass sie Strahlaufweitungsmittel aufweist .

6. Basisstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass sie

ein optoelektronisches, Messstrahlung aussendendes Element und

einen Kollimator für dessen Strahlung aufweist,

und wobei weiter ein Strahlaufweitungsmittel vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie die vom optoelektronische Messstrahlung aussendenden Element ausgestrahlte Strahlung, insbesondere das als Messstrahlung ausgesandte Licht, zu ei ner taumelnden Strahlebene aufweitet.

7. Basisstation nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass sie einen Neigungssensor bzw. Neigungs kompensator aufweist.

8. Basisstation nach einem dem vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel zur Modulation der vom optoelektronischen Element ausgesandten Messstrah lung mit einem Datensignal aufweist, das bevorzugt zumindest

54 eine aus Winkelinformation, Neigung eines Neigungssensors, eindeutige Kennung der Basisstation, Temperatur der Basis station und/oder Batteriestand der Basisstation bestehende Information kodiert.

9. Messanordnung mit wenigstens einer Basisstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einer zugehöri gen Gegenstelle, bevorzugt mindestens einem zugehörigen Messstrahlempfänger als aktiver Gegenstelle.

10. Messstrahlempfänger, dadurch gekennzeichnet, dass er

zum Empfang von Strahlen aus einer Basisstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist,

und bevorzugt dazu ausgebildet ist,

im Ansprechen auf ein wiederholtes Erfassen der taumelnden Strahlebene mindestens einen Winkel in Bezug auf das pola re Koordinatensystem der Basisstation oder darauf bezogene Daten zu bestimmen,

bevorzugt

unter Bestimmung von Zeitpunkten der Erfassungen

und/oder

unter Bestimmung von mindestens zwei Winkelstellungen der durch das Strahlebenentaumeln sich drehenden Strahlebenen- Normalen zu den Zeitpunkten der Erfassungen.

11. Messstrahlempfänger nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, dass er dazu ausgebildet ist, die Winkelstellungen unter Dekodierung der mit einem winkel kodierenden Datensignal und gegebenenfalls Hilfsdaten modu lierten Strahlung zu bestimmen,

und/oder

dass er zur Berechnung von mindestens einem Vertikalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgebildet ist,

und/oder dass er zur Berechnung von mindestens einem Hori zontalwinkel in Bezug auf das polare Koordinatensystem der Basisstation ausgebildet ist.

12. Messstrahlempfänger nach einem der vorhergehenden, auf

Messstrahlempfänger bezogenen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass er mindestens zwei voneinander beabstandete lichtempfindliche Elemente aufweist, die im Betrieb in un terschiedlicher Höhe angeordnet sind, und dass er dazu aus gebildet ist, aus der Zeitsignatur des Überstreichen der lichtempfindlichen Elemente eine Zweideutigkeit von Messun gen aufzulösen und bevorzugt auch den Abstand von der Basis station zu bestimmen.

13. Verfahren zur Führung eines mobilen Objektes, insbesondere eines Fahrzeugs, bei dem eine Basisstation und mindestens eine auf das mobile Objekt fest bezogene, aktive Gegenstelle

55 verwendet wird, die gemeinsam eine Sender-Empfänger- Messanordnung bilden, wobei wenigstens eine weitere aktive Gegenstelle stationär aufge baut wird, eine virtuelle Verbindungslinie zwischen der Basisstation und der weiteren, stationär aufgebauten mobilen aktiven Ge genstelle ermittelt wird, und dann unter Bezugnahme auf die fest auf das mobile Ob jekt bezogene aktive Gegenstelle bezogene Strahlerfassungen und die virtuelle Verbindungslinie, Führungsdaten für die Führung des mobilen Objektes ermittelt werden, bevorzugt indem eine Ebene bestimmt wird, in welcher die Verbindungslinie zwischen der Basisstation und der stationä ren aktiven Gegenstelle liegt und welche zusätzlich eine festgelegte Querneigung besitzt, und weiter bevorzugt, indem eine Soll-Führungslinie in die ser Ebene bestimmt wird, wobei besonders bevorzugt Füh rungsdaten bestimmt werden, um das mobile Objekt entlang dieser Ebene zu führen.

14. Verfahren zur Führung eines mobilen Objektes nach dem vor hergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ket te aus Segmenten einer virtuellen Verbindungslinie derart aufgebaut wird, dass Basisstationen und stationär aufgebaute aktive Gegenstationen entlang der Kette alternieren

und diese Kette aus Segmenten den virtuellen Führungsdraht bildet .

15. Verfahren zur Führung eines mobilen Objektes nach dem vor hergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass

die zu verschiedenen Segmenten bestimmbaren Führungsdaten geglättet

und/oder zumindest bei den Übergangsstellen der Segmente in terpoliert werden,

bevorzugt jeweils unter Bezugnahme auf zusätzliche Informa tionen, besonders bevorzugt unter Bezugnahme auf Schnitt punkte der Richtungswinkel mit dem geplanten Verlauf einer Führungsbahn und/oder auf Odometer-Werte,

wobei bevorzugt als Führungsdaten Steuerparameter für die automatische Bewegung des mobilen Objektes bestimmt werden.

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