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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur der Flugbahn wenigstens eines Geschosses bzw. von einem oder mehreren Geschossen einer Salve, welche aus einer Rohrwaffe abgefeuert werden, und insbesondere eine Geschossflugbahnkorrekturvorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Die Präzision bei der Bekämpfung von Luftzielen mittels aus Rohrwaffen abgefeuerten Geschossen unterliegt vielfältigen Fehlerquellen, die die Treffgenauigkeit negativ beeinflussen. Hierzu gehören z. B. Messfehler bei der Zielerfassung, Fehler der Zielflugbahnprognose, Einrichtfehler zwischen dem Zielerfassungssensor und der Rohrwaffe als Effektor, Schwankungen der Kadenz einer Waffe oder Schwingungen der Waffe.
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Die Verringerung dieser einzelnen Fehlerbudgets durch eine weitere Verbesserung der Präzision im Waffensystem erfordert zunehmend steigende Anstrengungen mit den sich daraus ergebenen überproportional steigenden Gesamtsystemkosten. Daher ist zur Erhöhung der Treffleistung von Geschossen insbesondere bei der Bekämpfung hochmobiler Luftziele die Flugbahnkorrektur insbesondere in der Endphase des Geschossfluges bis zum prognostizierten Zielauftreffpunkt ein bevorzugter Ansatz.
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Aus
DE 44 16 211 ist ein Verfahren zur Flugbahnkorrektur von zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Geschossen unterschiedlicher Ablagen aus einer Salve einer Maschinenkanone mit Hilfe eines Laserleitstrahles bekannt. Dabei wird der Leitstrahl nicht auf das jeweilige Geschoss, sondern auf das schnell bewegliche (Luft-)Ziel gerichtet und diesem nachgeführt. Die einzelnen Geschosse entnehmen sich die die für ihre Korrekturen erforderlichen Daten zu einem von ihnen bestimmten Zeitpunkt autonom dem Leitstrahl selbst. Hierzu setzt sich der Leitstrahl aus einem zentralen Leitstrahlsegment, welches auf das Ziel gerichtet bleibt, und mindestens vier äußeren um das zentrale Segment herum angeordneten Leitstrahlsegmenten zusammen. Das Licht der einzelnen Leitstrahlsegmente ist unterschiedlich moduliert, so dass die im Leitstrahl befindlichen Geschosse aufgrund der jeweils empfangenen Modulation ihre Ablage bestimmen können und wissen, in welcher Richtung sie korrigiert werden müssen. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der einzelnen äußeren Leitstrahlsegmente und dem inneren Leitstrahlsegment entspricht der maximalen Korrekturmöglichkeit der Geschosse. Ist der Richtungswinkel der Korrektur in dem jeweiligen äußeren Leitstrahlsegment konstant, so liegt die Geschossachse nach der Korrektur immer innerhalb des zentralen Leitstrahlsegmentes. Mit Hilfe einer in dem jeweiligen Geschoss befindlichen Auswertelektronik wird mit diesen Informationen der optimale Auslösezeitpunkt für die entsprechende Korrekturladung ermittelt.
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Das Dokument
EP 0 234 030 offenbart eine Vorrichtung zum Lenken eines oder mehrerer Geschosse oder Raketen mittels eines elektromagnetischen Leitstrahls, z. B. eines CO2-Laser-Leitstrahls, mit einer räumlichen Kodierung. Zur räumlichen Kodierung des Leitstrahles werden einerseits ein Modulator und andererseits eine Abtastvorrichtung verwendet, die über einen Rechner miteinander verbunden sind. Der Leitstrahl wird z. B. mit Hilfe eines Zielverfolgungsgeräts oder manuell ständig auf das sich bewegende Luftziel gerichtet. Mit der Abtastvorrichtung wird der Leitstrahl schrittweise bewegt, um mit dem Leitstrahl die einzelnen Teilfelder eines Abtastfeldes abzutasten. Nach jedem Schritt wird mit Hilfe eines Modulators über den Leitstrahl ein Code auf das abgetastete Teilfeld des Abtastfeldes übertragen, derart, dass auf jedem Teilfeld des Abtastfeldes ein Code für die Ist-Lage und ein Code für die Soll-Lage der Geschosse erzeugt werden. Dadurch können auch mehrere Flugkörper simultan in verschiedenen Feldern gesteuert werden.
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Bei der Bekämpfung von RAM-Zielen (Rocket, Artillery, Mortar) mit jeweils zumindest in der Größenordnung ähnlichen Geschwindigkeiten zwischen Geschoss und Luftziel wird der Ort vier Bekämpfung durch einen Vorhaltepunkt beschrieben, der nicht auf dem Luftziel selbst, sondern frei im Raum auf einem Punkt der prognostizierten, d. h. in Bezug auf den Abschusszeitpunkt des Geschosses zukünftigen Bahnpunkt der Flugbahn des Luftziels liegt. Die Berechnung eines Vorhaltepunktes ist grundsätzlich bekannt und wird von der Entfernung der das Geschoss abfeuernden Waffe zum Luftziel sowie der Luftzielgeschwindigkeit im dreidimensionalen Raum dominiert. Der Vorhaltepunkt ist dabei als bevorzugt möglichst gering ausgedehntes Volumen im Raum anzusehen, in welchem das Geschoss seine bekämpfende Wirkung auf das Luftziel ausüben soll. Daher sind die bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik für die Bekämpfung von schnell fliegenden RAM-Zielen unter Verwendung eines Leitstrahls, der während der Geschossflugdauer auf das Luftziel gerichtet bleibt, nachteilig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Lösungen aus dem Stand der Technik dahingehend zu verbessern, dass mittels einer Vorrichtung zur Flugbahnkorrektur eines Geschosses eine beliebige Anzahl Geschosse einer Salve zur Bekämpfung hochbeweglicher Luftziele in ihrer Flugbahn zum errechneten Vorhaltepunkt hin korrigiert werden können.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Flugbahnkorrektur, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Gerät zum schrittweisen Ablenken eines optischen Lichtstrahlenbündels über einen vordefinierten Raumwinkel und ein zweites Gerät zum Kodieren des Lichtstrahlenbündels über einen Rechner miteinander gekoppelt sind, um auf jedem Teilfeld eines Abtastfeldes einen eigenen Code zu erzeugen.
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Vorzugsweise wird mit Hilfe des ersten Geräts zum Ablenken des Lichtstrahlenbündels ein schachbrettartiges Abtastfeld erzeugt und jedes Teilfeld dieses Abtastfeldes erhält mit Hilfe des zweiten Geräts zum Kodieren des Lichtstrahlenbündels einen eigenen Code. Statt des schachbrettartigen Abtastfeldes kann auch ein Abtastfeld mit Kreisen oder Spiralen oder einem beliebigen anderen Muster erzeugt werden. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Flugbahnkorrektur von Geschossen ist anhand der beigefügten Zeichnung eines Blockdiagramms beschrieben. Das Abtastfeld wird von einer Sendeeinrichtung so in den Raum abgestrahlt, dass der Raumwinkel des Abtastfeldes zumindest einen Teil der Flugbahn des Geschosses enthält, damit während dieser Überschneidung eine Datenübertragung auf das Geschoss erfolgen kann. Bevorzugt wird das Abtastfeld zur Codierung eines Geschosses in einen festen Raumwinkel abgestrahlt, der im Bereich seines Zentrums den Vorhaltepunkt, also den Bereich der Überschneidung zwischen der prognostizierten Flugbahn des Luftziels und der Flugbahn des einzelnen Geschosses enthält.
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Die erfindungsgemässe Verbesserung der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik mit dem Ergebnis, auf den das hochbewegliche Luftziel verfolgenden Leitstrahl verzichten zu können, ist besonders vorteilhaft, da die bekannte Nachführung des Leitstrahles auf Luftziele besonders präzise erfolgen muss und einen erheblichen technischen und damit finanziellen Aufwand in Sensorik und Steuerungseinrichtungen erfordert. Damit ist die Erfindung besonders einfach und damit stabil. Gleichzeitig versagen Leitstrahlführungen bei zumindest zeitweiliger Abschattung des Leitstrahls z. B. durch Geländeerhebungen oder Wolken und Staub oder (Täusch-)Nebel auf seinem Pfad. Damit ist die Erfindung besonders robust gegen Störungen aus den Umgebungsbedingungen. Durch den Verzicht auf die Bauteile zur Erzeugung und Nachführung des Leitstrahls ist die erfindungsgemässe Vorrichtung besonders kostengünstig.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Flugbahnkorrektur ermöglicht es, mit Hilfe eines räumlich modulierten Laserlichtstrahlenbündels einen oder mehrere Flugkörper, z. B. Raketen oder Geschosse, während ihres Fluges in ihrer jeweiligen Bahn zu korrigieren, bis sie ihr Ziel erreicht haben. Diese neue Vorrichtung hat gegenüber den bekannten Lenkvorrichtungen aus dem Stand der Technik folgende weitere Vorteile: a) Da auf einen das Ziel beleuchtenden Lichtstrahlenbündel verzichtet wird, können auch hochbewegliche Ziele bekämpft werden. b) Es können beliebig viele Geschosse aus einer Salve gelenkt werden, da die übertragenen Daten geschossunspezifisch sind.
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Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, ein Lichtstrahlenbündel, insbesondere elektromagnetisches Lichtstrahlenbündel bevorzugt im infraroten Bereich des optischen Spektrums und besonders bevorzugt einen IR-Laserstrahl zuerst durch einen akusto-optischen oder elektro-optischen Kristall zu modulieren mit einem Code, der die zu übermittelnden Informationen enthält. Als Lichtquelle eignet sich ein CO2-Laser, ein Neodym-Festkörperlaser, besonders bevorzugt sind Faserlaser oder Diodenlaser. Zur Erschwerung einer Aufklärung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist eine Abstrahlung in einem Spektralbereich bevorzugt, welcher vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann. Das kodierte Lichtstrahlenbündel wird durch eine geeignete Einrichtung, insbesondere einen Ablenk- oder Abtastspiegel oder bevorzugt einen rotierenden Segmentspiegel derart abgelenkt, dass er z. B. ein schachbrettartiges Abtastfeld erzeugt, mit in der Figur beispielhaft dargestellten 8 mal 8 Teilfeldern. Das abgelenkte Lichtstrahlenbündel beleuchtet dabei solange jedes Teilfeld, bis die erforderlichen Informationen übertragen sind, und geht dann zum nächsten Teilfeld über. Der Wechsel von einem zum nächsten Teilfeld kann dabei kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
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Das Abtastfeld wird zur Bahnkorrektur mehrerer Geschosse durch die Einrichtung zur Ablenkung im Raum für jedes weitere nachfolgende Geschoss einer Salve bevorzugt derart nachgeführt, dass es den jeweiligen geschossspezifischen Vorhaltepunkt im Bereich seines Zentrums enthält. Das Abtastfeld 16 muss einen genügend großen Querschnitt aufweisen, um zu gewährleisten, dass das Geschoss 6 während einer Zeit, die für eine zumindest einmalige Datenübertragung notwendig ist, nicht aus dem Abtastfeld 16 herausfliegen kann.
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Die notwendige Energie zur Erzeugung des Abtastfeldes 16 ist sehr gering, da zu einem beliebigen Zeitpunkt jeweils nur ein Teilfeld 23 des Abtastfeldes 16 beleuchtet wird. Die Kodierung soll beliebig gewählt werden können und auch beliebig veränderbar sein.
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Die erfindungsgemässe Korrekturvorrichtung besteht aus folgenden Geräten: a) Gerät zur Erzeugung des elektromagnetischen Lichtstrahlenbündels; b) Gerät zum Aufweiten des Lichtstrahlenbündels und Einstellen seiner Divergenz; c) Modulator zum Kodieren des Lichtstrahlenbündels, z. B. mit einem akusto-optischen oder elektro-optischen Kristall; d) Zoom-Optik, um das Lichtstrahlenbündel auf die gewünschte Querschnittsfläche einzustellen; e) Gerät, um das modulierte Lichtstrahlenbündel abzulenken, z. B. mit einem Ablenkspiegel (Scanning-Mirror) oder mit einem Kristall zur Erzeugung eines Abtastfeldes.
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Diese Geräte sind im Folgenden ausführlich beschrieben. a) Gerät zur Erzeugung des elektromagnetischen Lichtstrahlenbündels: Die Wellenlänge eines solchen Lichtstrahlenbündels beträgt z. B. 1.06 micron oder 10.6 micron. Insbesondere eignet sich ein CO2-Laser oder ein Neodym-Laser mit einer Ausgangsleistung von 1–30 Watt oder ein Faserlaser oder Diodenlaser. b) Gerät zum Aufweiten des Lichtstrahlenbündels und Einstellen seiner Divergenz: Zum Aufweiten des Lichtstrahlenbündels wird ein „IR-Beam-Expander” verwendet, mit welchem das Lichtstrahlenbündel um das mehrfache aufgeweitet werden kann. Dieses Gerät eignet sich für Lichtstrahlenbündel mit einer Wellenlänge von 10.6 micron, die von einem CO2-Laser erzeugt werden. Das Gerät ermöglicht es, die Divergenz des Lichtstrahlenbündels einzustellen. c) Modulator zum Kodieren des Lichtstrahlenbündels: Zur Modulation und Kodierung des Lichtstrahlenbündels wird ein akusto-optischer oder elektro-optischer Modulator verwendet. Die zur Kodierung erforderliche Treiber-Elektronik ist Bestandteil des Geräts. Die Modulationsfrequenz beträgt z. B. 10 MHz. d) Zoom-Optik: Als Fokussiergerät wird eine Zoom-Optik ZPO (Zoom-Projection-Optic) verwendet, mit welcher der Strahlquerschnitt variiert werden kann. Damit wird erreicht, dass im Bereich des in seiner Flugbahn zu korrigierende Geschoss der Strahlquerschnitt immer annähernd eine konstante Größe aufweist, obwohl das Geschoss sich immer weiter vom Abschussort entfernt. e) Gerät zum Ablenken des modulierten Lichtstrahlenbündels: Das Lichtstrahlenbündel wird mit Hilfe eines Spiegels eines Prismas, oder mit Hilfe eines akusto-optischen oder eines elektro-optischen Kristalles abgelenkt. Die Befehls-Syntax ist in der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt, sie ermöglicht über einen Computer das Gerät zu programmieren und zu steuern. Man unterscheidet verschiedene Abtastverfahren, z. B. das Raster-Scan-Verfahren oder das Vektor-Scan-Verfahren. Mit dem Raster-Scan-Verfahren wird ein schachbrettartiges Muster erzeugt. Mit dem Vektor-Scan-Verfahren lassen sich beliebige Muster erzeugen, z. B. konzentrische Kreise, Spiralen, Rechteckmuster in Kartesischen Koordinaten oder Polar-Koordinaten.
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Gemäß Figur erzeugt der von einer Stromquelle 10 gespeiste Laser 11 einen Laserstrahllichtbündel, dessen Divergenz von einem Gerät 12 zum Aufweiten des Lichtstrahlenbündels eingestellt wird. Durch einen Modulator 13 wird das Lichtstrahlenbündel anschließend kodiert. Das kodierte Lichtstrahlenbündel wird durch eine Zoom-Optik 14 derart geändert, dass während des Fluges des Geschosses 6 z. B. der Querschnitt des Lichtstrahlenbündels in Abhängigkeit von der Entfernung des Flugkörpers eingestellt werden kann. Durch einen Abtastspiegel 15 wird das fokussierte und kodierte Lichtstrahlenbündel abgelenkt und erzeugt das schachbrettartige Abtastfeld 16. An den Modulator 13 ist über einen Treiber 17 ein Kodierer 18 angeschlossen und an den Abtastspiegel 15 ist über einen Treiber 19 ein Steuerorgan 20 angeschlossen. An die Zoom-Optik 14 ist über einen Treiber 21 ebenfalls das Steuerorgan 20 angeschlossen. Sowohl der Kodierer 18 als auch das Steuerorgan 20 sind an einem gemeinsamen Rechner 22 angeschlossen. Im schachbrettartigen Abtastfeld 16 des Laserstrahlenbündels sind Geschosse 6 in verschiedenen Teilfeldern 23 angedeutet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Lenkvorrichtung ist wie folgt: Das in der Figur dargestellte, schachbrettartige Abtastfeld 16 weist in jeder Zeile und in jeder Kolonne in diesem Ausführungsbeispiel je 8 Teilfelder 23 auf und besteht somit aus 8 × 8 = 64 Teilfeldern 23. Die Anzahl der Teilfelder kann beliebige andere ganzzahlige Größen umfassen. In jedem Teilfeld 23 verweilt das Lichtstrahlenbündel beispielsweise die Zeit t1 = 1,25 musec. Der Lichtstrahlenbündel benötigt somit 8 × 1,25 = 10 musec zum Abtasten einer Zeile und springt dann zum Anfang der nächsten Zeile. Dafür benötigt das Lichtstrahlenbündel die Zeit t2 = 2,5 musec. Zum Abtasten sämtlicher Zeilen benötigt das Lichtstrahlenbündel die Zeit t3 = 8 × (10 + 2,5) = 100 musec.
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Der Abtastspiegel 15 schwingt daher mit einer Frequenz fa = 80 Hz in Zeilenrichtung, d. h. im Azimut und mit einer Frequenz fe = 10 Hz in Kolonnenrichtung, d. h. in Elevation. In der Zeit t1 = 1,25 musec, in welcher das Lichtstrahlenbündel in einem Teilfeld 23 verweilt, müssen samtliche erforderlichen Informationen des Lichtstrahlenbündels an einem Empfänger des Geschosses 6 übertragen werden. In dieser Zeit t1 wird dem Geschoss 6 mitgeteilt, in welchem Teilfeld 23 es sich befindet. Bei 64 Teilfeldern 23 benötigt man je 3 Bit für die Bezeichnung der Kolonne und weitere 3 Bit für die Bezeichnung der Zeile. Ferner wird dem Geschoss 6 mitgeteilt, in welches Feld es gelangen soll; dafür sind wiederum 2 × 3 = 6 Bit erforderlich. Für Ist- und Soll-Lage sind somit 2 × 6 = 12 Bit erforderlich. Falls noch für Azimut und Elevation je ein Referenzbit übertragen werden muss, dann sind pro Teilfeld 23 je 14 Bit erforderlich. Dies bedeutet, dass der Modulator 13 in 1,25 musec 14 Bit übertragen muss, d. h. in 1,25 musec: 14 = 89 musec muss ein Bit übertragen werden. Der Modulator 13 muss daher mit einer Frequenz von wenigstens etwa 12 MHz arbeiten. Zur Vermeidung von Übertragungsfehlern wird daher jede Information nicht nur einmal, sondern beispielsweise 10 mal an das Geschoss 6 übertragen. Daher muss der Modulator statt mit 12 MHz mit 120 MHz arbeiten. Auf diese Weise kann der störende Einfluss der Atmosphäre weitgehend ausgeschaltet werden Außerdem ist es möglich, noch weitere Informationen zum Geschossstatus, zur Flugbahn des Luftziels oder ein Auslösesignal bzw. einen Zeitwert für eine Spreng- oder Zerlegeladung der Nutzlast zu übertragen. Insbesondere lässt sich durch Ausnutzen der natürlichen Strahlverteilung oder durch eine zusätzliche Modulation das Geschoss 6 in die Mitte eines Teilfeldes 23 lenken. Außerdem ermöglicht die beschriebene Kodierung des Abtastfeldes 16, mehrere Geschosse 6 gleichzeitig in verschiedenen Teilfeldern 23 zu lenken, ohne dass die Kodierung geändert werden muss.
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Es sind verschiedene Kodierungs-Arten anwendbar, für eine Übertragung in der Atmosphäre am robustesten ist das digitale PPM (pulse-position modulation) Verfahren.
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Die acht Zeilen werden mit je drei Bit wie folgt bezeichnet: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111. Ebenso werden die acht Kolonnen in derselben Weise mit je drei Bit bezeichnet: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111. Somit besitzt das Teilfeld 23 in der ersten Zeile und in der ersten Kolonne den Code „000 000” und das Teilfeld in der letzten Zeile und in der letzten Kolonne besitzt den Code „111 111”.
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Das Geschoss 6 weist an seinem hinteren Ende eine geeignete Empfangseinrichtung auf. Diese kann aufgebaut sein aus einem Fotodetektor mit vorgeschalteter Sammellinse und einem Schmalband-Filter, der mit einer Detektorelektronik enthaltend einen Verstärker, ein Filter und ein Decoder verbunden ist. Bevorzugt ist die abgestrahlte und damit vom Geschoss 6 empfangene Sendeleistung des Lichtstrahlenbündels so hoch, dass auf eine Sammellinse verzichtet werden kann.
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Zur Lenkung des Geschosses 6 sind bekannte Steuerorgane vorhanden, z. B. pyrotechnisch senkrecht zur Flugbahn ausstossbare Massen und/oder Gase. Das Geschoss 6 enthält weiterhin eine Nutzlast, z. B. eine Sprengladung oder ausstossbare Subprojektile sowie zur Speisung der verschiedenen Elemente eine Stromquelle. Diese Stromquelle kann eine für die Lagerzeit des Geschosses passivierte Batterie sein, die erst durch die Beschleunigung beim Abschuss aktiviert wird. Die Datenübertragung auf das Geschoss erfolgt dann erst nach Aktivierung der Stromquelle und damit der Geschosselektronik.
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Insbesondere können mit dieser Lenkvorrichtung mehrere Geschosse einer Salve simultan gelenkt werden, wobei die Anzahl der Geschosse prinzipiell unbegrenzt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4416211 [0004]
- EP 0234030 [0005]