CN108227023A - Ch-3无人机航空物探磁放综合站应用系统 - Google Patents

Abstract

一种CH‑3无人机航空物探磁放综合站应用系统，在无人机飞行平台上增加海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量设备；海事卫星通信设备的天线安装在无人机的蒙皮外且位置处于无人机飞行平台的载荷舱的正上方；海事卫星通信设备的机载设备安装在载荷舱内，当无人机飞行平台在低于120米的高度或者视距超过200km飞行时，利用海事卫星通信设备实现无人机飞行平台与地面站之间的通信；航磁测量设备安装在无人机飞行平台载荷舱内及无人机飞行平台机翼的两端，用于普查石油和天然气以及其他矿产；航放测量设备安装在载荷舱内，用于测量地质矿产中放射性元素的含量，与航放测量设备正对的载荷舱底部采用非金属材料。

Description

CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统

技术领域

本发明涉及一种航空物探，尤其涉及CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统，可用于航空物探作业领域。

背景技术

目前，航空地球物理勘探(航空物探)，是物探方法的一种，通过飞机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化，研究和寻找地下地质构造和矿产。航空物探以有人机为主要载体，在取得不错成果的同时也面临巨大的问题。与无人机相比，有人机面临的主要问题：

(一)危险性大，为了取得好的地质矿产探测效果，航空物探方法要求飞行高度很低，但超低空飞行危险性极高。近年来，随着航空物探作业量的增加，航空物探作业飞机出现事故的概率也在增加。而无人机人能够大大降低航空物探的作业风险，确保航空物探作业中的零人员伤亡。

(二)成本极高，航空物探项目总经费超过65％用于租赁飞机，严重制约了先进航空物探系统的自身技术发展和大规模推广应用。尤其是具有“多、小、快、灵”特点的小面积大比例尺探测任务常常因为航空物探过高的费用门槛而被拒之门外。与有人机相比，无人机在建设成本和运维成本上，都具有明显优势，为航空物探系统的大规模推

广提供了可能性。

(三)灵活性差，有人机对起降条件、地勤支持等要求很高，受环境天气和起降场地制约严重，野外作业能力差；无人机灵活性高，起降条件要求低，准备时间短，可以保持低速巡航状态，更有利于航空物探数据采集，并且具有更强的高原作业能力。

(四)作业效率低，有人机无法夜间飞机开展航空物探作业，而由于国家对有人机的严格管控，白天的空域申请和航空物探作业受到了很多制约和限制，这两方面因素均导致了有人机航空物探作业效率低下。而无人机能够实现夜间飞机，夜间的空域申请更加容易，同时也极大提高了飞行作业效率。此外，2017 年4月，民航局空管办下发《民用航空低空空域监视技术应用指导意见》，助推通用航空发展，对于无人机开发和应用更是极大的促进。

综上所述，无人机是解决上述问题的有效途径。无人机航空物探具有效率高、成本低、风险小、不受地形条件及人为因素影响等优点。但是在航空物探领域，无人机应用刚刚起步，多家单位均进行了无人机航磁领域的物探应用研究，中国国土资源航空物探遥感中心曾立项研制无人机航磁系统，中国科学院于2009年10月16日试飞了无人机航磁系统。国内尚未见到利用无人机进行磁放综合测量的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统，解决传统有人机航空物探的主要问题。

本发明的技术解决方案是：一种CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统，在无人机飞行平台上增加海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量设备；

海事卫星通信设备的天线安装在无人机的蒙皮外且位置处于无人机飞行平台的载荷舱的正上方；海事卫星通信设备的机载设备安装在载荷舱内，当无人机飞行平台在低于120米的高度或者视距超过200km飞行时，利用海事卫星通信设备实现无人机飞行平台与地面站之间的通信；

航磁测量设备安装在无人机飞行平台载荷舱内及无人机飞行平台机翼的两端，用于普查石油和天然气以及其他矿产；航放测量设备安装在载荷舱内，用于测量地质矿产中放射性元素的含量，与航放测量设备正对的载荷舱底部采用非金属材料。

进一步的，所述的航放测量设备采用减震方式安装在载荷舱内。

进一步的，航磁测量设备包括磁力仪、航磁探头舱、磁通门、前置放大器；航磁探头舱内安装航磁探头，航磁探头舱固定安装在无人机飞行平台的机翼两端，磁通门安装在无人机飞行平台机翼垂尾底端，前置放大器安装在无人机飞行平台的机翼内部靠近翼尖位置，磁力仪安装在载荷舱内；航磁探头及前置放大器获取大地磁场的拉莫尔频率数据，并通过前置放大器传输至磁力仪，磁通门获取无人机飞行平台的飞行姿态数据并传输至磁力仪，磁力仪根据飞行姿态数据对拉莫尔频率数据进行补偿。

进一步的，航磁探头安装在航磁探头舱内且安装角度可调，通过角度调整使探头方向与待测目的地磁场线垂直。

进一步的，通过一个可调装置实现角度调整，可调装置包括橡胶圈，锁轴螺栓、方形框；两个锁轴螺栓呈180°固定在橡胶圈上，另外两个锁轴螺栓一端固定在航磁探头舱内的安装支架上，另一端安装在方形框的两个相对面上，使得方形框绕锁轴螺栓实现俯仰方向的转动；方形框另外两个面上设置滑道；橡胶圈固定航磁探头上且置于方形框内，固定在橡胶圈上的两个锁轴螺栓的外端置于方形框相应的滑道内，实现航磁探头滚转方向的转动。

进一步的，所述的航磁探头舱通过探杆安装在机翼两端，探杆的长度及位置保证正常飞行时，气流不能流经无人机飞行平台垂尾方向舵上，需避开尾涡影响集中区域。

进一步的，探杆采用对称翼型设计，翼型相对厚度0.2-0.4，展长≥270mm。

进一步的，航磁探头舱采用仿锤体外形，仿锤体的最大横截面直径大于航磁探头旋转包络的直径，仿锤体的最大纵向长度大于航磁探头长度且小于无人机飞行平台机翼翼尖宽度。

进一步的，航放测量设备包括航放主机和晶体箱；晶体箱内的航放探测晶体两端固定后填充海绵，为航放探测晶体供电的电路板上的电线通过海绵内部连结在航放探测晶体上，航放主机记录存储航放探测晶体采集的数据。

进一步的，晶体箱外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构构成。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明具备在低于120m的超低空及大于200km的超视距的通信能力及磁放综合测量能力。是世界首套无人机航空物探磁放综合测量系统，可广泛用于地质勘查、地质调查以及地质找矿等航空物探领域。

航磁探头舱为水滴状，具一定空间，航磁探头可二自由度调整角度，飞行时探头位置保持固定，水滴状航磁探头舱可以有效降低航磁探头舱带来的气动阻力；探杆采用对称翼型设计，并进行了探杆弦长的优化设计，探杆弦长400mm, 可以有效减小飞行阻力；航磁探头舱及探杆安装部件采用环氧树脂材料，非磁性材料重量轻且无磁干扰；航磁探头舱及探杆的设计可以有效提高航磁数据精度。

航放晶体箱外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构构成，质量较轻且具有良好的抗冲击性和较大的强度；航放晶体箱内填充海绵，既可以减轻航放探测晶体的震动，又可以给保证航放探测晶体温度，使航放探测晶体在温度变化较快、震动较大的恶劣条件时仍然可以稳定工作。

附图说明

图1为本发明无人机航空物探磁放综合站应用系统布局；

图2为本发明航磁探头舱内部结构示意图；

图3为本发明航磁探头舱和探杆的压力云图及绕流流线图；

图4为本发明CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统组成关系。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明提出一种应用于航空物探领域的无人机磁放综合站系统，为使本发明的上述目的及实施过程更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图4所示，CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统由无人机飞行平台、海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量测试组成。无人机飞行平台同时搭载海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量设备，无人机飞行平台同时为海事卫星测量设备、航磁测量设备和航放测量设备供电，并与航磁测量设备和航放测量设备实现相互通信，海事卫星通信设备实现无人机飞行平台与地面站之间的通信。航磁测量设备用于普查石油和天然气以及其他矿产。航放测量设备用于测量地质矿产中放射性元素的含量。

如图1所示，海事卫星通信设备包括海事卫星天线8和海事卫星机载设备 7，海事卫星通信设备的天线安装在无人机的蒙皮外且位置处于无人机飞行平台的载荷舱的正上方；海事卫星通信设备的其他设备放置在载荷舱内，采用空间隔离方式避免海事卫星通信设备和无人机飞行平台之间的电磁干扰，当无人机在低于120米的高度或者视距超过200km飞行时，利用海事卫星通信设备实现无人机与地面站之间的通信。

如图1所示，航磁测量设备包括磁力仪2、航磁探头舱1、磁通门4和前置放大器5，航磁探头舱1内安装航磁探头。根据CH-3无人机静态磁场分布，将不受电磁环境影响的磁力仪2通过支架连接安装在载荷舱内加强框上；将对电磁环境敏感的航磁探头舱1固定安装在无人机飞行平台的机翼两端；磁通门 4安装在无人机飞行平台机翼垂尾底端，前置放大器5安装在无人机飞行平台的机翼内部靠近翼尖位置，前置放大器5与磁通门4相连，并在相应位置的机翼下方蒙皮开口，磁通门和前置放大器安装配件均选用无磁性材料。航磁探头及前置放大器获取大地磁场的拉莫尔频率数据，并通过前置放大器传输至磁力仪，磁通门获取无人机飞行平台的飞行姿态数据并传输至磁力仪，磁力仪根据飞行姿态数据对拉莫尔频率数据进行补偿，磁力仪根据飞行姿态数据获取飞行姿态偏差，根据姿态偏差对拉莫尔频率数据进行正负补偿计算。

如图2所示，航磁探头舱采用仿锤体外形，仿锤体的最大横截面直径大于航磁探头旋转包络的直径，仿锤体的最大纵向长度大于航磁探头长度且小于无人机飞行平台机翼翼尖宽度。航磁探头安装在航磁探头舱1内，通过可调装置调整使探头方向与待测目的地磁场线垂直。可调装置包括橡胶圈1-1、锁轴螺栓1-2、方形框1-3。两个锁轴螺栓呈180°固定在橡胶圈上，另外两个锁轴螺栓一端固定在航磁探头舱内的安装支架上，另一端安装在方形框的两个相对面上，使得方形框绕锁轴螺栓实现俯仰方向的转动；方形框1-3另外两个面上设置滑道；橡胶圈固定航磁探头上且置于方形框内，固定在橡胶圈上的两个锁轴螺栓的外端置于方形框相应的滑道内，实现航磁探头滚转方向的转动，航磁探头舱底部开有操作口盖，操作口盖通过专门加工的铜制托板螺母与螺栓与航磁探头舱相连，实现对航磁探头安装及调节。

如图2所示，航磁探头舱通过探杆安装在机翼两端，探杆采用对称翼型设计，探杆翼型相对厚度0.2-0.4，探杆展长≥270mm，探杆的长度及位置保证正常飞行时，气流不能流经无人机飞行平台垂尾9方向舵上。在攻角3°，侧滑角15°，前探杆1-4弦长102mm，翼型相对厚度0.393时，前探杆外径40mm，内径32mm，前展长400mm，后探杆1-5和斜探杆1-6弦长60mm，翼型相对厚度0.267，后探杆和斜探杆外径16mm，内径10mm，展长400mm时，如图3所示，航磁探头舱和探杆的压力云图及绕流流线图能够避开尾涡影响集中区域。探杆通过卡箍分别固定在无人机飞行平台机翼主梁和垂尾上，探杆选用玻璃纤维材料缠绕而成，前探杆上开有穿线的孔槽，航磁探头的线缆可通过探杆内部进入无人机飞行平台机翼翼尖内部与前置放大器相连。探杆、探头舱采用环氧树脂材料，重量尽量轻，航磁探头舱安装配件选用无磁性材料。

如图1所示，航放测量设备包括航放主机3和晶体箱6，航放主机3和晶体箱6采用减震安装在载荷舱内。晶体箱6外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构构成，晶体箱内的航放探测晶体两端固定后填充海绵，为航放探测晶体供电的电路板上的电线通过海绵内部连结在航放探测晶体上，晶体箱6安装在磁力仪2下方通过耳片连接在载荷舱加强框上；与晶体箱6正对的载荷舱底部采用非金属的材料；航放探测晶体越多，航放测量精度越高，本发明以3条航放探测晶体为例，如需增加航放探测晶体数量，需增设挡板及固定装置；航放主机3记录存储磁放探测晶体采集的伽马射线数据，用于测量地质矿产中放射性元素的含量。

CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统较传统有人机航空物探系统具有夜航飞行、搭载能力强、超低空及超视距通信、超低空沿地形跟随飞行、磁放综合作业等优势。无人机飞行平台具备夜航飞行能力，因此使得CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统具备夜航能力；无人机飞行平台搭载能力强，最大载荷重量180kg，可以同时搭载海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量设备；海事卫星通信设备可以实现高度低于120m或者视距超过200km的无人机飞行平台与地面站之间的数据通信；CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统具备超低空沿地形跟随飞行能力，具体详见专利《一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法》，专利号ZL 2014 1 0522026.2；航磁测量用于普查石油和天然气以及其他矿产；航放测量设备用于测量地质矿产中放射性元素的含量，因此，CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统可以实现航空磁法测量和航空放射性测量综合作业。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种CH-3无人机航空物探磁放综合站应用系统，其特征在于在无人机飞行平台上增加海事卫星通信设备、航磁测量设备和航放测量设备；

海事卫星通信设备的天线安装在无人机的蒙皮外且位置处于无人机飞行平台的载荷舱的正上方；海事卫星通信设备的机载设备安装在载荷舱内，当无人机飞行平台在低于120米的高度或者视距超过200km飞行时，利用海事卫星通信设备实现无人机飞行平台与地面站之间的通信；

航磁测量设备安装在无人机飞行平台载荷舱内及无人机飞行平台机翼的两端，用于普查石油和天然气以及其他矿产；航放测量设备安装在载荷舱内，用于测量地质矿产中放射性元素的含量，与航放测量设备正对的载荷舱底部采用非金属材料。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的航放测量设备采用减震方式安装在载荷舱内。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：航磁测量设备包括磁力仪(2)、航磁探头舱(1)、磁通门(4)、前置放大器(5)；航磁探头舱(1)内安装航磁探头，航磁探头舱(1)固定安装在无人机飞行平台的机翼两端，磁通门(4)安装在无人机飞行平台机翼垂尾底端，前置放大器(5)安装在无人机飞行平台的机翼内部靠近翼尖位置，磁力仪(2)安装在载荷舱内；航磁探头及前置放大器获取大地磁场的拉莫尔频率数据，并通过前置放大器传输至磁力仪，磁通门获取无人机飞行平台的飞行姿态数据并传输至磁力仪，磁力仪根据飞行姿态数据对拉莫尔频率数据进行补偿。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：航磁探头安装在航磁探头舱内且安装角度可调，通过角度调整使探头方向与待测目的地磁场线垂直。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：通过一个可调装置实现角度调整，可调装置包括橡胶圈(1-1)，锁轴螺栓(1-2)、方形框(1-3)；两个锁轴螺栓呈180°固定在橡胶圈上，另外两个锁轴螺栓一端固定在航磁探头舱内的安装支架上，另一端安装在方形框的两个相对面上，使得方形框绕锁轴螺栓实现俯仰方向的转动；方形框另外两个面上设置滑道；橡胶圈固定航磁探头上且置于方形框内，固定在橡胶圈上的两个锁轴螺栓的外端置于方形框相应的滑道内，实现航磁探头滚转方向的转动。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的航磁探头舱通过探杆安装在机翼两端，探杆的长度及位置保证正常飞行时，气流不能流经无人机飞行平台垂尾方向舵上，需避开尾涡影响集中区域。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：探杆采用对称翼型设计，翼型相对厚度0.2-0.4，展长≥270mm。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：航磁探头舱采用仿锤体外形，仿锤体的最大横截面直径大于航磁探头旋转包络的直径，仿锤体的最大纵向长度大于航磁探头长度且小于无人机飞行平台机翼翼尖宽度。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：航放测量设备包括航放主机(3)和晶体箱(6)；晶体箱内的航放探测晶体两端固定后填充海绵(6)，为航放探测晶体供电的电路板上的电线通过海绵内部连结在航放探测晶体上，航放主机记录存储航放探测晶体采集的数据。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：晶体箱外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构构成。