DE19704956C1

DE19704956C1 - Anordnung und Verfahren zum Messen der Richtung des Erdmagnetfeldes

Info

Publication number: DE19704956C1
Application number: DE19704956A
Authority: DE
Inventors: Silvio Dr Gnepf; Ernst Dr Ramseier
Original assignee: Leica AG Switzerland
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2017-02-11
Also published as: EP0958486A1; EP0958486B1; WO1998035205A1; AU6617698A; DE59809487D1; US6336081B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen der Richtung des Erdmagnetfeldes _E in der Nähe eines magnetischen Störers mit zeitlich veränderlicher Magnetfeldrichtung.

Die Richtung des Erdmagnetfeldes dient in vielen Anwendungen als Referenz für Orientierungen und Navigationen auf und über der Erdoberfläche. Bezugsgröße ist die magnetische Nordrichtung, die als Richtung der Horizontalkomponente des erdmagnetischen Feldes definiert ist. Ein von der Fa. Leica AG, Heerbrugg, Schweiz, entwickeltes Magnetfeld- Meßgerät DMC (Digital Magnetic Compass) bestimmt diese Komponente aus der Messung der Magnetfeldkomponenten in den drei Raumrichtungen und der Messung der Horizontallage.

Bei Einbau des Kompasses in ein elektrisches Gerät wird im allgemeinen die Messung des Erdmagnetfeldes durch Magnetfelder verfälscht, die von magnetischen Geräteteilen oder stromführenden Leitern erzeugt werden. Solange diese Störer zeitlich konstant oder nur langsam veränderlich sind, können sie durch einmalige oder in größeren Abständen durchzuführende Kalibrierprozeduren kompensiert werden.

So ist aus US 4 539 760 ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit einem magnetischen Sensorsystem ausgestattetes Fahrzeug nacheinander in unterschiedliche, vorbestimmte Orientierungen im Raum gebracht wird. Aus den lageabhängigen Meßwerten wird eine 3-D-Korrektur-Matrix zur Kompensation magnetischer Störungen abgeleitet. Das Verfahren setzt zeitlich konstante Störungen voraus.

Aus DE 38 33 798 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Störeinflusses von ein- und abschaltbaren Verbrauchern auf Navigationssysteme bekannt. Bei ausgeschalteten Verbrauchern wird zunächst durch Fahrzeugdrehung eine zweidimensionale Ortskurve des Erdmagnetfeldes bestimmt, deren Mittelpunkt um den Vektor des am Magnetfeldsensor vorhandenen hartmagnetischen Störfeldes verschoben ist. Danach wird bei stehendem Fahrzeug die Größe, des Störeinflusses von nacheinander eingeschalteten Verbrauchern ermittelt und bei Überschreitung von Grenzwerten zur Korrektur berücksichtigt. Es wird vorausgesetzt, daß die ermittelten Störfelder im eingeschalteten Zustand immer dasselbe hartmagnetische Feld ausstrahlen. Außerdem ist es erforderlich, den momentanen Schaltzustand der Störer zu kennen.

Ist die Störung jedoch schnell veränderlich, so sind die bekannten Methoden zur Kompensation von Störfeldern nicht anwendbar. Ein typisches Beispiel dafür stellt ein Gerät dar, das einen Magneten enthält, der an einer festen Stelle montiert ist, an diesem Ort aber z. B. über eine kardanische Aufhängung in alle Richtungen frei beweglich ist. Ein anderes Beispiel wäre ein Spule, die von einem veränderlichen Strom durchflossen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine solche, beliebig schnell veränderliche magnetische Störquelle hinsichtlich ihres Einflusses auf die Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes beseitigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

In der Zeichnung ist die Meßanordnung schematisch dargestellt.

Die beiden Magnetfeldmeßgeräte 1 und 2 sind räumlich getrennt, aber, starr zueinander und zum magnetischen Störer angeordnet.

Zweckmäßigerweise werden die Meßrichtungen der beiden Meßgeräte fluchtend hintereinander oder zumindest parallel zueinander ausgerichtet. Dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung, denn die Meßwerte können durch geeignete Koordinatentransformation (Drehmatrizen) jederzeit auf eine gemeinsame Richtung umgerechnet werden.

In einem beliebigen Koordinatensystem werden die Ortsvektoren des Störers und der Meßgeräte mit ₀, ₁, ₂ bezeichnet.

Das Feld des Störers in unbekannter Lage mit unbekannter Stärke wird erfindungsgemäß als magnetischer Dipol betrachtet. Die Meßgeräte 1 und 2 werden zweckmäßigerweise so angeordnet, daß der Störer in Verlängerung der von ihnen gebildeten Meßrichtung liegt. Er sollte nicht auf der Mittelebene zwischen den beiden Meßgeräten liegen, da sich bei symmetrischer Lage des Störers zu den Meßgeräten die Meßinformationen gegenseitig aufheben können.

Wird in der dargestellten Anordnung mit zwei in drei Koordinaten messenden Magnetfeldmeßgeräten jeweils das von ihnen detektierte Gesamtfeld ₁ und ₂ gemessen, so kann daraus das Erdmagnetfeld _E
gemäß

mit

bestimmt werden.

Dieser Auswertevorschrift liegt die Überlegung zugrunde, daß das Feld eines magnetischen Dipols am Ort ₀ sich am Ort beschreiben läßt durch

mit

wobei

Damit ergibt sich für das durch die Meßgeräte 1 und 2 an den Orten ₁, und ₂ gemessene Gesamtmagnetfeld

woraus sich für _E die oben angegebene Auswertvorschrift

ableitet.

Es ist dabei unbeachtlich, in welcher Lage sich der fragliche Dipol gerade befindet und welche Stärke er momentan hat. Solange die beiden Meßgeräte exakt synchron arbeiten, ist es auch unbeachtlich, ob sich der Dipol während der Messung verdreht oder sonstwie verändert. Wichtig ist lediglich, daß beide Meßgeräte während der gesamten Meßzeit aus unveränderter relativer Lage zueinander dem Einfluß desselben Dipols ausgesetzt sind.

Da die symmetrische Matrix P von den Ortskoordinaten des Störers und der beiden Meßgeräte abhängt, lassen sich die Matrixelemente im allgemeinen aus den bekannten Konstruktionsdaten leicht bestimmen.

Es ist jedoch auch möglich, die Matrix experimentell zu bestimmen. Dazu ist das Gerät, das den veränderlichen Dipol enthält, in eine feste Lage zu bringen, in der das Erdmagnetfeld _E konstant bleibt. Die magnetische Störgröße (Dipol) wird in viele, möglichst unterschiedliche Zustände gebracht. In jeder der Lagen werden die Magnetfelder ₁ und ₂ gemessen und in die obige Bestimmungsgleichung eingesetzt, welche dann mit einem beliebigen, an sich bekannten Verfahren zur Lösung linearer Gleichungen nach den unbekannten Matrixelementen P₁₁ . . . P₃₃ und _E aufgelöst wird. Ein solches Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich zusätzlich noch weichmagnetische Materialien im System befinden, welche die Störfelder des veränderlichen Störers verzerren. Die Matrix P wird dann im allgemeinen nicht mehr symmetrisch sein, wie bei der obigen Betrachtung noch angenommen wurde.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient in erster Linie dazu, die Richtung des Erdmagnetfeldes unter dem Einfluß eines Dipolvektors bekannten Ortes jederzeit korrekt bestimmen zu können. Sie kann jedoch ersichtlich auch dazu verwendet werden, einen Dipolvektor unbekannten Ortes ₀ nach Richtung und Länge zu bestimmen, indem aus den oben aufgeführten Bestimmungsgleichungen anstelle des Erdmagnetfeldes _E der Dipolvektor berechnet wird.

Die beschriebene Anordnung kann auch in der Weise erweitert werden, daß mehr als zwei Meßgeräte in analoger Anordnung vorgesehen werden. Damit können zusätzlich für einen zweiten oder weitere Störer bekannten Ortes oder in analoger Weise zum obigen Abschnitt für weitere Störer unbekannten Ortes ihr Einfluß auf die Messung des Erdmagnetfeldes _E beseitigt werden oder entsprechend ihre Dipolvektoren _k und Orte _k in systematischer Erweiterung der oben angegebenen Verfahren.

Die synchrone Messung aller Meßgeräte ist jedoch weiterhin Voraussetzung.

Eine Lagebestimmung des magnetisierten Gerätes kann mittels dreier Meßgeräte vorgenommen werden unter Einhaltung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Bedingungen. Dem zusätzlichen Meßwert ist eine weitere unabhängige Bestimmungsgleichung entsprechend den oben angegebenen Beziehungen zugeordnet. Das erweiterte Gleichungssystem kann mit Hilfe an sich bekannter Verfahren zur numerischen Lösung nichtlinearer Gleichungen für den Parameter ₀ gelöst werden.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Richtung des Erdmagnetfeldes _E in der Nähe eines magnetischen Störers mit zeitlich veränderlicher Magnetfeldrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Magnetfeldmeßgeräte vorgesehen sind, die jeweils alle drei Vektorkomponenten des Gesamtmagnetfeldes ₁, ₂ messen, die Magnetfeldmeßgeräte eine feste, zeitlich unveränderliche Lage ₀, ₁, ₂zueinander und zum Störer aufweisen, die Meßwerte zeitsynchron abrufbar sind und entsprechend _E = (₁ + ₂)/2 + P.(₁ - ₂) auswertbar sind, wobei P (₀, ₁, ₂) die geometrische Lage der Magnetfeldmeßgeräte zueinander und zum Störer beschreibt.

2. Verfahren zum Messen der Richtung des Erdmagnetfeldes _E in der Nähe eines magnetischen Störers mit zeitlich veränderlicher Magnetfeldrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens zwei in fester räumlicher Anordnung zueinander und zum Störer angeordneten Magnetfeldmeßgeräten jeweils die drei Vektorkomponenten des Gesamtmagnetfeldes ₁, ₂ zeitsynchron gemessen und entsprechend _E = (₁ + ₂)/2 + P.(₁ - ₂) ausgewertet werden, wobei P (₀, ₁, ₂) eine die geometrische Lage der Magnetfeldmeßgeräte zueinander und zu dem Störer beschreibende Matrix ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix P aus bekannten Konstruktionsdaten bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix P durch Messung ermittelt wird, indem das Gesamtgerät in fester räumlicher Lage gehalten und der Störer in möglichst viele unterschiedliche Zustände gebracht wird, in denen die Gesamtmagnetfelder gemessen und daraus ein System linearer Bestimmungsgleichungen gebildet wird.