(57)【要約】  受信ユニット（５´）の位置を決定するための方法およびシステムを開示する。この方法によると、変調された放射が少なくとも１つの放射投影装置（１´）により生成され、その受信ユニット（５´）の検出範囲（６´）内にある基準点（２´´）の中からのいくつかの基準点が、変調された放射により投影される。位置データ、特に配置データおよび・あるいは向きデータが、基準点（２´´）の放射から、受信ユニット（５´）のために導き出される。
2008541108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）から独立して位置の決定が可能であり、少なくとも一つのレーザー光源（９ａ−ｄ）を有し、少なくとも３つの、好ましくは４つの基準点を有する一組の基準点（２、２´、２´´、２´´´）のうち少なくとも一つの検出可能な前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影する少なくとも一つの放射投影装置を備え、前記一組の基準点の前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を検出するよう構成された受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）の位置を決定する方法において、
前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影するために、輝度変調あるいは位相変調あるいは偏波変調された電磁放射（Ｓ）を生成し、
前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）による検出が可能な少なくとも３つの、好ましくは４つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影し、
前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）により投影された前記一組の基準点のうちの少なくとも３つ、好ましくは４つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を検出し、
検出された前記放射（Ｓ）から、前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）の位置情報、特に配置情報および・あるいは向き情報を導き出す、ことを
特徴とする方法。
【請求項２】
前記位置情報は、前記放射（Ｓ）の上に重畳された信号の時間の関数としての相対位置、あるいは、検出された前記放射（Ｓ）の位相部分を基に導き出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記位置情報は、前記放射（Ｓ）の上に重畳された信号の時間の関数としての相対位置の変化、あるいは、検出された前記放射（Ｓ）の位相の変化を基に導き出されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記投影および・あるいは前記検出が、検出可能な少なくとも３つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）に対し同時に成されることを特徴とする請求項１−３のいずれか記載の方法。
【請求項５】
前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影するための前記放射（Ｓ）が、相互に位相固定結合あるいは時間固定結合で放出されることを特徴とする請求項１−４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影するための前記放射（Ｓ）が、それぞれの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）に対し互いに遅れ関係で、好ましくは数百ナノセカンドの範囲の、規定された時間関係を有するパルスで放出されることを特徴とする請求項１−５のいずれか記載の方法。
【請求項７】
前記放射（Ｓ）が、基準点規定による周波数での変調、基準点規定による光学搬送波の波長の選択、および、基準点規定による変調の情報の重畳による、それぞれの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）に対し異なる特性で生成されることを特徴とする請求項１−６のいずれか記載の方法。
【請求項８】
個別の基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影する前記放射（Ｓ）が、コード化されるか、あるいは、例えば彩色の特性により識別可能にされることを特徴とする請求項１−７のいずれか記載の方法。
【請求項９】
前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）と前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）間の距離の決定が、絶対位相あるいは相対位相を決定する位相測定による位相、あるいは、伝達時間測定の原理により成されることを特徴とする請求項１−８のいずれか記載の方法。
【請求項１０】
前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）の絶対配置を決定するため、前記位置情報が、前記受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）と前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）間の距離の決定と、前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の絶対配置の知識と、から導き出されることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれか記載の位置決定方法による受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）の配置および・あるいは向きの決定をする位置決定システムにおいて、
少なくとも一つの第１のレーザー光源（９ａ−ｇ）を有し、コード化された、あるいは、輝度変調、位相変調、偏波変調された電磁放射（Ｓ）を生成するための少なくとも一つの第１の放射投影装置（１、１´）が設けられた、少なくとも３つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）を投影する基準点生成手段と、
少なくとも３つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の前記放射（Ｓ）の同時の受信をする少なくとも１つの第１の検出器（１６、１６´）を有する受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）と、を備え、
時間の関数として信号の相対位置の変化、あるいは、位相の変化が、少なくとも３つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の前記放射（Ｓ）のために導き出されるように、該検出器（１６、１６´）と計算器（１７）が形成、配置され、
前記基準点生成手段が、受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）に対して独立して位置決め可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記第１の放射投影装置（１、１´）は、同時におよび・あるいは互いに独立して方向付け可能で、検出可能な、少なくとも２つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の投影のために構成されていることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の放射投影装置（１、１´）は、少なくとも１つの第２のレーザー光源（９ｂ−ｄ）を備え、前記第１のレーザー光源（９ａ）と該第２のレーザー光源（９ｂ−ｄ）は、互いに独立に方向付け可能であることを特徴とする請求項１１あるいは１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１のレーザー光源（９ａ−ｇ）の前記放射（Ｓ）が少なくとも２つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の投影のために順次方向付けが可能なように構成された投影手段を、前記第１の放射投影装置（１、１´）が有することを特徴とする請求項１１―１３のいずれか記載のシステム。
【請求項１５】
前記投影手段が走査ビーム案内のための素子（１０）を備えることを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のレーザー光源（９ｆ−ｇ）、好ましくはマイクロチップレーザー、の前記放射が、少なくとも２つの、好ましくは４つの、光学遅延線（１１ａ−ｄ）、特に異なる長さを有する単モードファイバーによる光学遅延線の間に配分されることを特徴とする請求項１１―１５のいずれか記載のシステム。
【請求項１７】
方向の決定が、少なくとも３つの前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の前記放射（Ｓ）の受信、特に画像記録部材（１５）による受信で成されるよう、方向感度のあるように、受信ユニット（５、５´、５´´、５´´´）が構成されることを特徴とする請求項１１―１６のいずれか記載のシステム。
【請求項１８】
前記受信ユニット（５´）が傾斜センサ（１８）特に二軸傾斜センサを有することを特徴とする請求項１１―１７のいずれか記載のシステム。
【請求項１９】
前記受信ユニット（５´）が、ローカル発信器として測地学的に精密な標準時間（１９）特に原子時計を有することを特徴とする請求項１１―１８のいずれか記載のシステム。
【請求項２０】
前記受信ユニット（５´´´）が、該受信ユニット側の前記検出器（１６´）の前記基準点（１６ｂ）から該受信ユニット（５´´´）の接触面への所定の距離（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を取り込むための少なくとも１つのスイッチ素子を有することを特徴とする請求項１１―１９のいずれか記載のシステム。
【請求項２１】
前記受信ユニット（５´´´）が、該受信ユニット側の前記検出器（１６´）の前記基準点（１６ｂ）から該受信ユニット（５´´´）の接触面への所定の距離（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を取り込むための少なくとも１つのスイッチ素子を有することを特徴とする請求項１１―２０のいずれか記載のシステム。
【請求項２２】
散乱的にあるいは真直ぐに反射する少なくとも１つの基準物体、特に、球体あるいは球体の部分を備えることを特徴とする請求項１１―２１のいずれか記載のシステム。
【請求項２３】
前記基準点生成手段が少なくとも１つの第２の放射投影装置（１、１´）を備え、前記第１の放射投影装置と該第２の放射投影装置（１、１´）が、前記基準点（２、２´、２´´、２´´´）の投影の同期のための通信リンク、特に無線通信リンクを有することを特徴とする請求項１１―２２のいずれか記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に主張する受信ユニットの位置を決定するための方法と、請求項１１に主張するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの測地の用途において、測量機器の位置を決定するための、すなはち、配置および・あるいは向きを決定するための位置決定方法とシステムが使われている。このようなシステムにより決定された配置から、空間内の計測装置の配置と結合され、一般的には更に向きの知識を必要とする更なる測定が実行される。原理的に、測量機器の向きは２つ以上の点の配置の決定から導き出すことができる。測定の用途のため、一般的に、手持ち測定装置の６自由度、通常その配置と３自由度が、空間内での絶対位置を明確に固定するために、決定される必要がある。制約条件が存在する場合、例えば、定義された面内での移動があるときは、より少ない自由度の決定が配置と向きを固定するのに十分である。従って、この問題は、原理的に別々に近づくことができるが、しかし、多くの用途のために協働する２つの物体として配置と向きの決定を含む。通常、一般的な手持ち装置の配置と向きの両方が必要とされる。
【０００３】
位置決定システムの例として、GPS、GLONASSあるいは現在設置されつつある欧州のガリレオシステムのような地球測位システムがある。これらのシステムは、可能な限り離れた衛星の信号の乱されない受信に基づいており、しかし障害物により遮られることもあり、従って、その使用可能性に制限がある。その遮蔽効果により、信号の受信に制限があるか、あるいは、障害物のすぐ近傍では完全に不可能となり得るので、このシステムを使って配置を決定するのが不可能となる。これらの制限は、位置決めのため必要とされる多くの衛星の受信が一般的に不可能とされる建物の内部の部屋での測定に係る。更なる問題は、地球測位システムがいつもの位置決定の求められる精度を提供しているとは限らないか、あるいは、例えば基地局を使用してあるいはより長い測定時間で、より大きな努力を必要とすることである。
【０００４】
また別の例として、セオドライトあるいは視距機を有する反射鏡搭載の測定器の配置の決定がある。視距機による測地装置への方向あるいは距離測定により、視距機の配置が知られているならば測地装置の配置を決定することも可能である。自動目標認識と目標追跡とを併用して、ほぼ連続する配置の決定を達成することができる。ここで測定するための前提条件は、２つの構成部材の間の視線である。この１つの連結が例えば視界内の茂った葉や建物より中断した場合、配置の決定は失敗する。さらに、一度に1つの装置だけが電動測地機により追跡することができるので、建物側に多くの車両がある場合、数多くのセオドライトが必要とされる。見える範囲において隙間なく、調査される係る範囲を事実上カバーする多くのセオドライトは、装置と人の費用により一般的には使用できない。また、このような解決策は、測定のプロセスの制御に高レベルの複雑さと安定した通信を必要とする。
【０００５】
水平ポールあるいは垂直ロッドから操作されるいわゆるロボット総合基地システムは通例の変更を有する。このようなワンマン操作の装置は、市販で入手可能で、多くのメーカーにより提供されている。ビデオカメラにより支援されている自動セオドライトは、光学的に手持ちの水平ポールあるいは垂直ロッドを追跡する固定基地として動作する。目標点の座標が中央基地で計算され、観察ユニットに送信され、そこで表示される。これらの装置のすべては、水平ポールあるいは垂直ロッドへの視線の直線が本質である不利を有する。また、固定基地が大きな加速度の目標を見失うことがあるので、動的な追跡は不利である。
【０００６】
要求される精度で全ての状態の下で装置の現配置として実際の配置を使用するために、基準物体あるいは基準点としてそれらの配置について知られている物体に相対する実際の位置の決定に基づく方法が知られている。この例のひとつが、後方交会法である。基準点の情報からこのために適切な測地装置あるいは位置決め装置のため実際の配置を導き出すつもりならば、この基準点は、事前に固定しなければならないし、十分正確に測量されなければならない。一般に、この目的のため特別な部材が搭載される、例えば、マイクロ波送信機のような既存の送信器、あるいは、反射板のような受動システムが使われる。
【０００７】
実際の配置あるいは向きの決定が、実際の測定点の測定および・あるいはさらなる測定、たとえば、傾斜測定、により実行され、そのため垂直あるいは水平について測定され、そこから、実際の配置あるいは向きを導き出すことがでる。ここで、配置および・あるいは向きを、原理的に、完全に、すなわち既知の配置の点への分離された測定により、あるいは、相対的に、すなわちゼロ点に関する既知の配置あるいは向きの変化の観測で、決定ができる。
【０００８】
多くの場合、測地装置は距離測定の能力だけを有しているか、あるいは、角度の測定は要求される精度や速さで実行できない。このような場合、配置の決定は距離の測定だけに実施されなければならない。この目的のため、１つの既知の配置を有する複数の点への距離が測定され、実際の点を、例えば写真測量で使用されるような公知の方法により決定することができる。相関法または相関計算は、この１例である。必要な点の数は、それの位置と測定の精度に関係している。しかし、一般に、特に良好な構成から離れ、少なくとも３または４点が必要になる。さらに角度を考慮する場合、例えば、水平に対する角度を決定する場合、点の数は2つに減少することができる。
【０００９】
それぞれの場合に実際に必要とされる点の数は、既知の点の数とあいまいさを減じる可能な限定とに関連している。様々な基準点に３つの距離を計測する場合、この３つの既知の配置は平面を定義し、その面で決定される実際の位置を反映することができる。その結果の解は、２つの可能な配置であり、その１つは、例えば、地球の表面の下にある、あるいは、単純な磁石コンパスにより可能な北と南の間の区別のような単純な他の情報に基づくようなもっともらしい理由から取り除かれる。好ましい幾何学的な条件が存在する場合、３つの点についての明確な決定は、可能となる。これは、例えば、求められた配置が２つの既知の点の間を結ぶ線上にある場合の例である。
【００１０】
従来例の既知のアプローチは、一般に、例えば、マイクロ波範囲の放射源を正確に知られた配置で、十分な数の搭載を基にしている。絶対的または相対的な位置は、これらの送信器に対して決定される。しかし、多くの放射源を位置づけし、この目的のため測定しなければならず、その結果、装置と操作についてかなりの複雑さをもたらす。
【００１１】
ローカル位置決めシステムの他のアプローチは、既知の配置の受動の点に基づく。例えば、PCT/EP/2004/01057は、レーザービームによる走査される空間的区分内に配置された少なくとも２つの基準点が検出され、それらの距離と傾斜角度とについて測定される測定装置の実際の位置を決定するシステムを開示している。検出可能に設計されたこれらの基準点の既知の配置と距離と傾斜角度とから、測定装置の実際の配置を導き出すことができる。基準点の検出、追跡、測量は、測定装置により自動的に実行され、この測定装置と基準点は、ローカル位置決めおよび/あるいは向き測定システムの特に形成された要素を形成する。しかし、このシステムでは、この基準点をレーザービームにより積極的に走査し、照明しなければならず、測定装置の受信部材が非常に複雑な設計となる。また、送信器と受信器が一つの装置に配置され、互いに構造的に連結されるので、例えば、複数の受信機が、受動的設計すなわち測定装置により放出された光信号の反射のみの、共通の中央送信器の光を使用することができない。また、この設計は、使用可能な基準点の数を制限し、測定装置にある送信器の放出円錐形内で、さらに順次に、走査しかできない。
【００１２】
また、目標の基準点を搭載し、計測前に測定しなければならず、それには特定の努力が必要であるか、あるいは、いくつかの区域においては不可能である。
【００１３】
また、走査動作の間、すなわち、レーザービームが基準点として捕らえるのに不利なぴかぴかの物体を照射している場合、基準点は必ずしも明確に検出可能ではないので、基準点の検出が特定の状況下で問題となる。この問題を解決するために、画像を記録する方法を使用することは可能である、しかし、この方法は、装置、特に光ビーム路をより複雑にする。原理的に、この問題は基準点の識別にも当てはまる。
【００１４】
走査の動作により、基準点の使用可能性は時間に関して非常に限られている。１つの解決は、対応する基準点を調整された送信器と受信器の両方を保持する２つの追跡装置を記述している。しかし、このような特に手持ち測定装置に適用可能な目標追跡装置の調整の精度に関する要求は、非常に厳しい。
【００１５】
扇形状でレーザー放射を放出する３つの基準基地を備える米国特許6,381,006による装置が知られている。このシステムは、水平ポールあるいは垂直ロッドから操作される。空間座標は、３つの放射された扇形状光ビームにより定義される。この扇形状光ビームにより空間内の水平ポールあるいは垂直ロッドの位置を測量する３つの方向センサは、手持ちの水平ポールあるいは垂直ロッド上に存在する。したがって、目標点の配置が決定される。測量あるいはアクセスが不十分な測定点を取り除くことが可能なように、水平ポールあるいは垂直ロッドは、反射鏡を持たない距離計を備える。この装置は、目の高さに設置する必要がある３つの基準基地に同時に見る視線を必要とすることの不利がある。この前提条件が、建物の中、あるいは、交通を有する建物サイトで確実に満たされなければならない。加えて、基準基地の技術的な設計が複雑となり、このような多様な基地に対する要求のため、努力がさらに増加している。
【００１６】
回転する扇形状の光ビームを有する空間位置システムが米国特許US6,545,751 および米国特許US6,646,732に開示されている。それに記述されている手持ち観測ユニットの３次元座標の決定は、固定基地により放出された少なくとも２つの扇形状の光ビームの場合に時間あるいは間隔での測定に基づく。これらの装置は、手持ち観察ユニットと少なくとも２つの基準基地との間の視線の直線を必要とする不利がある。このアプローチでも、非常に努力と高い複雑さが必要となる。
【００１７】
回転する扇形状の光ビームを有するすべての解決は、回転モジュールにより生成された振動のやっかいな影響が不利となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、強く切断された地形あるいは内部の部屋においても、手持ち測定装置の実際の配置と向きの決定が可能となる簡易な方法と複雑さを改善した装置あるいはシステムを提供することにある。
【００１９】
さらなる目的は、かかるシステムと部材の設定について取り扱いを簡素化する、あるいは、改善することである。
【００２０】
これらの目的は、請求項１と１１あるいはその従属の請求項の主要件によりそれぞれ達成されている、あるいは、さらに開発されている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、受信ユニットの配置および・あるいは向きを決定する方法と、その配置および・あるいは向きを決定するシステムに関する。
【００２２】
本発明によるアプローチは、放射源の直接位置決めあるいは放射源により照明可能な物体が基準点の投影により置き換えることができる事実に基づく。この目的のため、検出可能な放射あるいは光のスポットの一組が1つ以上の投影装置により生成され、そのスポットは受信ユニットにより基準点として検出され、評価される。向きの決定の相対的と絶対的な位置決めの両方が実行される。基準点生成手段と受信ユニットは、互いに独立に位置決め可能で、固定の基準点の一組が基準点生成手段により提供され、基準点に対し、受信ユニットが方向付けられ、あるいは、その向きと配置を決定される。
【００２３】
さらに、基準点を、パネル、反射するホイル、そのままの表面の代わりにあるいはそうすることで十分である白塗りの壁あるいは他の物体に位置決めすることは必要ない。発信器は、拡散反射あるいは部分的反射をする物体を照明し、基準物体は、物体上の光スポットの結果としてのみ形成する。複数のレーザービームは、相応した大きな数の基準点の形成をもたらし、すなわち、基準点の数が、レーザー投影と、計測装置または受信ユニットから独立した投影装置と、理論的には所望する数により決定される。その結果、基準点の使用可能性は高くなり、投影装置あるいはその全体が物体の上に対応する基準点を継続して生成することができる。
【００２４】
この目的のために、測量される空間は、複数のあるいは光源の特別な設計による放射投影装置からの、または１つ以上の対応する多重送信ユニットあるいは基準点生成手段としての複数のレーザー投影装置からの検出可能な放射で切断あるいはみなぎる。多重送信ユニットの形で可能な基準点精生成手段は、一種のレーザー投影装置を構成する基準基地である。放出されるレーザービームの数は、少なくとも３つ、通常は４レーザーユニットであるか、または基準点の投影が存在する。地球測位システムに擬えると、既存の制限や環境条件、必要とする測定精度により事前に決定された検出可能な基準点の数が、常に受信ユニットに存在しなければならない。形状に応じて、カバーされる範囲および例えば障害物のような環境条件に対し、投影される基準点の組みの総数は、３以下か、あるいは、４以上である。投影を、1つの多重送信ユニットあるいは互いに通信リンクを有する複数の多重送信ユニットにより生成することができる。それと同時に、共通の光源の放射を中継基地を介し送信し、投影することができる。この基準点は、原理的に、同時に、しかし、受信ユニットと投影された基準点との間の漸進的、すなわち継続的あるいは中断無しの光リンクが維持されるように選ばれた適切な高速度で、順次投影することができる。この目的のため、基準点の検出が、複数のリファレンスポイントすなわち特に３基準点について、同時に、あるいは、光リンクを維持するのに適切な高速で実行できる。
【００２５】
さらには、投影される光は、高周波数で、特に輝度、位相あるいは偏波変調され、その放射が可視でも、同様に赤外波長範囲またはより長い波長範囲でも可能である。好ましくは、平行で放出された光ビームが固定の表面に当たり、それにより空間に、特に測量される区域に反射される。この反射は、拡散または真直ぐであり、測量される部屋の壁や、例えば窓、衛星をシミュレートした特殊な反射マーク、適切な点に設定され取り付けられる特殊な反射材料のような自然な表面で反射面が可能である。伝達可能あるいは複合効果を有するマークが実現可能である。
【００２６】
レーザーユニットあるいは放射投影装置は、位相について互いに強固に結合された３つ以上の送信ユニットの変調光のような変調された放射を放出する。ミリ精度あるいはサブミリ精度の距離情報が変調の伝達時間あるいは位相位置から決定可能な方法で、関連する情報が形成され、その変調は、測地学的測定の必要とされる精度のため通常の測定として考えられる。
【００２７】
変調あるいはコード化の結果として、情報が伝播または送信される。レーザービームは変調され、位相あるいは時間について互いに強く結合され、レーザー投影装置から基準点を形成する物体を介し送信器から空間的に分離された受信器に向かって、伝達時間あるいは位相を送信する。反射物体へのリンクは、少なくとも恒久的に維持されるかあるいは維持ができる。
【００２８】
さらに、例えば、家の壁のような物体による通常の発散の反射のために、測量される部屋全体は、測定光が継続的にみなぎる。したがって、距離情報が使用可能であることは、走査および検索動作と比較して大きい。
【００２９】
好ましい手持ちの受信ユニットにおいて、３つの通常は４つの送信ユニットにより生成され、衛星、基準点あるいは壁により散乱されたレーザー光が検出される。変調形成の相対伝達時間あるいは位相位置から、検出器の配置が算出される。基準点が位置決めされ、その基準点が測量される部屋の区域から見ることができる。投影は、よい検出率を確保するよう高い区域で基準点を生成することを可能にする。投影は、たとえば、内部の部屋の天井のような適切な構造の上に、または特別な物体の上にすることができる。このような物体は、例えば、自然な表面に接着で結合可能な球や反射パネルであり、延長可能なロッドシステムにより、見えるように設定可能である。
【００３０】
配置あるいは向きの決定は、どちらも、位置が既知あるいは絶対である指定されたゼロ位置について成される。第１のアプローチのため、受信ユニットを有する測定装置は、方法の開始時点でゼロ位置の配置に位置決めされ、基準点の放射が検出され、測定される。基準点の座標が既知ならば、従来の測定により実行可能であり、相対配置と向きの決定が受信側で直接に開始することができる。ゼロ位置に対するずれは、放射に重畳されたあるいは変調された特性の変化から決定される。
【００３１】
一方、基準点の座標が既知でない場合は、基準点の配置を後方交会法により決定することができる。手持ち受信ユニットは、ゼロ位置の配置と、ゼロ位置と共に、１次元、２次元、あるいは３次元座標系の単位ベクトルの向きと長さで定義される更なる１、２あるいは３の既知の配置によって位置決めされる。
【００３２】
絶対的な位置決めや向きのためのアプローチは、検出された基準点の位置の知識に基づいており、これらが、事前に測定されるか、あるいは、それらの位置について既知の点で位置決めされる必要がある。基準点の絶対的な配置、レーザー投影装置との距離、受信された変調された信号の知識から、受信ユニットの絶対的な配置あるいは向きを導き出すことができる。
【００３３】
絶対位置と相対位置の両方の測定は、距離そのものあるいは検討された距離における変化のいずれかに関して、基準点から始まる放射の分析を含む。ここでは、位相測定あるいは、例えば、放射の上に重畳された信号あるいは測定の基盤を形成する位相部分の、時間の関数としての相対位置である、伝達時間測定のような、良く知られた距離測定方法に頼ることは、原理的に可能である。
【００３４】
本発明による受信した放射の信号処理のための第１のアプローチは、位相測定原理に基づいており、この原理はGPS測量法と似ている。しかし、GPS法とは対照的に、それは1つの搬送波信号の位相ではなく、位相測定原理による従来の距離計の方法で測定され評価されるレーザー光の輝度変調あるいは偏波変調の位相である。
【００３５】
同一性と区別とを可能にするために、さまざまな基準点あるいはレーザー源、たとえば、それぞれのレーザー源が自分自身の周波数で変調可能である。たとえば、次の周波数、３３MHz、３１MHz、２９MHz、２７MHzは、個別の送信器を識別するために都合がいい。受信ユニットで受信された信号は、周波数により分割され、それらの位相を個別に決定することができる。
【００３６】
光の波長により信号間の区別が、例えば、C/Aコードを有するGPSシステムなどの似たような方法で使用される更なる変調により、実現可能となる。
【００３７】
受信ユニットは、基準点により散乱された放射の位相を測定する。基準時間として水晶精度を有するローカル発振器により生成されたクロック信号により、送信ユニットと協調する信号の位相の測定が実行される。受信ユニットが原子時計を有する場合は、３変調送信信号が十分である。受信ユニットの場合で精度が劣る標準時間の場合は、少なくとも４変調送信信号がミリ精度で配置決定を得るために必要とされる。
【００３８】
位相距離測定で通例のヘテロダイン方式は周波数変換のためにも使用することができる。これは、デジタル電子モジュールと評価方法とによる低周波数信号の位相測定を実現することを可能にする。
【００３９】
絶対位相（アンビギュイティ分解能、変調波長の数）と、従って、衛星への距離と、そして最後に、受信ユニットの配置（３座標ｘ、ｙ、ｚ）を、GPSシステムの信号評価のよく知られた方法により決定することができる。
【００４０】
絶対位相（アンビギュイティ分解能）の決定のために、レーザー光のより複雑な変調方法を使用することも可能である。２つの周波数を同時に、あるいは、位相走査を有する１つの周波数が搬送光上に変調された変調波長の数を２変調により導き出すことができる。
【００４１】
本発明による第２のアプローチは、パルス伝送時間測定法により実現できる。光パルスはレーザー銃により放出され、時間について順に相互に遅延され、互いに強く結合される。
【００４２】
数HzからKHｚ範囲の繰り返しパルス低周波数の選択をとおし、アンビギュイティでない範囲、したがって装置の計測範囲を数１００から１０００ｍとすることができる。
【００４３】
基準点あるいは反射点の識別が、異なる搬送波あるいは光の波長により順次可能となる。最も単純なケースでは、光パルスが時間の関数として継続して発生することを確実にすることにより、これらを遮蔽することができる。
【００４４】
時間関連の遮蔽の場合、対応する時間間隔を個別のレーザー光源あるいは衛星と協調させる。パルスの１つがシーケンスの開始の識別のための符号化特徴をさらに備える。たとえば、パルスシーケンスが第１のパルスとはじめに繰り返す前に、より長い光の休止を最後のパルスに付ける。
【００４５】
個別のレーザー光源の識別は、継続する検出と個々のパルスの遅延の分析により、増分法として可能である。しかし、このアプローチには、ビームが中断されるかもしれないという根本的な問題がある。
【００４６】
位相測定と比較すると、通過時間測定は、例えば、より高い感度、より高い測定速度、より長い範囲であるが、特定に、周囲の光に対するより大きな頑強さを利点とする。さらに、1つのパルス周波数が全てのレーザー光源に対し十分であるので、周波数シンセサイザは簡単に実現する。
【００４７】
空間関係系あるいは上位の座標系を相対的な基準にする共同は、さまざまなアプローチにより達成できる。
【００４８】
既に水平な床を基準にする場合、手持ち受信ユニットは、その床上の３点で置かれ、測定が測定はそれぞれの場合において開始される。その結果、その水平面は既知であり、受信ユニットを床の上に任意の高さで設定できる。
【００４９】
方位角度が決定された座標系を基準にする場合、水平面送信に類似した手順が次のとおりである。床の水平面内の３つの測定ポイントが記録され、その点の２つが方位角度決定方向にある。この方向は、例えば、床と側壁との間の端部である。
【００５０】
当業者に知られている更なる設定方法がある。たとえば、壁からの距離だけに関心があり、側壁の位置が３点測定により記録できる。受信ユニットは、壁への距離を継続して決定することができる。
【００５１】
さらなる設定方法は、適切な付属装置により実行できる。付属装置の例としては、垂直ロッド、測鉛レーザー、傾斜センサまたはクロスヘアーあるいは２点間の直線に沿う基準に対し９０度の角度であり、その直線の法線の二重プリズムを備える望遠鏡付き照準がある。
【実施例１】
【００５２】
図１は、例として、建設機械４の一を決定するための、本発明により方法の第１の実施例を示す。この例では、建設機械４は溝の中にあり、例えば総合基地のような、中央に置かれたユニットにより直接見ることができない。本発明によると、建設機械４により順に検出可能な一組の基準点２が、放射投影装置１により投影される。この目的のために、電磁放射Ｓ、好ましくはレーザー光、が建設機械４から見ることができる配置に送くられる。処理される空間の対応する範囲を達成するために、例えば、この例に示された投影パネル３のような特別な部材を使用することが、特定の環境で有利となる。これらの投影パネル３は、例えば、白あるいはスペクトルが最適化された表面を有し、拡張可能なスタンドの上に配置される。複数のこのような投影パネル３により、処理範囲の領域を達成することができる。
【実施例２】
【００５３】
図２−３は、建設機械４の配置を決定するための本発明による方法の２つ目の実施例を示す。図２に示すように、第１の実施例の投影パネルの代わりに自然の表面を使用することができる。適切な場合は、特別な処理、例えば平滑化あるいはミラーホイルや反射ホイルのような部材の取り付け、反射塗装や球面により背面放射特性に自然の表面を適合させることができる。放射投影装置１は、既存の建物に電磁放射Ｓを投影し、基準点２´の一組を成形する。たとえば、球は平行化されたレーザービームにより照明することができ、空間の比較的大きな部分が、反射された放射により照明される。この目的のためには、ビーム径と球の径が互いに適合されている。しかし、図１の投影パネルのような特別の部材や自然構造物をいっしょに使用することも可能である。
【００５４】
図３は、投影された基準点２´を基にして建設機械４の位置の決定を説明する。受信ユニット５の検出範囲６内にある基準点の組のこれらの基準点２´は、建設奇怪により検出される。位置、すなわち、配置および・あるいは向きを決定するために必要とされる基準点の数は、必要とする精度と、特定された情報あるいは強制、たとえば、でこぼこのない水平な表面の上の移動による自由度の可能な制限とによる。しかし、一般に、４つの基準点２´が、受信ユニット５従って建設機械４の位置を地球測位システムと同様な方法で決定するために、必要である。
【実施例３】
【００５５】
図４−６は、建物の内部での手持ち測定装置の配置を決定するための、本発明による第３の実施例の概略図を含む。図４に示すように、放射投影装置１´が建物の内部の部屋に設定され、投影により生成される放射Ｓを有する壁の上に複数の基準点２´´の一組を投影することができる。
【００５６】
これらの基準点２´´の組は、受信ユニット５´の検出範囲６´により検出され、図５に示すように、放射投影装置１´と受信ユニット５´が放射で覆われている距離を介し連結されている。放射投影装置と基準点の座標が知られている場合、受信ユニット５´の位置を、これらの距離の知識あるいは基準点２´´から受信ユニット５´への距離部分の知識から原理的に導き出すことができる。放射投影装置と基準点の座標は、セオドライトによる設定プロセスの部分で決定することができる。
【００５７】
受信ユニット５´の相対的位置や向きの決定が実行される場合、その受信ユニットが、図６に示すように手順のはじめに既知のゼロ位置NLに前もって位置決めされる。このゼロ位置NLにおいて、基準点２´´の最初の測定が実行される。最初の測定が完了した後、実際の測定作業が実行され、受信ユニット５´がそれぞれの測定位置MLに移動させられる。相対的位置を決定する場合、受信ユニット５´は、ゼロ位置NLでの信号の特性に関し放射の上に重畳された信号の変化を追跡する。
【００５８】
もし放射と基準点の座標が既知で無い場合、測量される空間内の座標を固定する較正体がこの方法に必要とされる。最も単純なケースでは、受信ユニット５´が少なくとも２つの端点での放射により覆われた距離を測定するとき、定義された、すなわち測定あるいは測量された、変数、例えば、測定の定規を較正体として使用することができる。 受信ユニット５´の相対位置のゼロ位置NLが、測定の定規の第１の端部により与えられ、第２の端部により座標の方向と単位長さが与えられる。しかし、空間内で任意の位置決めのために、３つの直交する方向での３つの定義された変数を有する較正は有利であり、較正体がそれにより定義される。
【００５９】
単位長さの定義のために、装置内の機器を使用することができる。したがって、例えば、光学センサあるいはローラー体により、表面に対する運動を記録し、測量することができる。受信ユニット５´の動きの較正は、表面に対する測定距離と基準点２´´の座標測定の変化とから成される。
【００６０】
図７ａ−ｄは、本発明による放射投影装置の作動例の概略図を示す。図７ａは、本発明による放射投影装置の第１の作動例を示し、投影装置本体７は、４つの放射源９ａ−ｄが個別に調整可能なように備えられた放射線透過性のカバー８を有する。適切な物体の上に基準点を投影するために、これらの放射源９ａ−ｄ、例えば半導体レーザー、により生成された放射Ｓを手動あるいは自動で調整できる。
【００６１】
図７ｂは、本発明による放射投影装置の第２の作動例を示し、投影手段として走査ビームの案内のための要素１０を備える。放射源９ｅの放射Ｓは、基準点の組を生成するために様々な配置に時間の関数として投影される。走査動作は、典型的な機械部材、たとえば、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）技術により実現される。
【００６２】
簡単な方法で、基準点の座標と、放射投影装置および基準点の間の距離とを決定するために、放射投影装置が、距離測定装置と角度測定装置とを備えることが可能である。これは、絶対配置の決定のために必要なシステムの設定を簡略化する。しかし、位置決めシステムの測定は、例えば、セオドライトのような測量機器を使用して実行することができる。
【００６３】
第３の作動例は、図７ｃで説明されている。使用されているビーム源９ｆは、マイクロチップパルスレーザーであり、その放射は複数の遅延線１１ａ−ｃ１を超え通る。放出される放射とその投影の向きは、投影手段としての複数の方向付け部材１２ａ−ｄにより成される。適切なマイクロチップレーザーは、１ｍｓのパルス幅でピークパルス電力として１KWを超える放出をする。生成されたレーザー光は、遅延線として、たとえば長さ１ｍ、１０１ｍ、２０１ｍ、３０１ｍの４つの平行な単一モードのファイバに結合される。そのため、約５００ｎｓの相互時間関係の距離となり、それは１５０ｍのスペクトル分離に対応する。ファイバを通る光は、走査素子あるいは投影手段としての方向付け部材１２ａ−ｄのいずれかにより視準され、基準点が投影される。共通の光源のために、４つの放出された信号の結合が行われ、同じ信号の特性が確保される。たとえば、ポンピングパワーの調整あるいは温度の調整を介し安定化がなされるよう、１０KHzがマイクロチップレーザーの繰り返し率として選択される。
【００６４】
図７ｄは、遅延が図７ｃと似たような方法で実行される第４の作動例を示す。ここでは、さまざまな経路を生成するため、ビーム源９ｇの光が、共通の遅延線１１ｄに結合され、そこから、適切な距離の後ろに、放射の一部が、光スプリッタあるいは結合器により結合から離され、投影手段としての方向付け部材１２ａ−ｄの協働するユニットを介し投影される。
【００６５】
図８は、伝達時間の測定原理を基にした、本発明による方法の時間関数としての信号カーブを示す。それぞれの場合、変数は、時間関数としてプロットされている。最上の点において、受信ユニットのｐｐｍ精度の標準時間が方形波信号として表示されている。４つの基準点からの受信した信号は、下のほうに表示されている。レーザーパルスとして放出された信号はパルスの繰り返し時間TRepを有し、タイムウインドが、たとえば遅延線の使用により、それぞれのレーザーのために、送信器および受信器側に存在する。タイムウインドの幅TLaserl - TLaser4は同じである。時間のゼロ点ｔ0に基づいて、受信ユニットは、時間ｔ1−ｔ4で４つのパルスを受信し、伝達時間ｔ1´―ｔ4´は、それぞれの時間ウインド内で、その時間ｔ1−ｔ4に対応する。時間の関数としてこれらの信号カーブは、ゼロ位置にある受信ユニットにより記録され、変化、すなわち、この図においての時間ｔ1−ｔ4あるいは伝達時間ｔ1´―ｔ4´の変化は、位置の決定を継続して評価する。ここでは、対応する距離をそれぞれの伝達時間ｔｔ1´―ｔ4´と協働させることができる。距離の変化が受信ユニットの配置と相関関係があるので、配置あるいは向きにおける変化が導き出せる。基準点あるいは放射源への距離および距離の変化を評価することができる。
【００６６】
相対位相の測定を含む位相測定原理に基づく、本発明による代替の可能な方法を図９に示す。再度、ゼロ位置NLに対する信号特性の変化を決定し、測定位置の配置での受信ユニット５´に対する評価を行う。しかし、明確にするため、２つの基準点２´´´に対する例により純粋に示された位相の違いＰＤ1あるいはＰＤ2に考慮する。ゼロ位置NLとの関係が失われるので、位相差がフルサイクル、すなわち２πを超え増大する場合、これらは含まれなければならない。
【００６７】
図１０は、絶対位相の決定を含む位相測定方法の原理に基づく、本発明による方法の概略図を示す。それぞれの場合、位相部分だけが測定される、すなわち０から２πの相対位相である。絶対位相は、それから、位相のアンビギュイティ分解能により計算される。基準点２´´´に対する絶対位相ＡＰ1あるいはＡＰ2は、相対位相の代わりに決定される。これは、地球測位システムの範囲から知られる位相のアンビギュイティ分解能を含む。基準点２´´´へのあるいは放射源への距離はそれにより定義される。この絶対位相測定に加えて、放射源の配置に加えて、基準点２´´´の位置Ｐ1（ｘ１、ｙ１、ｚ１）あるいはＰ2（ｘ２、ｙ２、ｚ２）が既知ならば、絶対配置の決定も可能であり、距離D1とD2と協働する方向を決定することができる。このアプローチは、衛星による配置決定に事実上対応しており、基準点は人工衛星あるいは星と対話するように機能する。この結果、絶対位置の決定を、ゼロ位置からの事前測定なしに、実行することができる。しかし、このアプローチは、基準点の位置Ｐ1（ｘ１、ｙ１、ｚ１）あるいはＰ2(ｘ２、ｙ２．ｚ２)の知識が必要であり、既知の配置での投影あるいは投影の事前の測量のどちらかを必要とする。
【００６８】
本発明による第１の受信ユニット５´の実施例を図１１に示す。たとえば約１２０度の開きを有する検出範囲６´の広角対物レンズ１３により、基準点からの放射が検出され、下流回路光学システムを有するビームスプリッタ１４を介し、画像記録部材１５と放射の受信および信号処理のための検出器１６とに通過する。それらお信号は評価ユニット１７において処理され、配置と向き情報について分析される。３Ｄ位置が事前に決定された受信側の基準点１６ａは、ここに破線により表示された仮想イメージ位置である。
【００６９】
装置の操作と制御のため、汎用の市販の部材、たとえば、入力キーボード２０、を使用することができる。加えて、１つ以上の傾斜測定器１８、例えば２軸のものを含む、あるいは高精度標準時間１９、例えば、原子時計は統合することもできる。その結果、位置決定に必要な基準点の数を低減あるいは冗長性を形成することができる。
【００７０】
伝達時間の測定原理に基づくこの作動例において、検出器１６は、様々な基準点のパルス光を継承して、すなわち順次受信し、分離はタイムウインドの設計により可能となる。しかし、代わりに、例えば、色彩特性や符号化による他の分離方法を使用することもできる。信号は、増幅され、デジタル化され、第１のレーザーパルスの受信のあとに、標準時間の同期とタイムウインドの生成が実行される。受信したレーザー信号の遅れは、それぞれのタイムウインド内のそれらの相対位置について分析される。ゼロ位置の配置での特性と比較が成され、相対的スペクトルシフトが導き出される。標準時間が高精度のクロックで与えられた場合は、３つの基準点のみを対象とすることができる。同様に、傾斜測定器あるいはさらなる方向情報、例えば、画像記録部材１５からの情報を統合することもできる。加えて、画像記録部材１５は、ゼロ位置における配置に対する基準点の位置の変化が決定される場合、導出あるいは向き情報を可能にする。
【００７１】
最も単純な変形において、少なくとも４つの基準点の放射を継続して受信できる場合、このような画像記録部材１５無しにすますことも可能である。面倒な背景や周囲の光を抑制するため、狭帯域フィルタ、例えば、干渉フィルタを検出器の前に配置することができる。高い抑圧性を有する非常に狭い干渉フィルタを、マイクロチップレーザーあるいは波長安定化レーザーダイオードの場合に使用することができる。
【００７２】
図１２は、放射のための２つの入口オリフィス２２あるいは距離決定のための２つの検出器が設けられたスタイラス２１を備える、本発明による第２の受信ユニット５´´の概略図を示す。配置決定の重複により、空間内の受信ユニット５´´の向きを決定することができ、画像記録部材無しに済ますことができる。このような受信ユニットで、隠された点の測定が可能となる。３Ｄ位置が決定される受信側のこの基準点は、スタイラス２１の先端の例である。操作と制御のため、視覚ディスプレイ２３、例えば、液晶表示装置が、住宅の上の、本発明によるこの第２の受信ユニット５´´内に設けられる。
【００７３】
図１３ａ−ｂは、測定される面あるいは点を置くために特に形成された、本発明による第３の受信ユニット５´´´の概略図を示す。受信ユニット５´´´の機能は、入力キーボード２０´と視覚ディスプレイ２３´を介し制御することができる。基準点は、検出範囲６´´を有する広角対物レンズ１３´により検出することができる。図１３ｂに示すように、受信側の検出器１６´の基準点１６ｂは、ハウジング２４内の面EBに置かれる。物体の表面あるいは接触点が表す基準点の測定を実行できるように、受信ユニット５´´´は、受信側の基準点からハウジング２４の水平の表面への距離Ａ１−Ａ３を定義する。受信側の基準点１６ｂへの測定の関連付けは、入力キーボード２０´あるいはプッシュボタン２５による制御を介し、手動により確保することができる。測量される物体との接触により、それぞれのプッシュボタン２５が押され、関連する絵異議された距離Ａ１、Ａ２あるいはＡ３が選択され、評価の受信側の基準点１６ｂと連結される。受信ユニット５´´´のハウジング２４は、動作に敏感な較正部材２６として球を有し、その回転挙動は、カバーする距離について測量する。したがって、装置内で移動の較正が、外部基準量、たとえば、測定定規無しに可能である。３つの直交方向での運動を定義するために、受信ユニット５´´´が、部屋の床の上の２つの直交する動きと部屋の側壁上の１つの動きに導くことができる。それにより較正が出来た後、配置および・あるいは向きの決定を、表面に直接接触することなく実行することができる。接触制御されたシステムに加えて、たとえば、コンピュータの光学式マウスのように、接触せずに測定するシステムは、較正部材２６として使用することができる。
【００７４】
図において、使用される方法の手順と建物と機器が純粋に概要で示されている。特に、画像処理あるいは基準点の測量は寸法関係あるいは詳細がなく概略で明示している。点は、基準点として例としてだけ示しており、より複雑な構成あるいは点を定義する要素、たとえば、球あるいは反射ホイルでもよい。
【００７５】
もちろん、本発明による位置決定のためのシステムは、複数の受信ユニットを同時使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】建設機械の配置を決定するための、本発明による方法の第１の実施例の概略図である。
【図２】建設機械の配置を決定するための、本発明による方法の第２の実施例の概略図である。
【図３】建設機械の配置を決定するための、本発明による方法の第２の実施例の概略図である。
【図４】手持ち測定装置の配置を決定するための、本発明による方法の第３の実施例の概略図である。
【図５】手持ち測定装置の配置を決定するための、本発明による方法の第３の実施例の概略図である。
【図６】手持ち測定装置の配置を決定するための、本発明による方法の第３の実施例の概略図である。
【図７】ａ−ｄは、本発明による放射投影装置の作動例の概略図である。
【図８】伝達時間測定の原理を基にする、本発明による方法のための時間の関数としての信号のカーブの図である。
【図９】相対位相の測定と決定を有する位相測定の原理を基にする、本発明による方法の概略図である。
【図１０】絶対位相の測定を有する位相測定の原理を基にする、本発明による方法の概略図である。
【図１１】本発明による受信ユニットの第１の作動例の概略図である。
【図１２】本発明による受信ユニットの第２の作動例の概略図である。
【図１３】ａ−ｂは、本発明による受信ユニットの第３の作動例の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【国際調査報告】
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2008541108.tif 000021
2008541108.tif 000022
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