DE3422490A1

DE3422490A1 - Verfahren zur korrektur von winkelfehlern bei einem elektronischen kompass in fahrzeugen

Info

Publication number: DE3422490A1
Application number: DE19843422490
Authority: DE
Inventors: Günther 8500 Nürnberg Alberter; Harald 8500 Nürnberg Bauer; Gerhard 8501 Roßtal Hettich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-06-16
Filing date: 1984-06-16
Publication date: 1985-12-19
Also published as: WO1986000129A1; JPH0553208B2; DE3422490C2; JPS61502414A; EP0187761A1; US4725957A

Description

EOBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Verfahren zur Korrektur von Winkelfehlern bei einem elektronischen Kompaß in Fahrzeugen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Korrektur von Winkelfehlern hei der Ermittlung der Fahrrichtung von Fahrzeugen mit einem elektronischen Kompaß nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-PS 27 5^ 888 ist es bekannt, bei einem Navigationsapparat die Fahrrichtung eines Fahrzeuges mit einem Zwei-Achsen-Magnetometer zu ermitteln, dessen Ausgangssignale zur Kompensation von magnetischen Störfeldern im Fahrzeug einer Korrektureinheit zugeführt -werden, durch die eine Nullpunktverschiebung der Ausgangssignale sowie eine proportionale Veränderung eines der Ausgangssignale vorgenommen wird. Bei dieser Lösung geht man davon aus, daß im Fahrzeug ein Störfeld mit einem festen Vektor vorhanden und von einem Erdfeld überlagert ist, welches durch die Karosserie des Fahrzeugs je nach Ausrichtung des Fahrzeuges mehr oder weniger abgeschirmt wird. Da das für die Fahrrichtung maßgebliche Erdfeld unter dem sogenannten Inklinationswinkel zur Horizontalen schräg von oben auf die Erdoberfläche auftrifft, wird bei der Ermittlung der Fahr-

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richtung nur die in der Fahrebene liegende Komponente des Erdfeldes durch das Magnetometer erfaßt, indem die eine Achse des Magnetometers in Fahrrichtung und die andere quer zur Fahrrichtung angeordnet ist. Beim fest eingebauten elektronischen Kompaß tritt kein Meßfehler auf, solange· das Fahrzeug auf horizontaler Strecke fährt. Bei einer Steigung oder beim Gefälle tritt jedoch beim Messen der Fahrrichtung am elektronischen Kompaß ein Winkelfehler auf, der je nach Steigung oder Gefälle und abhängig von der Fahrrichtung bis zu 30 betragen-.-kann. Will man diesen Winkelfehler vermeiden, so muß das Magnetometer eine aufwendige und störanfällige kardanische Aufhängung haben, damit die Achsen des Magnetometers auch bei Berg- und Talfahrten in einer horizontalen Ebene liegen. Dort treten jedoch bei Kurven fahren, beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeuges Meßfehler auf.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, auf einfache Weise die von der Neigung des Fahrzeuges in seiner Längsachse abhängigen Winkelfehler zu kompensieren.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Meßgenauigkeit des elektronischen Kompasses durch die Kompensation des neigungsabhängigen Winkelfehlers wesentlich verbessert wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß das Magnetometer nunmehr mit seinen Achsen ortsfest im Fahrzeug eingebaut werden kann. Eine kardanische Aufhängung entfällt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Besonders

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vorteilhaft ist, den Neigungswinkel aus der Erdbeschleunigungkraft und der Hangabtriebskraft eines im Fahrzeug gelagerten Körpers zu ermitteln. Um hierbei Meßfehler durch Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeuges zu vermeiden, wird ferner vorgeschlagen, daß der Neigungswinkel ("ψ· ) des Fahrzeugs in der Auswerteschaltung des elektronischen Kompasses aus der Beziehung sin y = (a· - c)/ g errechnet wird. Dabei ist a' die gesamte, am Körper in Fahrrichtung wirksame Beschleunigung c die Beschleunigung in Fahrrichtung und g die Erdbeschleunigung. Die Beschleunigung des Fahrzeuges in Fahrrichtung c wird dabei in vorteilhafter Weise in der Auswerteschaltung aus den Signaländerungen eines Fahrgeschwindigkeitgebers ermittelt .

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild eines elektronischen Kompasses zur erfindungsgemäßen Ermittlung der Fahrrichtung eines Kraftfahrzeuges mit neigungsabhängiger Winkelkorrektur, Figur 2 ein Koordinatensystem mit einem bergauf fahrenden Fahrzeug, Figur 3 zeigt ein Fahrzeug mit den vom Magnetometer gemessenen Magnetfeldvektoren, Figur h zeigt ein Diagramm, das abhängig vom Strassengefälle den Winkelfehler im Bezug auf die Fahrrichtung des Fahrzeugs wiedergibt, Figur 5 zeigt die gemessene und die tatsächliche Nordrichtung im Koordinatensystem bezogen auf die Fahrzeuglängsachse, Figur 6 eine schematisch dargestellte Meßeinrichtung für den Neigungswinkel des Fahrzeugs und die Figuren T und 8 zeigen Flußdiagramme für die Arbeitsweise des elektronischen Kompasses nach Figur 1 .

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Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Figur 1 ist das Blockschaltbild für einen elektronischen Kompaß dargestellt, der zur Navigation in einem Kraftfahrzeug fest eingebaut ist. Der elektronische Kompaß besteht aus einem Sensor 10, einer Auswerteschaltung 11, einer Neigungsmeßeinrichtung 12 und einer Anzeige 13. Der Sensor 10, der beispielsweise mitten unter dem Dach eines Personenfahrzeuges (Figur 3) angebracht ist, enthält ein Magnetometer mit Zeitverschlüsselung. Das Magnetometer ist mit zwei Sonden versehen, die zusammen mit einer Stromversorgung und einer Signalformerstufe für jede der Magnetfeldsonden im Sensor 10 untergebracht ist. Die Auswerteschaltung 11 wird im wesentlichen durch einen Mikrocomputer realisiert, dessen Eingang die Sensorsignale zugeführt werden. Zur besseren Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von neigungsabhängigen Winkelfehler bei der Ermittlung der Fahrrichtung des Fahrzeugs ist die Auswerteschaltung 11 in eine Speicherstufe 1k, eine Rechenstufe 15 für die Berechnung des nicht korrigierten Richtungswinkels y?¹ eine weitere Rechnerstufe 16 zur Ermittlung der Fahrzeugneigung in seiner Längsachse, in eine Korrekturstufe 17 zur Ermittlung einer Korrektur- oder Eichgröße sowie in eine weitere Rechenstufe 18 zur Winkelkorrektur aufgegliedert dargestellt. Über verschiedene Eingänge der Korrekturstufe 17 kann ein fester Richtungswinkel ψ , ein fester Neigungswinkel yr oder der Inklinationswinkel oe des Erdfeldes lie als Eichgröße in die Auswerteschaltung 11 eingegeben werden. Über einen Ausgang ist die Rechenstufe 18 mit der Anzeige 13 verbunden, auf der neben weiteren Informationen die Fahrrichtung des Fahrzeugs angezeigt werden kann.

In Figur 2 ist ein Fahrzeug 19 in einem Koordinatensystem auf einer schiefen Ebene dargestellt. Das Koordinatensystem hat eine horzintale Achse χ und eine vertikale Ach-

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se ζ . Die schiefe Ebene bildet mit der horizontalen
ο

Achse χ einen Winkely. Figur 2 zeigt ferner durch parallele Pfeile angedeutet, die Richtung des im Fahrzeug 19 wirksamen Erdfeldes He. Dieses Erdfeld He bildet zur horinzontalen Ebene einen Inklinationswinkel pC, der im
Umkreis von mehreren hundert Kilometern praktisch unverändert bleibt. Die Verbindungslinien der Orte auf der
Erdoberfläche mit gleichen Inklinationswinkeln nennt man Isoklinen. Sie sind in Lehrbüchern der Navigation in Karten eingetragen (siehe H. Birr, S. Kuschinsky, L. Uhlig "Leitfaden der Navigation - Terrestrische Navigation",
Transpress VEB-Verlag für Verkehrswesen Berlin, (1968).

In Figur 3 ist das Fahrzeug 19 ia der Draufsicht dargestellt. Zur Ermittlung der Fahrrichtung ist der Sensor mit seiner einen Sondenachsen χ zur Fahrzeuglängsachse und mit seiner anderen Sondenachse y quer zur Längsachse ausgerichtet. Der Sensor 10 mißt dabei die X- und Y-Komponenten des an ihm wirksamen Feldvektors H, der sich aus einem festen Störfeldvektor Hs und dem Erdfeldvektor He zusammensetzt. Wie gestrichelt angedeutet, beschreibt der am Sensor 10 wirksame Erdfeldvektor He beim Drehen des Fahrzeuges 19 durch eine Abschirmung im KfZ eine elliptische Ortskurve 0, Da der Vektor des Störfeldes Hs sowie die Lage und Form der Ortskurve 0 durch Eichmessungen ermittelt und im Speicher Ik durch konstante Größen abgelegt werden, läßt sich durch den elektronischen Kompaß die
Richtung des Erdfeldes He über eine Vektorgleichung ermitteln, indem der Vektor des Magnetfeldes H_ vom Sensor 10 zyklisch gemessen wird.

In Figur k ist in einem Diagramm für verschiedene Neigungswinkel yr der dabei auftretende Winkelfehler Δ*ρ für die Richtungsanzeige in Abhängigkeit von der Fahrrichtung mit Bezugsrichtung Nord dargestellt. Wie Figur 5

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zeigt, bildet der Winkel ψ dabei den Winkel zwischen Fahrzeuglängsachse χ und der Nordrichtung. Aus dem Diagramm (T<'$.*+) ist zu entnehmen, daß bei einem Fahrzeug, welches auf horizontaler Ebene fährt, kein Winkelfehler auftritt und daß maximale Winkelfehler bei Steigungen oder Gefällstrekken in Nord-West-Richtungen auftreten. Dabei können bei Gefällstrecken von 10 % (yai6^o) bereits Winkelfehler von Ä? 13° auftreten.

Um einen solchen Winkelfehler uy> kompensieren zu können, ist mit der Neigungsmeßeinrichtung 12 zyklisch die Neigung der Fahrzeuglängsachse festzustellen. In einfachster Weise wird dazu ein Lagesensor 20 verwendet, wie er in Figur β schematisch dargestellt ist. Er besteht aus einem im Fahrzeug angeordneten Körper 21, der auf einer festen Unterlage 22 aufliegt und seitlich von zwei Drucksensoren 23, 2h gehalten ist. Die Unterlage 22 befindet sich in der Fahrebene des Fahrzeugs, während der Drucksensor 23 in Fahrrichtung gesehen senkrecht dazu hinter dem Körper 21 und der Lagesensor 2k vor dem Körper 21 angeordnet ist. Aus dem in Figur 2 dargestellten Beschleunigungskräfteparallelogramm, welches am Körper 21 angreift, ergibt sich eine Hangabtriebsbeschleunigung a_ die je nach Gefälle oder Steigung vom Drucksensor 23 oder 2h gemessen wird und die bekannte Erdbeschleunigung g_, die in vertikaler Richtung am Körper 21 angreift. Wird das Fahrzeug 19 "beschleunigt oder abgebremst, so tritt zusätzlich am Körper 21 noch eine Beschleunigung bzw. Abbremsung ± c_ auf, die in gleicher oder entgegengesetzter Richtung wie die Hangabtriebsbeschleunigung a_ wirkt. Die von den Drucksensoren 23 und 2^ abgegebenen und der Auswerteschaltung 11 zugeführten Signale stellen daher die gesamte, am Körper 21 in Fahrrichtung wirksame Beschleunigung aj dar, die sich ergibt aus der Gleichung:

a' = a ± c.

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Bei stehendem oder mit gleichförmiger Geschwindigkeit fahrendem Fahrzeug 19 ist die am Körper 21 wirkende Beschleunigung c=0. Für den Steigungswinkel y ergibt sich dann die Gleichung:

sin*y = a/g. (a = a')

Beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs 19 muß dagegen die dann vom Lagesensor 20 gemessene Gesamtbeschleunigung a* um die Beschleunigung c_ korrigiert werden. Die Ermittlung dieser Beschleunigung geschieht in einfachster Weise mit einem Fahrgeschwindigkeitsgeber 25 oder mit Tachometersignalen. Die Fahrgeschwindigkeitssignale werden in der Auswerteschaltung auf ein Differenzierglied gegeben, um eine Größe für die Signaländerung und damit für die Beschleunigungs- bzw. Abbremsungskraft c. zu gewinnen. In der Rechenstufe 16 kann aus den so ermittelten Größen der Steigungswinkel -ψ- nach der Gleichung:

sin "ψ- = (a^f - c) /g
ermittelt werden.

Mit Hilfe des Flußdiagrammes in Figur T soll nun das Verfahren zur Ermittlung der Fahrrichtung des Fahrzeuges mit der Korrektur von neigungsabhängigen Winkelfehlern näher erläutert werden. Hach dem Start des Programms der Auswerteschaltung 11 wird im ersten Programmschritt 26 geprüft, ob in der Auswerteschaltung 11 bereits eine Eichgröße E gespeichert ist. Sofern das noch nicht Fall ist, s-ö wird in einem Programmabschnitt 27 über die Korrekturstufe 17 der Inklinationswinkel oc des Erdfeldes eingegeben und daraus eine Eichgröße E gebildet, die in der Speicherstufe 1U abgelegt wird. Der Inklinationswinkel <=C bzw. der Inklinationswert für den Bereich, in dem das Fahrzeug gefahren wird, kann dabei in einfachster Weise aus einer mit Inklinationslinien versehenen Landkarte entnommen und über Eingabetasten in die Auswerteschaltung ί1 eingegeben werden. In einem weiteren Programmabschnitt 28 wird nun mit

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der Neigungsmeßeinrichtung 12 die Gesamtbeschleunigung a¹ und die augenblickliche Fahrgeschwindigkeit ν gemessen und die Werte werden als Meßsignale der Auswerteschaltung 11 zugeführt und dort zwischengespeichert. Im nachfolgenden Programmabschnitt 29 wird mit der Rechenstufe 16 der Auswerteschaltung 11 aus der Punktionsgleichung:

yr = f (a¹, dv/dt, g)

der Neigungswinkel des Fahrzeugs bezüglich seiner Längsachse ermittelt und zwischengespeichert. Dabei wird die Geschwindigkeitsänderung dv/dt diskret aus der Differenz der gemessenen Geschwindigkeit ν zur zwischengespeicherten vorhergehenden Geschwindigkeit dividiert durch die dafür benötigte Zeit bestimmt. Im nächsten Programmabschnitt 30 wird das vom Sensor 10 gemessene Magnetfeld H mit den Komponenten Hx, Hy an der Rechenstufe 15 der Auswerteschaltung 16 eingelesen und im Abschnitt 31 wird aus den im Speicher I** abgelegten Werten der Ortskurve 0, des Erdfeldes He (Figur 3) nach der Funktionsgleichung:

y>' = f (H, Hs., He)

der nicht korrigierte Richtungswinkel des Fahrzeugs 19 zur Nordrichtung ermittelt. Mit diesem Richtungswinkel ψ¹ , dem gemessenen Neigungswinkel yr und der Eichgröße E wird nun im Programmabschnitt 32 in der Rechenstufe 18 nach der Funktionsgleichung:

γ = f ( φ¹, y , E)

der korrigierte Richtungswinkel für das Fahrzeug 19 ermittelt. Im Programmabschnitt 33 wird nun dieser Wert auf die Anzeige 13 gegeben. Die Anzeige 13 kann dabei nach Art einer Windrose die Fahrrichtung durch einen Pfeil angeben oder die Fahrrichtung im Hinblick auf ein vorgegebenes Ziel anzeigen.

Nach der Ausgabe springt das Programm nunmehr wieder auf den Programmabschnitt 18 zurück, in dem erneut zur Ermittlung des Neigungswinkels y die Daten der Neigungsmeßeinrichtung 12 in die Auswerteschaltung 11 eingelesen werden.

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Dieser Programmabschnitt sowie die nachfolgenden Abschnitte 29 "bis 33 werden vom Programm zyklisch durchlaufen, so daß jede Änderung der Fahrrichtung und der Fahrzeugneigung in der Längsachse erfaßt und die Anzeige entsprechend korrigiert wird.

Mit der Auswerteschaltung 11 nach Figur 1 ist es auch möglich, auf die Eingabe des Inklinationswinkels zu verzichten und stattdessen mit dem Fahrzeug 19 eine Eichmessung vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird das Fahrzeug 19 mit der Längsachse auf eine bestimmte Himmelsrichtung, z.B. in Richtung Osten und mit einem bestimmten Steigungswinkel, z.B. 10 aufgestellt. Anstelle der Eingabe des Inklinationswinkels im Programmabschnitt 27 nach Figur 7 wird dann gemäß Figur 8 in einem ersten Schritt 27a der Richtungswinkei ψ = 90 , den das Fahrzeug zur Nordrichtung einnimmt und der Steigungswinkel "γ" =10 in die Korrekturstufe 17 der Auswerteschaltung 11 eingegeben. In einfachster Weise kann hierzu eine Eichtaste gedruckt werden, wenn das Fahrzeug die vorgegebene Position eingenommen hat. Im nächsten Schritt 27b wird in der Eichstellung des Fahrzeugs 19 vom Sensor 10 das dort wirksame Magnetfeld H gemessen und im Schritt 27c wird von der Rechenstufe 15 aus dieser Meßgröße der Richtungswinkel γ> ' ermittelt und in der Speicherstufe 1^ abgelegt. Im Schritt 27d wird nun aus den eingegebenen Daten ψ , "y und dem gemessenen Richtungswinkel V⁵' in der Korrekturstufe die Eichgröße E nach der Funktionsgleichung:

ε = f ( ^,yr./»¹)

ermittelt und in der Speicherstufe 1U abgespeichert. Während der Fahrt wird dann die Fahrrichtung nach dem in Figur 7 dargestellten Flußdiagramm mit den Abschnitten 28 bis 33 zyklisch ermittelt und angezeigt.

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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel "beschränkt, da ein solcher elektronischer Kompaß zur Bestimmung der Fahrrichtung sowohl für Luftfahrzeuge als auch für Wasserfahrzeuge verwendet werden kann. Außerdem läßt sich der Kompaß nicht nur zur Bestimmung der Fahrrichtung verwenden, sondern ganz allgemein zur Navigation von Fahrzeugen, die beispielsweise von einem fest vorgegebenen Ausgangspunkt zu einem bestimmten Ziel gesteuert werden sollen. In einem solchen Fall werden beispielsweise die Signale des Fahrgeschwindigkeitgebers' gemeinsam mit der vom Kompaß ermittelten Fahrrichtung zur Ermittlung des jeweiligen Standortes des Fahrzeugs 19 benutzt. Zusätzlich zur Ermittlung der Fahrzeugneigung bzw. -Steigung kann mit einer entsprechend aufgebauten Auswerteschaltung zusammen mit den Wegsignalen auch die jeweilige Standorthöhe des Fahrzeuges berechnet und angezeigt werden. Zur Nacheichung der Höheninformationen ist jedoch von Zeit zu Zeit ein vorgegebener Höhenstützpunkt einzugeben.

Auch kann anstelle des in Figur 5 dargestellten Lagesensors 20 ein Pendel oder eine andere Vorrichtung zur Messung der Neigung des Fahrzeugs verwendet werden. Auch kann die Unterlage 25 für den Körper 21 als Drucksensor ausgebildet sein. Dies hätte den Vorteil, daß die Bremsoder Beschleunigungskraft auf diesen parallel zur Fahrebene liegenden Drucksensor nicht einwirkt, eine Änderung des Meßsignales an diesem Sensor daher unmittelbar zur Ermittlung der Fahrzeugneigung verwendet werden könnte. Nachteilig ist jedoch, daß ein solcher Drucksensor gegen Stöße durch Unebenheiten in der Fahrbahn und dgl. abgefedert werden muß.

Claims

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U.6.I98U Ws/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Ansprüche

1 . Verfahren zur Korrektur von Winkelfehlern "bei der Ermittlung der Fahrrichtung von Fahrzeugen mit einem elektronischen Kompaß, der ein am Fahrzeug fest angeordnetes Magnetometer mit zwei waagerecht angeordneten Sonden auf rechtwinklig zueinanderliegenden Achsen zur Messung des Magnetfeldes und eine damit verbundene Auswerteschaltung hat, in welche die vom gemessenen Magnetfeld abhängigen elektrischen Signale zur Errechnung der Fahrrichtung erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Winkelfehlers (Δ<ρ) der Fahrrichtung der von der Neigung (yr) des Fahrzeugs (19) in der Fahrrichtungslängsachse (x) abhängig ist, zunächst der Inklinationswinkel (cc) des Erdfeldes (He) als Sichgröße (E) in die Auswerteschaltung eingegeben und gespeichert wird, daß anschließend mit einer Neigungsmeßeinrichtung (12) der Neigungswinkel (yr) des Fahrzeugs zyklisch ermittelt wird und daß schließlich aus der in der Auswerteschaltung (11) mit dem vom Magnetometer (10) abgegebenen elektrischen Signalen errechneten Fahrrichtung ( y?') sowie aus der Eichgröße (E) und dem errechneten Neigungswinkel—fnach einer Funktionsgleichung ( \p = f [ψ-, ya',EJ ) die korrigierte Fahrrichtung (y) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (γ) aus der Erdbeschleunigung( g) und der Hangabtriebsbeschleunigung (a) eines im Fahrzeug (19) gelagerten Körpers (21) ermittelt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (y) in der Auswerteschaltung (11) gemäß der Gleichung siny = (a^f- c)/g berechnet wird, wobei a¹. die gesamte, am Körper (21) in Fahrrichtung wirksame Beschleunigung, ,c die Beschleunigung des Fahrzeuges (19) in Fahrrichtung und ,g die Erdbeschleunigung ist.

k. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe c in der Auswerteschaltung (11) aus der Signaländerung (dv/dt) eines Fahrgeschwindigkeitsgebers (25) errechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichgröße (E) aus einer mit Inklinationslinien versehenen Landkarte entnommen und über Eichtasten in die Auswerteschaltung (11) eingegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (19) zunächst in eine vorgegebene Himmelsrichtung und mit einer vorgegebenen Neigung der Längsachse aufgestellt wird, daß die Himmelsrichtung und die Neigung als feste Größen ( -ρ , -ψ* ) in die Auswerteschaltung (11) eingegeben werden, daß bei dieser Aufstellung des Fahrzeuges (19) aus den elektrischen Signalen des Magnetometers (10) die Fahrrichtung ( y? ') errechnet wird und daß schließlich aus den eingebenen Größen und der errechneten Fahrrichtung ( y> ') die Eichgröße (E) nach einer Funktionsgleichung (E = f ( -ψ· , ψ , ψ> ¹) ) ermittelt und abgespeichert wird, s