Magnetometer
Ein Magnetometer ist ein dreiachsiger Sensor, der die Richtung und Größe des umlaufenden Magnetfelds misst. Bei der Trägheitsnavigation erfasst er in erster Linie das Magnetfeld der Erde, um den Kurs relativ zum magnetischen Nordpol zu schätzen. Er liefert eine absolute Ausrichtungsreferenz, die die langfristige Kursdrift bei der Sensordatenfusion begrenzt.
Die meisten modernen Trägheitssysteme integrieren MEMS-Magnetometer auf Basis von Technologien wie anisotroper magnetoresistiver Sensorik (AMR), Hall-Effekt oder Fluxgate-Sensorik. AMR-Sensoren bieten eine hohe Empfindlichkeit, ausgezeichnete Bias-Stabilität, einen geringen Stromverbrauch und kompakte Abmessungen für Navigationsanwendungen. Sie messen das Magnetfeld entlang dreier orthogonaler Achsen, um einen dreidimensionalen magnetischen Vektor zu erzeugen. Obwohl die Magnetfeldstärke üblicherweise in Mikrotesla (µT), Milligauss (mG) oder Nanotesla (nT) ausgedrückt wird, stützen sich Navigationsalgorithmen hauptsächlich auf die Vektorrichtung statt auf dessen absolute Größe.
Das Erdmagnetfeld ist relativ schwach und liegt je nach geografischem Standort in der Regel zwischen etwa 250 und 650 mGauss. Magnetische Quellen in der Nähe können dieses Feld leicht verzerren. Permanentmagnete und stromführende Leiter erzeugen Hart-Eisen-Störungen, die den gemessenen Magnetvektor verschieben, während ferromagnetische Strukturen Weich-Eisen-Verzerrungen verursachen, die dessen Form verformen. Diese Effekte können das Erdmagnetfeld um mehrere Größenordnungen übersteigen und die Kursgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. Folglich ist eine genaue magnetische Kalibrierung unerlässlich, um lokale Störungen zu identifizieren und zu kompensieren, bevor eine zuverlässige Kursschätzung möglich wird.
Moderne Sensoralgorithmen können die vollständige Orientierung nicht allein anhand eines Magnetometers bestimmen. Sie führen Messungen von Magnetometer, Gyroskop (hochpräzise Erfassung kurzfristiger Winkelbewegungen) und Beschleunigungsmesser (Schwerkraftvektor zur Berechnung von Roll- und Nickwinkel) über einen EKF zusammen. Magnetometer liefern eine absolute Kursreferenz relativ zum magnetischen Nordpol. Diese Sensorfusion minimiert die Gyroskopdrift und verbessert die langfristige Kursgenauigkeit. Dieser Ansatz wird in der Vermessung, in der Schifffahrt, in industriellen Systemen und in autonomen Fahrzeugen eingesetzt.
