DE69432864T2 - Integriertes system zur terrestrischen vermessung und zur positionsbestimmung mittels satelliten - Google Patents

Integriertes system zur terrestrischen vermessung und zur positionsbestimmung mittels satelliten Download PDF

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Description

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

Claims (6)

  1. Vorrichtung für eine verbesserte Genauigkeit beim Messen von Vermessungsparametern, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: eine erste Station (11), die eine Achse aufweist, die lokal vertikal angeordnet ist, wobei sie einen Bezugswert für die Vermessung vorsieht und eine bekannte Position aufweist, wobei die erste Station (11) folgendes umfasst: eine erste Antenne (21) eines Systems zur Positionsbestimmung mittels Satelliten (SATPS) und einen ersten SATPS-Empfänger/Prozessor (23), die miteinander verbunden sind, um SATPS-Signale von zwei oder mehr SATPS-Satelliten zu empfangen und um die Position der ersten Station (11) gemäß den empfangenen SATPS-Signalen zu bestimmen; eine Kommunikationseinrichtung (24, 25) der ersten Station, die mit dem ersten SATPS-Empfänger/Prozessor (23) verbunden ist, um Informationen über die Position der Station und über SATPS-Satellitenattribute zu senden oder zu empfangen; eine Einrichtung (19) zur Entfernungsmessung, deren räumliche Ausrichtung willkürlich geändert werden kann, wobei die Einrichtung mit dem ersten SATPS-Empfänger/Prozessor (23) verbunden ist, um ein elektromagnetisches Signal mit einer ausgesuchten Wellenlänge zu einem ausgesuchten Objekt zu senden, das mit einem Abstand zu der ersten Station (11) angeordnet ist, um ein elektromagnetisches Rückführungssignal von dem Objekt zu empfangen, um mindestens eine der folgenden Bestimmungen vorzunehmen: (i) der Entfernung von der ersten Station (11) zu dem ausgesuchten Objekt durch den Empfang des elektromagnetischen Rückführungssignals von dem Objekt; (ii) eines etwaigen Höhenunterschieds zwischen der ersten Station und dem Objekt; und (iii) einer etwaigen Winkelverschiebung zwischen einer Linie, die sich von der ersten Station (11) zu dem Objekt erstreckt, und einer ausgesuchten Bezugslinie, die in einer Ebene liegt, welche die erste Station (11) aufweist; und eine zweite Station (31), die eine Achse aufweist, die lokal vertikal angeordnet ist, die im Verhältnis zu der ersten Station (11) mit Zwischenabstand angeordnet und im Verhältnis zu dieser beweglich ist und als mobile Messeinheit für die Vermessung fungiert, wobei die zweite Station (31) folgendes umfasst: eine zweite SATPS-Antenne (37) und einen zweiten SATPS-Empfänger/Prozessor (39), die miteinander verbunden sind, um SATPS-Signale von zwei oder mehr SATPS-Satelliten zu empfangen und um die Position der zweiten Station (31) gemäß den empfangenen SATPS-Signalen zu bestimmen; eine Kommunikationseinrichtung (40, 41) der zweiten Station, die mit dem zweiten SATPS-Empfänger/Prozessor (39) verbunden ist, um mit der Kommunikationseinrichtung (24, 25) der ersten Station zu kommunizieren und um Informationen über die Position der Station und über SATPS-Satellitenattribute zu senden oder zu empfangen; eine Entfernungsmessungs-Antworteinrichtung (35), mit mindestens einem Retro-Reflektor für elektromagnetische Wellen zum Empfangen eines von der Einrichtung (19) zur Entfernungsmessung gesendeten elektromagnetischen Signals und zum Reflektieren dieser Welle zu der ersten Station (11) in einer Richtung, die ungefähr parallel zu der Richtung verläuft, aus der die Welle von der ersten Station (11) empfangen wurde, um ein elektromagnetisches Rückführungssignal vorzusehen, das von der Einrichtung (19) zur Entfernungsmessung empfangen wird; wobei zumindest entweder der erste SATPS-Empfänger/Prozessor oder der zweite SATPS-Empfänger/Prozessor einen etwaigen Positionsunterschied der ersten Station zwischen der bekannten Position der ersten Station (11) und er Position der ersten Station (11) gemäß der Bestimmung durch die SATPS-Signale bestimmen kann; und wobei zumindest entweder der erste SATPS-Empfänger/Prozessor (23) oder der zweite SATPS-Empfänger/Prozessor (39) den Positionsunterschied der ersten Station zur Berichtigung oder zur Verbesserung der Genauigkeit der mittels SATPS bestimmten Position der zweiten Station verwendet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest entweder die genannte erste Station (11) oder die genannte zweite Station (31) einen Haltegriff (83) aufweist, durch den die genannte Station gehalten und transportiert werden kann, und wobei zumindest entweder die genannte erste SATPS-Antenne (21) oder die genannte zweite SATPS-Antenne (37) in diesem Haltegriff (83) positioniert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest entweder die genannte erste SATPS-Antenne (21) oder die genannte zweite SATPS-Antenne (37) eine Achse aufweist, die ungefähr parallel zu der genannten vertikalen Achse der genannten Station (11, 31) ist, welche die Antenne (21, 37) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest entweder die genannte erste Station (11) oder die genannte zweite Station (31) ferner ein Datenverarbeitungsterminal (65, 75) aufweist, das zumindest entweder mit dem genannten ersten SATPS-Empfänger/Prozessor (23), der genannten Einrichtung (19) zur Entfernungsmessung oder dem genannten zweiten SATPS-Empfänger/Prozessor (39) verbunden ist, das ein Ausgangssignal vorsieht, das Informationen über mindestens einen der folgenden Zustände aufweist: (i) die genannte Position der genannten ersten Station (11) gemäß der Bestimmung durch die genannten SATPS-Signale; (ii) die genannte bekannte Position der genannten ersten Station (11); (iii) den genannten Unterschied zwischen der genannten bekannten Position und der genannten mittels SATPS bestimmten Position der genannten ersten Station (11); (iv) die genannte Entfernung zwischen der genannten ersten Station (11) und dem genannten ausgesuchten Objekt; (v) den genannten Höhenunterschied zwischen der genannten ersten Station (11) und dem genannten ausgesuchten Objekt; und (vi) die genannte Winkelverschiebung zwischen der genannten ausgesuchten Bezugslinie und der genannten Linie, die sich von der genannten ersten Station (11) zu dem genannten ausgesuchten Objekt erstreckt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung ferner ein Benutzer-Schnittstellensystem (66, 76) umfasst, das mit dem genannten Datenverarbeitungsterminal (65, 75) verbunden ist, um ausgesuchte Informationen von dem genannten Datenverarbeitungsterminal (65, 75) zu empfangen und anzuzeigen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das genannte Benutzer-Schnittstellensystem (66, 76) die Position der genannten zweiten Station gemäß der Bestimmung durch die genannten SATPS-Signale und der Berichtigung um den genannten Positionsunterschied der ersten Station empfängt und anzeigt.
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