TPS1100 Professional Series

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TPS1100 Professional Series
Eine neue Tachymetergeneration von Leica Geosystems
Karl Zeiske
Mai 1999

Zusammenfassung
Der vorliegende Bericht beschreibt die wesentlichen
Komponenten der neuen Tachymetergeneration, die
auf den erfolgreichen Instrumenten des TPS System
1000 aufbaut� Detailliert werden das Winkel
Messsystem, die reflektorlose Distanzmessung, die
automatische Zielerfassung und die flexible
Codierung behandelt�
Der Einsatz neuer Technologien und die Realisierung
von Kundenwünschen aus aller Welt führten zu
wesentlichen Verbesserungen des Bedienungskonzepts
und der Funktionalität� Dadurch konnten das
Anwendungsspektrum vergrössert und
Arbeitsschritte vereinfacht werden, was erhebliche
Produktivitätssteigerungen ermöglicht�
1� Überblick
Vorbild und Grundlage der Entwicklung der neuen
Tachymetergeneration waren die erfolgreichen
Instrumente des TPS System 1000, von denen
Bewährtes übernommen wurde� Aufgrund von
diversen Kundenwünschen aus aller Welt wurde
jedoch vieles verbessert und die Funktionalität
erweitert� Der Einsatz neuer Technologien
ermöglichte es, die Instrumente kleiner und leichter
zu machen und Messabläufe zu beschleunigen�
Das Prinzip des Bedienungskonzeptes, die große grosse
Anzeige mit 8 Zeilen und die strukturiert aufgebaute,
übersichtliche Tastatur wurden beibehalten� Die
Benutzerführung und die Bedienung wurden jedoch
aufgrund der langjährigen Erfahrung mit den
TPS1000 Instrumenten noch übersichtlicher und
einfacher gestaltet�
Abb� 1: Motorisierter Tachymeter mit automatischer
Zielerfassung und Zieleinweishilfe EGL
2
Die automatische Zielerfassung wurde verbessert und
gestattet eine höhere Geschwindigkeit bei der
Zielverfolgung als bei den TPS1000 Instrumenten�
Erstmals in einem elektronischen Tachymeter wurde
zusätzlich zu dem bekannten auf Prismen und
Reflexfolien messenden Infrarot-Distanzmesser ein
reflektorlos messender Distanzmesser integriert, bei
dem als Sender ein sichtbarer Laser verwendet wird�
Neu ist auch die Stromversorgung mit Camcorder-
Batterien, die unendlichen Feintriebe auch bei den
nicht motorisierten Instrumenten und das
standardmässig fest in die Stehachse eingepasste
Laserlot, dessen Helligkeit regulierbar ist und das
unter allen Umgebungsbedingungen ein schnelles
und bequemes Aufstellen über dem Bodenpunkt
gestattet�
Der Benutzer kann aus einer Vielzahl von Varianten
das Instrument wählen, daß das
seinen individuellen
Bedürfnissen am besten entspricht�
TC����� Klassischer Tachymeter
TCM��� Motorisierter Tachymeter
TCR���� Tachymeter mit reflektorlos
messendem Distanzmesser
TCRM��� Motorisierter Tachymeter mit
reflektorlos messendem
Distanzmesser
TCA��� Motorisierter Tachymeter mit
automatischer Zielerfassung
Jede dieser Varianten ist in 4 verschiedenen
Genauigkeitsklassen (Winkelmessgenauigkeit nach
DIN 18723 bzw� ISO 12857) erhältlich�
Typ 1101 0�5 mgon
Typ 1102 0�6 mgon
Typ 1103 1�0 mgon
Typ 1105 1�5 mgon

2� Die Winkelmessung
Das Winkelmesssystem ist ein statischer, absoluter
Winkelabgriff bei dem die codierte Teilung eines
Glaskreises optoelektronisch abgelesen wird
(Abbildung 2)�
Abb� 2: Prinzip des Winkelabgriffs
Im Gegensatz zu den meisten der bekannten
absoluten Winkelmesssystemen, bei denen die Position
aus mehreren parallelen Spuren decodiert
werden muss, ist der Kreis mit nur einer Teilungsspur
versehen, deren Code sich fortlaufend ändert und die
gesamte Positionsinformation enthält� Dieser Code
wird mittels eines linearen CCD-Arrays und einer 8 Bit
A/D-Wandlung ausgelesen und liefert die
Grobposition auf ungefähr 0�3 gon genau�
Die Feinmessung ergibt sich aus der Bestimmung der
Lage der Schwerpunkte der einzelnen Codestriche auf
dem Array und deren Mittelbildung unter
Verwendung eines entsprechenden Algorithmus� Zur
Bestimmung der Position müssen mindestens 10
Codestriche erfasst werden� In der Regel sind jedoch
etwa 60 Codestriche an einer Messung beteiligt�
Dadurch erhöhen sich Interpolationsgüte, Redundanz
und Reproduzierbarkeit� Dieses Winkelmesssystem
wird vom Prinzip her bei allen Leica Geosystems
Theodoliten und Tachymeter verwendet�
Der gemessene Wert für die Horizontalrichtung wird,
bevor er angezeigt bzw� registriert wird, noch mit
Korrekturen versehen� Diese Korrekturen werden aus
den zuletzt bestimmten und im Instrument
abgespeicherten Ziellinien- und Kippachsfehler und
aus der aktuellen Komponente der Stehachsschiefe
quer zur Ziellinie in Abhängigkeit des gemessenen
Vertikalwinkels berechnet�
Der Vertikalwinkel wird um den gespeicherten
Indexfehler und die Komponente der Stehachsschiefe
in Richtung der Ziellinie korrigiert� Die beiden
Komponenten der Stehachsschiefe werden mittels
eines Neigungssensors kontinuierlich gemessen�
Abbildung 3 zeigt schematisch den Aufbau des
Neigungssensors, bei dem ein Flüssigkeitsspiegel den
Bezugshorizont darstellt�
�
1 - Strichplatte
2 - Oeloberfläche
3 - Umlenkprisma
4 - Abbildungungslinse
Abb� 3: Neigungssensor
�
�
�
�
�
�
5 - Abbildung der Strichplatte
6 - CCD - Lineararray
7 - Beleuchtung (LED)
Die Strichfigur, die sich auf dem Prisma (1) befindet
wird beleuchtet (7) und über eine Abbildungsoptik (4),
und zweimaliger Reflexion an der
Flüssigkeitsoberfläche (2) auf dem linearen CCD-Array
(6) abgebildet (5)� Durch die Verwendung einer
dreieckförmigen Strichfigur wurde es möglich, mit
nur einem eindimensionalen Empfänger beide
Neigungskomponenten zu erfassen� Bei einer
Längsneigung verändert sich der Abstand zwischen
den Strichen unterschiedlicher Richtung, bei einer
Querneigung verschiebt sich der Schwerpunkt der
gesamten Strichfigur längs des CCD-Arrays�
Durch diesen Aufbau konnte der Neigungssensor so
klein dimensioniert werden, dass er idealerweise
zentrisch über der Stechachse plaziert werden konnte�
Dadurch wird der Flüssigkeitsspiegel auch beim
schnellen Drehen der Alhidade nur wenig aus seiner
horizontalen Lage gelenkt� Ausserdem kann die
Neigungsmessung nicht noch durch andere Faktoren,
wie z� B� temperaturbedingte Deformationen der
Theodolitstütze beeinflusst werden�
3

3� Die Distanzmessung
Bei den TCR – Instrumenten sind zwei koaxial
messende Distanzmesser integriert (Abbildung 4)�
Beide Distanzmesser arbeiten nach dem bekannten
Phasenmessprinzip�
Der Infrarotlaser für die Distanzmessung auf Prismen
und Reflexfolien hat eine Wellenlänge von 780 nm,
eine Reichweite von 3000 m mit 1 Prisma und eine
Genauigkeit von 2 mm + 2 ppm� Der sichtbare rote
Laser hat eine Wellenlänge von 670 nm und misst
reflektorlos bis max� 80 m mit einer Genauigkeit von
3 mm + 2 ppm�
Abb� 4: Optikschema eines reflektorloses s messenden Tachymeters
Ein spezielles Frequenzsystem sorgt für eine
Eindeutigkeit der Distanzmessung bis 12 km bei einer
Basis von 100 MHz, was einem Feinmassstab von
1�5 m entspricht�
Für grosse Entfernungen kann auf den Messmodus
”Long Range” umgeschaltet werden, bei dem mit
dem roten Laser in einem Bereich zwischen 1000 m
und 5000 m auch auf Prismen gemessen werden
kann�
Zwischen beiden Distanzmessern kann jederzeit mit
einem Tastendruck umgeschaltet werden, wobei
jeweils die richtige Nullpunktkorrektur
(Additionskonstante) automatisch gesetzt wird�
Diese erstmals realisierte Kombination zweier
Distanzmesser in einem Tachymeter bietet dort
4
Reflektor, Zielobjekt
Laser für
reflektorlose
Messung
Laser für
reflektorunterstützte
Messung
grosse Vorteile, wo Messpunkte nicht oder nur
schwer zugänglich sind, bei Fassadenaufnahmen,
Kontrollmessungen an Stahlbaukonstruktionen und
beim Einmessen von Rohrleitungen� Der sichtbare
rote Laser kann auch zur Zielpunktmarkierung permanent
eingeschaltet werden, z� B� für Profilaufnahmen
im Tunnel oder bei Innenaufnahmen� Der Laserpunkt
hat dabei in einer Entfernung von 50 m eine ein Grösse
von ca 1 x 2 cm�
Empfangsdiode
Motor
Verlauffilter / inner Lichtweg
Tachymeter-Fernrohr

4� Die automatische Zielerfassung
4�1 Prinzip
Die automatische Zielerfassung (ATR) ist wie der
elektronische Distanzmesser (EDM) im Fernrohr
integriert� Ein Laserstrahl (Infrarot) wird über eine
Optik koaxial in die Fernrohrachse eingespiegelt und
durch das Hauptobjektiv ausgesendet� Ein Strahlteiler
trennt die reflektierte Strahlung der ATR von der
Strahlung des EDM und dem visuellen Licht und führt
sie dem Empfänger (Video-Sensor) zu�
Eine spezielle Hardware summiert die Intensitäten der
Elemente des Video-Sensors zeilen- und spaltenweise
auf� Dadurch werden zwei ”Projektionen” erhalten,
von denen ein Prozessor die Schwerpunkte bestimmt�
Diese werden in einen horizontalen und einen
vertikalen Ablagewinkel mit Bezug zur visuellen
Zielachse transformiert� Mit diesen Ablagewinkeln
werden die von den Winkelabgriffen gemessenen
Werte, die sich auf die visuelle Zielachse beziehen,
korrigiert�
4�2 Feinzielung
Die Feinzielung ist gekennzeichnet durch 3 sequentiell
ablaufende Prozesse: Suchprozess, Anzielprozess und
Messprozess�
Nach einer groben, manuellen Anzielung eines
Prismas erfolgt die Feinzielung mit Hilfe der ATR
vollständig automatisch� Zunächst überprüft die ATR,
ob sich das grob angezielte Prisma im Fernrohrgesichtsfeld
befindet� Kann die ATR kein Prisma
detektieren, startet sie einen Suchprozess� Während
einer spiralförmigen Bewegung des Fernrohrs
versucht die ATR kontinuierlich das Prisma zu
detektieren� Die Bewegungsgeschwindigkeit ist so
ausgelegt, dass die einzelnen Bilder die überstrichene
Fläche vollständig abdecken� Sobald das Prisma
detektiert wird, wird die Bewegung des Fernrohrs
beendet�
Obwohl mit der ATR-Messtechnik eine zentrische
Anzielung des Prismas zur Bestimmung von
Horizontalrichtung und Vertikalwinkel nicht
notwendig wäre, werden beim anschliessenden
Anzielprozess die Ablagewerte in Hz und V bestimmt
und das Fernrohr motorisch auf die Prismenmitte
positioniert bis die vorgegebene Positioniertoleranz
erreicht ist�
Einerseits soll sich dadurch der Benutzer auch visuell
von der korrekten automatischen Anzielung
überzeugen können, andererseits soll gleichzeitig
auch eine Distanzmessung möglich sein� Da die ATR
ein Prisma als Zielidentifikation verlangt, wurde zur
Vereinfachung der Bedienung die ATR-
Winkelmessung mit der Auslösung einer
Distanzmessung gekoppelt�
Beim Messprozess werden die Ablagewinkel neu
bestimmt, Horizontalrichtung und Vertikalwinkel
entsprechend korrigiert und die Distanz gemessen,
bzw� daraus die Zielpunktkoordinaten berechnet�
Abbildung 5 zeigt den Ablauf einer ATR Messung�
Die ATR-Messgenauigkeit entspricht in ihrer
Standardeinstellung der jeweiligen
Winkelmessgenauigkeit des entsprechenden
Instrumentenmodells� Wird jedoch ein anderer
Distanzmessmodus als der Standardmodus gewählt,
so passt sich die Genauigkeit der ATR-Messung der
Genauigkeitsklasse dieses Messmodus an� Dies
bewirkt z�B� im Distanzmessmodus ”Schnell” nicht
nur eine Verkürzung der Messzeit, sondern
ermöglicht auch ein problemloses Messen auf
freihandgeführte (verwackelte) Reflektoren im
Nahbereich�
Da beim Messen mit der automatischen Zielerfassung
das Fokussieren des Fernrohrs und die Feinanzielung
des Messpunktes entfallen, erhöht sich die
Messgeschwindigkeit enorm, bei konstanter
Präzision, unabhängig vom Beobachter�
4�3 Zielverfolgung
Die Zielverfolgung stellt nichts anderes als ein
Regelkreis dar (Abbildung 6)� Der Theodolitantrieb,
die Regelstrecke, besteht aus 2 Achsen mit je einem
Servo-Motor, einem Getriebe und einem
Winkelabgriff� Die ATR ist das Messsystem, das nicht
nur die Ist-Werte, sondern gleich die Abweichungen
zwischen Soll- und Ist-Werte, die horizontale und
vertikale Ablage von der elektronischen bzw�
optischen Zielachse liefert� Das Ziel des Regelkreises
ist, die Ablagen zu minimieren, unabhängig davon,
mit welcher Geschwindigkeit und Beschleunigung
sich das Ziel bewegt� Aus den Ablagen, die im
Videotakt ausgelesen werden, bestimmt die Regelung
die Motorströme, die notwendig sind, das formulierte
Ziel zu erreichen�
Dieser Prozess läuft während der Phase der
Zielverfolgung kontinuierlich ab� Tritt ein Zielverlust
auf, z�B� wenn ein Reflektorträger hinter einem
Hindernis vorbeiläuft, wird der Zielverfolgungsprozess
abgebrochen� An die Stelle der gemessenen
Ablagewerte treten Werte, die auf einem
Bewegungsmodell basieren� Das Modell geht von
einer konstanten horizontalen wie vertikalen
Geschwindigkeit des Reflektorträgers aus� Die
Geschwindigkeiten sind aus der gefilterten Bewegung
vor dem Zielverlust abgeleitet� Die Filterung dient der
Elimination von überlagerten Frequenzen wie z� B� der
Vertikalkomponente beim Gehen� Da das Modell nur
eine Approximation der Bewegung ist, wird es nur für
ein paar Sekunden eingesetzt�
5

Abb� 5: Ablauf einer ATR - Messung
Abb� 6: Regelkreis der Zielverfolgung
Werden parallel zum Zielverfolgungsprozess
Messungen ausgelöst, kann die Bahn des bewegten
Ziels bestimmt werden� In dieser Anwendung spielt
die zeitliche Synchronisation der einzelnen Sensoren
des Tachymeters eine grosse Rolle� Dazu ist es
6
�������Á���
�������
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&%� 1SP[FTTPS
����������Á���
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5IFPEPMJU 1SP[FTTPS "53 1SP[FTTPS
"53 1SP[FTTPS 5IFPEPMJU 1SP[FTTPS
����
������ ������������
����������������
��
��������Á�����������
����
notwendig den eigentlichen Messzeitpunkt der
unterschiedlich lang integrierenden Messsysteme zu
bestimmen und auf einen gemeinsamen Zeitpunkt zu
inter- bzw� extrapolieren�
��

5� Die Fernsteuerung
Die Fernsteuerung RCS1100 ist eine Zusatzoption für
alle Leica Geosystems Tachymeter� Sie ist besonders
effizient einsetzbar zusammen mit Instrumenten mit
automatischer Zielerfassung� Beim RCS1100 bilden
Controller, Batterie, Funkgerät und Antenne eine
kompakte Einheit, die leicht an einem Reflektorstock
befestigt werden kann (Abbildung 7)� Anzeige und
Tastatur des Controllers sind identisch mit denen des
Tachymeters� Damit lassen sich alle Instrumentenfunktionen
einschließlich einschliesslich der Applikationsprogramme
vom Reflektorstandpunkt aus aufrufen�
Abb� 7: Fernsteuerung RCS1100
Die Fernsteuerung erleichtert vor allem das Erfassen
von wichtigen Zusatzinformationen am Messpunkt
und bietet grosse Vorteile beim Abstecken� Nach
einer Messung wird die Wegdifferenz vom
Reflektorstandpunkt zum abzusteckenden Punkt
gerechnet und am Controller angezeigt, was den
Absteckvorgang erleichtert und beschleunigt�
Ausserdem kann damit die Genauigkeit der
Absteckung direkt am Zielpunkt kontrolliert werden�
Eine weitere Unterstützung beim Abstecken bietet die
Zieleinweishilfe EGL, ein Blinklicht, das in jedes
Fernrohrgehäuse eingebaut werden kann (Abbildung
1)� Mit dessen Hilfe kann sich der Reflektorträger
selbst in die Zielrichtung des Instruments einweisen�
6� Software
Die gesamte Software für die TPS1100 Instrumente
kann grob in drei Teile gegliedert werden�
Die Systemsoftware zur Steuerung aller
Grundfunktionen des Tachymeters, die umfangreiche
Bibliothek der Anwendungsprogramme und das
LEICA SurveyOffice, ein PC-Programmpaket für die
Kommunikation zwischen Instrument und Computer�
6�1� Systemsoftware
Die Systemsoftware steuert alle Messfunktionen, die
Anzeige und die Registrierung� In der Anzeige sind in
jedem Dialog, z�B� Messen, Datenmanagement,
Kalibrierung etc� , die Funktionstasten mit den jeweils
relevanten Funktionen belegt� Damit ist eine optimale
Benutzerführung und eine einfache und schnelle
Bedienung gewährleistet�
Alle Messabläufe und die aufrufbaren Funktionen in
den verschiedenen Dialogen sind logisch angeordnet�
Sie sind aber auch konfigurierbar, so dass daß sie
individuellen Bedürfnissen des Benutzers angepasst
werden können�
Im Messdialog sind 3 verschiedene Anzeigemasken
definierbar, zwischen denen mit einem Tastendruck
umgeschaltet werden kann, so dass daß der Benutzer alle
für ihn wichtige Daten auf einem Blick erfassen kann�
Unabhängig von den Anzeigemasken können 5
verschiedene Registriermasken definiert werden,
wobei in einem Messblock maximal 12 Daten in
beliebiger Reihenfolge registriert werden können� Es
kann ein Datenformat mit 8 und 16 Zeichen pro
Datenwort gewählt werden�
Alle Daten können auf PCMCIA Speicherkarten in
verschiedene Dateien abgelegt oder über die RS232
Schnittstelle direkt zu einem externen Computer
übertragen werden� Es können maximal 60 Dateien
verwaltet werden, die beliebig bezeichnet werden
können� Es wird zwischen Messdateien zum
Speichern von Messdaten, Dateien mit
Fixpunktkoordinaten und Codelisten unterschieden�
Codelisten mit Zusatzinformationen zur
Weiterverarbeitung der Messdaten können direkt über
die Tastatur in das Instrument eingegeben werden�
Zweckmässiger ist es jedoch Codelisten auf einem PC
mit dem Programm ”Codelist Manager” des LEICA
SurveyOffice zu erstellen und diese dann in das
Instrument zu übertragen�
Bei der Standardcodierung wird der entsprechende
Code aus der Liste gewählt und in einem separaten
Codeblock gespeichert� Ein Codeblock kann einen
Code und bis zu 8 zusätzliche Informationen
enthalten� Falls keine Codeliste im Instrument
7

abgelegt wurde, können Codeblöcke auch manuell
über die Tastatur eingegeben und gespeichert
werden�
Eine spezielle Funktion ist die sogenannte Schnell-
Codierung (Quick-Code), bei der mit einem
Tastendruck eine Messung ausgelöst wird und
anschließend anschliessend der Messblock und der entsprechende
entsprechende
Codeblock automatisch registriert werden� Dazu muss
bei der Erstellung der Codeliste mit dem PC-
Programm ”Codelist Manager” jedem Code eine einoder
zweistellige Zahl als Quick – Code – Abkürzung
zugeordnet werden� Nach dem Anzielen des
Messpunktes genügt es dann, diese Zahl über die
numerische Tastatur einzugeben� Damit wird eine
Distanzmessung ausgelöst, der komplette Messblock
entsprechend der gewählten Registriermaske und der
dazugehörige Codeblock aus der Codeliste
abgespeichert� Dabei kann der Benutzer wählen, ob
der Messblock oder der Codeblock zuerst gespeichert
werden soll�
Punktbezogene Codes sowie bis zu 8 Zusatzinformationen
(Attribute) können auch mit jedem
Messdatenblock mitregistriert werden� Die Eingabe
erfolgt direkt im Messdialog� Voraussetzung ist, dass
Punktcode und Attribute sowohl in der Anzeige – als
auch in der Registriermaske definiert sind�
6�2� Anwendungsprogramme
Für die Lösung der wichtigsten Vermessungsaufgaben
sind in allen Instrumenten die folgenden
Anwendungsprogramme integriert:
Horizontalkreisorientierung und Höhenübertragung
Bogenschnitt
Freie Stationierung
Absteckung
Spannmassberechnung
Höhenbestimmung unzugänglicher Punkte
Zusätzliche Programme, die als Optionen erhältlich
Printed in Switzerland. Copyright Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Switzerland, 1999
712706de - XI.00 - RVA
sind, Zusätzliche können Programme, vom Benutzer die jederzeit als Optionen selbst erhältlich in das
sind, betreffende können Instrument vom Benutzer geladen jederzeit werden: selbst in das
betreffende Instrument geladen werden:
Bezugslinie / Schnurgerüst
Bezugslinie Flächenberechnung / Schnurgerüst
Flächenberechnung
Kanalmessstab
Kanalmessstab
Satzmessung
Satzmessung
Polygonzug
Polygonzug
Lokaler Bogenschnitt
Lokaler Absteckung Bogenschnitt und Überprüfung von Trassen
Absteckung Trasseneditor und Überprüfung von Trassen
Trasseneditor
COGO – Funktionen
COGO Automatische – Funktionen Speicherung zur Beschleunigung von
Automatische Massenpunktaufnahmen Speicherung zur Beschleunigung von
Massenpunktaufnahmen
Scannen von Oberflächen für TCRM – Tachymeter
Scannen DTM Absteckung von Oberflächen für TCRM – Tachymeter
DTM Absteckung
Individuelle Anwendungsprogramme können vom
Individuelle Benutzer auch Anwendungsprogramme selbst entwickelt werden� können Dazu vom stellt
Benutzer Leica Geosystems auch selbst mit entwickelt GEOBASIC werden� eine moderne Dazu stellt
Leica Entwicklungsumgebung Geosystems mit GEOBASIC zur Verfügung� eine moderne
Entwicklungsumgebung zur Verfügung�
6�3� LEICA SurveyOffice
6�3� LEICA SurveyOffice
Das LEICA Survey Office ist ein PC – Programmpaket
mit Das folgender LEICA Survey Funktionalität: Office ist ein PC – Programmpaket
mit folgender Funktionalität:
Datenaustausch zwischen Instrument und PC�
Erstellen Datenaustausch von Codelisten, zwischen die Instrument sowohl in und denPC�
Instrumenten Erstellen von Codelisten, der TPS300 die und sowohl der TPS1100 in den Serien als
auch Instrumenten in dem neuen der TPS300 GPS500 und System der TPS1100 verwendet Serien als
werden auch in dem können� neuen GPS500 System verwendet
Laden werden und können� Löschen von Systemsoftware und
Anwendungsprogrammen Laden und Löschen von Systemsoftware sowie die entsprechenden
und
Anzeigetexte Anwendungsprogrammen in verschiedenen sowie Sprachen� die entsprechenden
Anzeigetexte in verschiedenen Sprachen�
Leica Geosystems AG
CH-9435 Heerbrugg
(Switzerland)
Phone +41 71 727 3131
Fax +41 71 727 4673
www.leica-geosystems.com