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 typischerweise zwischen etwa 250 und 650 mGauss. Nahegelegene magnetische Quellen können dieses Feld leicht verzerren. Permanentmagnete und stromführende Leiter erzeugen Hard-Iron-Störungen, die den gemessenen Magnetvektor verschieben, während ferromagnetische Strukturen Soft-Iron-Verzerrungen erzeugen, die seine Form verformen. Diese Effekte können das Erdmagnetfeld um mehrere Größenordnungen übertreffen und die Kursgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. Folglich ist eine präzise magnetische Kalibrierung unerlässlich, um lokale Störungen zu identifizieren und zu kompensieren, bevor eine zuverlässige Kurskalkulation möglich wird.
Moderne AHRS- und INS-Algorithmen können die vollständige Ausrichtung nicht allein mithilfe eines Magnetometers bestimmen. Sie fusionieren Messungen von Magnetometer, Gyroskop (kurzfristige Winkelbewegung mit hoher Präzision) und Beschleunigungsmesser (Schwerkraftvektor zur Berechnung von Roll- und Nickwinkel) über ein EKF. Magnetometer stellen eine absolute Kursreferenz relativ zum magnetischen Nordpol bereit. Diese Sensordatenfusion minimiert die Gyroskopdrift und verbessert die langfristige Kursgenauigkeit. Dieser Ansatz wird in der Geodäsie (Vermessungswesen), der Schifffahrt, in Industriesystemen und bei autonomen Fahrzeugen eingesetzt.
