CN108897054A - 一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法，该日变站包括：安装在测量船甲板上的无人机飞行控制系统、主控制系统、船载设备以及安装在无人机上的地磁设备；地磁设备包括横杆以及按照重量比布置在横杆上质子磁力仪、机载电源转换器和数据采集存储器；无人机飞行控制系统与无人机相互通讯；无人机飞行控制系统用于控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；主控制系统分别与无人机飞行控制系统、船载设备、地磁设备通讯。本发明采用无人机加载质子磁力仪以及无人机飞行控制系统控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停的方式，克服了现有远海地磁日变观测站的局限性，满足远海地磁日变观测站的测量精度要求。

Description

一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法

技术领域

本发明涉及地磁场测量技术领域，特别涉及一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法。

背景技术

地磁场不是一定恒定值，地磁场日变化的规律一般是白天变化大，夜间变化小。在地磁场测量过程中，为保证资料后处理的精度，一般都需要在测区或测区附近同纬度地区架设地磁日变观测站进行地磁日变同步观测，要求此地磁日变观测站能够控制整个测区。地磁日变观测站需要放置在地磁场相对平缓、远离车辆、人员流动少以及一切可能引起地磁场变化的地点。另外，用于地磁日变观测站的仪器性能要求稳定，其观测精度不能低于野外测量使用的仪器。

对于陆地地磁场测量，地磁日变观测站选址来说相对比较容易，而对于远海地磁场测量，选址相对困难。目前应用较多的是找一处测区或测区附近的岛礁安置地磁日变观测站，或者采用海底地磁日变观测站。岛礁日变站：测区或测区附近必须有岛礁，岛礁登陆存在危险及困难，开阔海域不适用。海底日变站：由于在海底，需要发射天线，数据收集困难，且设备回收困难，作为一次性耗材成本又太高，因此，岛礁日变站和海底日变站均具有一定局限性。

且当远海附近区域没有岛礁时，地磁日变观测站只能安置于测量船上，由于测量船本身受洋流、海风等影响，测量的位置不固定，进而导致地磁日变观测站达不到所要求的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法，能够克服现有远海地磁日变观测站的局限性，满足远海地磁日变观测站的测量精度要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于无人机的海上航磁日变站，所述海上航磁日变站包括：安装在测量船甲板上的无人机飞行控制系统、主控制系统、船载设备以及安装在无人机上的地磁设备；所述船载设备用于为所述地磁设备和所述无人机供电；所述地磁设备包括横杆、质子磁力仪、机载电源转换器和数据采集存储器；所述数据采集存储器用于获取所述质子磁力仪采集的数据并存储；

所述无人机飞行控制系统与所述无人机相互通讯；所述无人机飞行控制系统用于控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；所述主控制系统分别与所述无人机飞行控制系统、所述船载设备、所述地磁设备通讯；

所述横杆固定在所述无人机的底端，且与所述无人机的底面平行；所述质子磁力仪、所述机载电源转换器以及所述数据采集存储器按照重量比布置在所述横杆上以确保所述横杆平衡。

可选的，所述船载设备包括依次连接的船载发电机、船载电源转换器以及电缆；所述船载发电机用于产生220V交流电；所述船载电源转换器用于将所述220V交流电转换为高压直流电；所述机载电源转换器用于将所述高压直流电转换成无人机使用电压和地磁设备使用电压；所述电缆还与所述机载电源转换器连接。

可选的，所述船载设备还包括电缆收放装置；所述主控制系统通过控制所述电缆收放装置以实现电缆的收放。

可选的，所述无人机包括飞行导航模块、动力驱动模块、电力供给模块；

所述飞行导航模块包括GPS导航仪和无线传输单元；所述GPS导航仪用于获取无人机飞行位置信息；所述无线传输单元与所述GPS导航仪连接；所述无人机飞行控制系统与所述无线传输单元连接；

所述动力驱动模块包括顺序连接的伺服作动器、舵机和电机；所述伺服作动器通过所述无人机飞行控制系统发出的命令控制舵机，从而对连接各个旋翼的电机进行转速控制，实现所述无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；

所述电力供给模块与所述机载电源转换器连接，所述电力供给模块用于为所述无人机提供电力。

可选的，所述无人机与所述测量船的水平距离为200米；所述无人机与所述测量船的垂直高度为20米。

可选的，所述无人机为四旋翼无人机。

可选的，所述电缆为零浮力线缆。

本发明还提供了一种基于无人机的海上航磁日变站进行地磁测量的使用方法，所述使用方法包括：

主控制系统分别与无人机飞行控制系统、船载设备、地磁设备建立通讯；

所述无人机飞行控制系统还与无人机建立通讯；

所述无人机飞行控制系统控制无人机从测量船甲板上起飞并悬停至指定位置；

所述无人机飞行控制系统控制无人机进行补偿飞行，并在所述无人机进行补偿飞行过程中，质子磁力仪采集无人机自身磁场干扰信息；

待无人机补偿飞行结束后，无人机飞行控制系统控制无人机再次悬停至指定位置，质子磁力仪开始进行海洋地磁测量。

可选的，所述使用方法还包括：

地磁设备完成地磁测量工作后，所述无人机飞行控制系统控制无人机返程，所述主控制系统控制电缆收放装置回收电缆。

可选的，所述使用方法还包括：

所述无人机控制系统定时通过飞行导航模块获取无人机位置信息，并根据所述无人机位置信息通过动力驱动模块调整无人机位置，以保证地磁数据的精确度和可靠度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法，该海上航磁日变站包括安装在测量船甲板上的无人机飞行控制系统、主控制系统、船载设备以及安装在无人机上的地磁设备；船载设备用于为地磁设备和无人机供电；地磁设备包括横杆、质子磁力仪、机载电源转换器和数据采集存储器；数据采集存储器用于获取所述质子磁力仪采集的数据并存储；横杆固定在无人机的底端，且与无人机的底面平行；质子磁力仪、机载电源转换器以及数据采集存储器按照重量比布置在横杆上以确保所述横杆平衡；无人机飞行控制系统与无人机相互通讯，统用于控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；主控制系统分别与无人机飞行控制系统、船载设备及地磁设备通讯。本发明采用无人机加载质子磁力仪以及无人机飞行控制系统控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停的方式，克服了现有远海地磁日变观测站的局限性，且经纬度可明确控制，满足了远海地磁日变观测站的测量精度要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站的结构框图；

图2为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站的结构示意图；

图3为本发明实施例无人机补偿飞行方式的示意图；

图4为本发明实施例无人机的结构示意图；

图5为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站进行地磁测量的使用方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于无人机的海上航磁日变站及地磁测量方法，能够克服现有远海地磁日变观测站的局限性，满足远海地磁日变观测站的测量精度要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站的结构框图，图2为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站的结构示意图。

参见图1和图2所示，本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站包括：安装在测量船甲板上的主控制系统1、无人机飞行控制系统2、船载设备3以及安装在无人机4上的地磁设备5。

所述无人机飞行控制系统2与所述无人机4相互通讯；所述主控制系统1与所述无人机飞行控制系统2相互通讯；所述主控制系统1还与所述船载设备3单向通信；所述主控制系统1还与所述地磁设备5相互通讯。

所述无人机飞行控制系统2用于控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；所述船载设备3用于为所述地磁设备5和所述无人机4供电。

所述地磁设备5包括横杆、质子磁力仪、机载电源转换器和数据采集存储器；所述横杆固定在所述无人机4的底端，且与所述无人机4的底面平行；所述质子磁力仪、所述机载电源转换器以及所述数据采集存储器按照重量比布置在所述横杆上以确保所述横杆平衡；其中一种布置方式如图2所示，所述质子磁力仪、所述机载电源转换器布置在横杆的两端，所述数据采集存储器布置在横杆的中间位置。所述数据采集存储器用于获取所述质子磁力仪采集的数据并存储。

所述船载设备3包括船载发电机、船载电源转换器、电缆以及电缆收放装置；所述船载发电机用于产生220V交流电；所述船载电源转换器用于将所述220V交流电转换为高压直流电；所述机载电源转换器用于将所述高压直流电转换成无人机使用电压和地磁设备使用电压；所述电缆还与所述机载电源转换器连接。所述电缆用黑色粗线表示。优选的电缆为零浮力线缆。所述主控制系统1通过控制所述电缆收放装置以实现电缆的收放。

所述无人机4包括飞行导航模块、动力驱动模块、电力供给模块。所述飞行导航模块包括GPS导航仪和无线传输单元；所述GPS导航仪用于获取无人机飞行位置信息；所述无线传输单元与所述GPS导航仪连接；所述无人机飞行控制系统2与所述无线传输单元连接。所述动力驱动模块包括顺序连接的伺服作动器、舵机和电机；所述伺服作动器通过所述无人机飞行控制系统2发出的命令控制舵机，从而对连接各个旋翼的电机进行转速控制，实现无人机4的补偿飞行、位置调整以及定点悬停。所述电力供给模块用于为所述无人机4提供电力；所述电力供给模块与所述机载电源转换器连接。其中，所述补偿飞行的方式为无人机4按照数字8的飞行形式分别沿水平四个方向飞行的方式；每次所述补偿飞行的飞行时间不小于1分钟；每次所述补偿飞行的飞行距离不小于10米，其补偿飞行方式的示意图如图3所示。

所述无人机4与所述测量船的水平距离为200米；所述无人机4与所述测量船的垂直高度为20米。无人机4为四旋翼无人机，其无人机的结构示意图如图4所示。

图5为本发明实施例基于无人机的海上航磁日变站进行地磁测量的使用方法的流程示意图。

如图5所示，本发明实施例提供的基于无人机的海上航磁日变站进行地磁测量的使用方法具体包括以下几个步骤。

步骤101：主控制系统分别与无人机飞行控制系统、船载设备、地磁设备建立通讯。

步骤102：所述无人机飞行控制系统还与无人机建立通讯。

步骤103：所述无人机飞行控制系统控制无人机从测量船甲板上起飞并悬停至指定位置。

步骤104：所述无人机飞行控制系统控制无人机进行补偿飞行，并在所述无人机进行补偿飞行过程中，质子磁力仪采集无人机自身磁场干扰信息。

步骤105：待无人机补偿飞行结束后，无人机飞行控制系统控制无人机再次悬停至指定位置，质子磁力仪开始进行海洋地磁测量。

步骤106：所述无人机控制系统定时通过飞行导航模块获取无人机位置信息，并根据所述无人机位置信息通过动力驱动模块调整无人机位置，以保证地磁数据的精确度和可靠度。

步骤107：地磁设备完成地磁测量工作后，所述无人机飞行控制系统控制无人机返程，所述主控制系统控制电缆收放装置回收电缆。

与现有技术相比，本发明采用无人机加载质子磁力仪以及定点悬停的方式，克服了现有远海地磁日变观测站的局限性，无人机与质子磁力仪采用刚性连接固定，从测量船上起降，悬停至指定高度，经纬度均可精确控制，保证地磁数据的精确度及可靠度。具体为：

一，无人机使用时采用特殊的补偿飞行方式先做补偿飞行，获取补偿系数，补偿无人机本身的磁场干扰，其他的磁场干扰都属于短时波动，后期数据采用滤波平滑处理方式消除各类噪声干扰，以提高地磁数据的精确度和可靠性。

二、无人机及地磁设备采用系留电缆的方式供电，供电设备置于测量船上，可提供48小时以上的工作用电；船载发电机产生220V电流，由船载电源转换器转为高压直流，通过系留电缆传输至机载电源转换器，由机载电源转换器将高压直流转成无人机和地磁设备使用电压，船载发电机的长时间工作可以保证无人机空中滞留时间。

三，将无人机设置在与测量船水平距离200米，高度约20米处，测量船保持东西航向，以保证其他的磁场干扰最小。

四，使用时，电缆大部分浸入海水中以减少无人机飞行载荷。

五、采用高精度GPS定位，以修正海风等其他外界条件引起的无人机位置的偏移。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述海上航磁日变站包括：安装在测量船甲板上的无人机飞行控制系统、主控制系统、船载设备以及安装在无人机上的地磁设备；所述船载设备用于为所述地磁设备和所述无人机供电；所述地磁设备包括横杆、质子磁力仪、机载电源转换器和数据采集存储器；所述数据采集存储器用于获取所述质子磁力仪采集的数据并存储；

所述无人机飞行控制系统与所述无人机相互通讯；所述无人机飞行控制系统用于控制无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；所述主控制系统分别与所述无人机飞行控制系统、所述船载设备、所述地磁设备通讯；

所述横杆固定在所述无人机的底端，且与所述无人机的底面平行；所述质子磁力仪、所述机载电源转换器以及所述数据采集存储器按照重量比布置在所述横杆上以确保所述横杆平衡。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述船载设备包括依次连接的船载发电机、船载电源转换器以及电缆；所述船载发电机用于产生220V交流电；所述船载电源转换器用于将所述220V交流电转换为高压直流电；所述机载电源转换器用于将所述高压直流电转换成无人机使用电压和地磁设备使用电压；所述电缆还与所述机载电源转换器连接。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述船载设备还包括电缆收放装置；所述主控制系统通过控制所述电缆收放装置以实现电缆的收放。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述无人机包括飞行导航模块、动力驱动模块、电力供给模块；

所述飞行导航模块包括GPS导航仪和无线传输单元；所述GPS导航仪用于获取无人机飞行位置信息；所述无线传输单元与所述GPS导航仪连接；所述无人机飞行控制系统与所述无线传输单元连接；

所述动力驱动模块包括顺序连接的伺服作动器、舵机和电机；所述伺服作动器通过所述无人机飞行控制系统发出的命令控制舵机，从而对连接各个旋翼的电机进行转速控制，实现所述无人机的补偿飞行、位置调整以及定点悬停；

所述电力供给模块与所述机载电源转换器连接，所述电力供给模块用于为所述无人机提供电力。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述无人机与所述测量船的水平距离为200米；所述无人机与所述测量船的垂直高度为20米。

6.根据权利要求1所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述无人机为四旋翼无人机。

7.根据权利要求2所述的基于无人机的海上航磁日变站，其特征在于，所述电缆为零浮力线缆。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的一种基于无人机的海上航磁日变站进行地磁测量的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：

主控制系统分别与无人机飞行控制系统、船载设备、地磁设备建立通讯；

所述无人机飞行控制系统还与无人机建立通讯；

所述无人机飞行控制系统控制无人机从测量船甲板上起飞并悬停至指定位置；

所述无人机飞行控制系统控制无人机进行补偿飞行，并在所述无人机进行补偿飞行过程中，质子磁力仪采集无人机自身磁场干扰信息；

待无人机补偿飞行结束后，无人机飞行控制系统控制无人机再次悬停至指定位置，质子磁力仪开始进行海洋地磁测量。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：

地磁设备完成地磁测量工作后，所述无人机飞行控制系统控制无人机返程，所述主控制系统控制电缆收放装置回收电缆。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：

所述无人机控制系统定时通过飞行导航模块获取无人机位置信息，并根据所述无人机位置信息通过动力驱动模块调整无人机位置，以保证地磁数据的精确度和可靠度。