Referenzframes

Referenzframes (häufig Referenzrahmen genannt) bezeichnen in Wissenschaft und Technik ein Koordinatensystem mit einer zugehörigen Uhr, von dem aus Ereignisse beschrieben werden. Ein Referenzframe dient als Bezugsgröße, relativ zu der Messgrößen wie Ort und Zeit angegeben werden. Beobachter in unterschiedlichen Frames können dieselben Ereignisse mit unterschiedlichen Koordinaten beschreiben; physikalische Größen bleiben invariant.

Man unterscheidet primär zwischen inertialen Referenzframes, in denen die klassische Mechanik gilt, und nicht-inertialen Frames, die Beschleunigungen oder Drehungen erfassen. Transformationen zwischen Frames beschreiben, wie Koordinaten von einem Frame in einen anderen überführt werden. Im klassischen Kontext gelten Galilei-Transformationen: x' = x − vt, t' = t. In der Relativitätstheorie kommen Lorentz-Transformationen zum Einsatz, die Raumzeitkoordinaten koppeln. Allgemein können Frames durch Translationen, Rotationen und Skalierungen angepasst werden; in der Praxis verwendet man oft homogene Koordinaten und Transformationsmatrizen, etwa 4x4-Matrizen in SE(3) zur Beschreibung von Lage und Orientierung.

Anwendungsbereiche umfassen Raumfahrt, Robotik, Computergraphik, Sensorfusion und Navigation. In der Robotik gibt es typischerweise einen Basisrahmen (Welt- oder Kartenrahmen) sowie Objekt- bzw. Sensorrahmen, zwischen denen Transformationsmatrizen berechnet werden. Die Wahl des Referenzframes beeinflusst die Darstellung von Bewegungen und Messdaten, ohne die zugrundeliegenden physikalischen Größen zu verändern.