Highly accurate kinematic tracking

digital camera theodolites i3mainz, CC BY SA 4.0

Highly accurate direction measurements support precise assembly, alignment and adjustment with high accuracy requirements. Typical fields of application range from the final assembly of satellites to setting up printing presses or rolling mills. Collimation and autocollimation aiming with precision theodolites determine the alignment of plane mirrors or laser beams in space with optimum accuracy. Results are 3D direction vectors or mathematically derived quantities in the client’s coordinate system.


The digital camera theodolites developed at i3mainz allow the highly precise registration of a target as soon as it is visible within the theodolite’s field of view. Approaching a target with the crosshairs of the theodolite is no longer necessary. This has two important consequences:

  • Highly precise aiming at permanently moving targets is possible (tracking).
  • Classic aiming at static targets is significantly simplified and accelerated.


On the hardware side, two motorized precision theodolites Leica TM5100™ and TM5100A™ were combined with coaxial digital industrial cameras in 2007. The modular design allows for quick camera changes and the use of special lenses for measurements in spectral ranges outside of visible light. Experiences with different optical arrangements are available. The self-calibration of the entire system is carried out by means of a few hundred automatically carried out aimings on static targets (in approx. five minutes) and automated evaluation using sub-pixel-precise digital image processing and best-fit algorithms.


Eingesetzt werden die Digitalkameratheodolite ab Frühjahr 2008 zur Justierung und Kalibrierung von Laserterminals. Laserterminals dienen der Datenübertragung zwischen Satelliten. Durch die Nutzung von Laserlicht anstelle der bislang üblichen Radiowellen kann die Datenrate erheblich gesteigert werden: Bei ersten Tests seitens der Firma Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG liefen Daten vom deutschen Satelliten TerraSAR-X zum US-Satelliten NFIRE und zurück und überbrückten dabei fehlerfrei mehr als 5000 Kilometer Weltraum. Die erzielte Datenrate entspricht anschaulich etwa 400 DVDs pro Stunde. So könnten größere Datenpakete künftig über mehrere Satelliten hinweg übertragen werden – etwa um Bilddaten von Erdbeobachtungssatelliten zur Bodenstation zu senden. Neben dem Einmessen der optischen Komponenten des Laserterminals gegen Referenzflächen realisiert das i3mainz auch das Einrechnen von Laserterminals auf Satelliten und Bodenstationen mit Bezug zu einem globalen Referenzsystem.