CN112180966A - 一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，包括任务指挥模块、飞行模块、载荷设备模块；本发明能够实现航空广域法勘测作业，解决地面作业的诸多难题，如人员安全，作业效率，甚至人员不可达等。本发明具备大载重，可搭载多任务设备，能过携带三分量传感器，获得三分量磁场向量，及传感器姿态，从而解决了飞行器吊篮低频姿态变化带来的影响。本发明特别适用于高原及大范围勘测工程作业，可以单次起降长航时作业，从而获得了总体工程效率。此外，本发明在任务指挥模块的监控下，保障采集数据的有效性与完备性，为后期地质分析提供可靠的数据基础。

Description

一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统

技术领域

本发明涉及一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，属于航空物探技术领域。

背景技术

广域电磁法已经应用于物探工程实践，是行业内较为常见的地质勘测有效手段之一。在多年的应用中，以电法为主，采用地面安插金属电极的方式，收集大地电场信息。这种方式要求工程施工人员徒步遍历所有测点，收放电极和电缆。如此，需要携带大量金属电极，线缆，及设备。对于苛刻作业环境，尤其高原深谷密林，安全，效率，和成本甚至工程的可行性都受到制约。

采用航空器携带广域电磁采集设备，空中采集磁场信息，利用电磁场相关的原理，可以获得地面电法的等效数据，并且一改过去地面作业为空中作业，从而克服如上的问题。

航空广域法目前处于科研探索阶段。虽然航空物探方法已有多年应用，尤其在欧美国家。但航空广域法尚无成熟的工业应用。目前常见的航空电磁物探方法多采用固定翼飞机（或直升机，多旋翼无人机等）高速移动拖吊线圈传感器，线圈采集磁场标量。线圈的姿态稳定性对结果影响较小。这类方法适用于低分辨率，浅层勘测。而航空广域法采集磁场向量，对传感器的姿态，数据的稳定性要求较高，这是该法能够获得大深度准确地质推演的前提。因此很多场景下，航空广域法必须突破诸多难题。

旋翼类无人机是理想的运载平台之一，但在高海拔大深度工程勘测中遇到了很大挑战。

1. 低速运行。为获得大深度（如2000m）地质数据，广域法要求传感器低速平直运动（1-2m/s），以定点捕获低频信号（如1Hz）。虽然旋翼类无人机可以实现低速运行，但持续低速运行造成飞行器持续处于大功率输出状态，其航时，航程均受到大幅影响。

2. 航时限制。单次起降的航时及航程决定了作业的效率。在大范围（如30km *30km目标区）工程作业中，测线较长，考虑到航速限制，一般电动无人机（低海拔无载荷航时1-1.5小时）必须频繁起降，断续作业。在很多苛刻的环境中，如高原（无载荷航时40-50min），起降点距离测线距离可达2-3km，这使得每次起降有效作业区间仅为飞行总行程的10-15%。即时采用油动或油电混合无人机，对此情况的改善也相对有限，尤其在高原缺氧空气密度底的环境下，燃油发动机的效率骤减。

3. 载重及空间。航空广域法需要载重能力5kg以上的无人机。但这只能满足挂载单一传感器。高原运行，无人机性能大打折扣。若挂载三分量传感器，或为获得更大航程及航时也可以采用大型油动无人机（商载30-50 kg), 而此类无人机多为载货或植保应用，高原场景的商业应用极少，因此民用产品并不易得，不适于工程推广。

采用无人飞艇作为航空载体，可以同时满足低航速，长航时，多任务设备（大空间），大载重等需求。且飞艇的工程及科研应用具有悠久历史，技术成熟稳定。其慢速（0-20km/h)，长航时(>10小时），大载重（50-1000kg），大空间等特性使其能够成为上述应用场景的合理选项。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，包括任务指挥模块、飞行模块、载荷设备模块；

所述任务指挥模块是工程人员管理和监控勘测工程的人机交互平台，具备任务管理与数据分析功能，用于针对不同的勘测目标区域进行初始任务规划，并向飞行模块下达飞行任务，向载荷设备模块下达采集任务，在任务执行中实时获得载荷设备回传的数据，进行数据分析，评估数据有效性及任务完成度，以调整任务规划，直至任务全部完成，任务指挥模块对数据无效区域将重新分配勘测任务，自动发动飞行模块及载荷设备，实现智能指挥和对工程人员的决策辅助；

所述飞行模块由无人氦气飞艇、通信链路及地面控制站组成，以完成飞行运载任务；

所述载荷设备模块装载于飞艇的吊舱内，由三组相互垂直的线圈传感器、AHRS、GPS、控制主机及电池组成；三组线圈传感器的相互位置关系刚性固定，获得三分量磁场强度数据，根据通讯条件，控制主机将采样点GPS数据，3自由度姿态数据以及部分或全部磁通量数据传回任务指挥模块，当不具备通讯条件时，控制主机亦可通过姿态数据对采样有效性做快速判定，在获得通讯条件后，优先选择传输可疑数据段内容，供工程人员判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现航空广域法勘测作业，解决地面作业的诸多难题，如人员安全，作业效率，甚至人员不可达等。

2、本发明具备大载重，可搭载多任务设备，能过携带三分量传感器，获得三分量磁场向量，及传感器姿态，从而解决了飞行器吊篮低频姿态变化带来的影响。

3、本发明特别适用于高原（如川藏铁路建设地质勘测）及大范围勘测工程作业，可以单次起降长航时作业（10-40小时），从而获得了总体工程效率。此外，本发明在任务指挥模块的监控下，保障采集数据的有效性与完备性，为后期地质分析提供可靠的数据基础。

附图说明

图1为本发明系统工作原理图；

图2为本发明航空广域线圈传感器理想匀速直线运动图；

图3为本发明理想测线图；

图4为本发明受气流影响的实际测线图；

图5为本发明往复飞行增加采集密度图；

图6为本发明三分量传感器的其中一种刚性位置关系图；

图7为本发明三分量传感器的另一种刚性位置关系图。

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、完整的阐述。

一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，包括任务指挥模块、飞行模块、载荷设备模块；

所述任务指挥模块是工程人员管理和监控勘测工程的人机交互平台，具备任务管理与数据分析功能，用于针对不同的勘测目标区域进行初始任务规划，并向飞行模块下达飞行任务，向载荷设备模块下达采集任务，在任务执行中实时获得载荷设备回传的数据，进行数据分析，评估数据有效性及任务完成度，以调整任务规划，直至任务全部完成，任务指挥模块对数据无效区域将重新分配勘测任务，自动发动飞行模块及载荷设备，实现智能指挥和对工程人员的决策辅助；

所述飞行模块由无人氦气飞艇、通信链路及地面控制站组成，以完成飞行运载任务；

所述载荷设备模块装载于飞艇的吊舱内，由三组相互垂直的线圈传感器、AHRS、GPS、控制主机及电池组成；三组线圈传感器的相互位置关系刚性固定，获得三分量磁场强度数据，根据通讯条件，控制主机将采样点GPS数据，3自由度姿态数据以及部分或全部磁通量数据传回任务指挥模块，当不具备通讯条件时，控制主机亦可通过姿态数据对采样有效性做快速判定，在获得通讯条件后，优先选择传输可疑数据段内容，供工程人员判断。

本方法利用了飞艇空间大载重能力强的特点，装载了三分量传感系统。其优势在于可以通过磁场三维向量数据和姿态数据获取理想姿态下的任意方向磁场向量。从而解决了低频姿态不稳定引起的传感器姿态随机性问题。这是单分量传感器难以做到的。

飞艇的航向保持能力相对较差，能够造成实际测线与理想测线偏离，产生漏空区。任务指挥系统在获得采集数据回传后会分析漏空区范围，并给予补测飞行任务，如此飞行-监控-补测循环（如图1）。利用飞艇超长航时的特性，自动化往复飞行作业，本方法能够实现围绕理想测线密布采样点，往复飞行补测后，理想测线周围测点分布密度增加，直至达到要求，图中平直的虚线为理想测线（如图5）。

同时，系统将数据无效的采样点同样视为漏空区域，会规划至补测飞行任务中。

飞行任务是随着任务的推进而不断更新和增加的，直至采样数据完全覆盖目标区域，并满足相关的分布特性。

三分量传感器姿态矫正原理；理想姿态：理想姿态是根据广域法发射电磁场的方位所建立的一个特定姿态，该姿态下，X线圈平面与y及z磁场向量平行，X线圈采集数据为x方向磁场向量，如图7所示。Y线圈与Z线圈同理。

图6中xyz为电磁场发射源坐标系，是有发射源布置的方位决定的。理想姿态即为传感器本地坐标系与发射源坐标系保持三轴对应。XYZ传感器处于理想姿态，则X线圈获得x方向磁场向量，Y线圈获得y方向磁场向量，Z线圈获得z方向磁场向量；

在实际测量中，传感器本地坐标系（实际姿态）与xyz。

1、发射源坐标系在ENU地理坐标系中的定义；

在实测中统一采用基于地磁及重力的地理坐标系统，如ENU。发射源本体坐标系xyz与ENU坐标系的关系可以有序三自由度运动定义。假设传发射源坐标系x''y''z''与ENU坐标系三轴重合重合，x''y''z''坐标系通过绕z''轴逆时针旋转ø——偏航（Yaw），获得本地坐标系x'y'z'，绕x'轴逆时针旋转è——俯仰（Pitch），获得本地坐标系xyz,绕y轴逆时针旋转ϕ——滚转（Roll）。此时xyz坐标系即为发射源坐标系，也即理想姿态。

发射源坐标系（理想姿态），以及ENU坐标系，两者关系通过角度ø，è，ϕ定义。

假设某空间采样点磁场向量在ENU坐标系下为n=（x₁,y₁,z₁)； 在理想姿态（发射源坐标系）下传感器测得的磁场向量为a = （x,y,z);

a=M^Tn；

n= (M^T)^-1a；M^T=

M^T为理想姿态与ENU坐标系的坐标关系矩阵；

实测点对应的理想姿态；在工程实测中各测点的姿态是随机的（如图7）。通过陀螺仪，磁力计，加速度计（AHRS系统）及GPS信息的综合解算，实时获得传感器基于地理坐标系（如ENU）的姿态。M^T _b为实测姿态与ENU的关系矩阵，其构建规则同上。假设所获得的实测磁场向量为b，则其对应的该采样点对应的理想姿态下磁场向量为：a=M^T((M^T _b)^-1b))；

本发明解决了以下几个问题：1、姿态稳定性问题；理想的数据采集过程需要传感器保持姿态固定（如图2传感器保持水平并沿测线直线运动），从而获得固定姿态下的磁场向量。如图2所示，线圈可以采测z方向磁场分量。图中xyz坐标系为固定于地面的电磁场发射源坐标系，与地理坐标系ENU并不相同。飞艇运动带来低频的小幅姿态改变继而造成吊篮内采集设备的姿态随之改变。线圈传感器无法在遍历测线时准确保持图2所示姿态，则其采集的数据为随机姿态下的磁场向量，是无法直接用于数据分析的。因此，必须针对飞艇的低频姿态不稳定动力学特性做相应的方案，以获得理想姿态下的磁场向量。

2、航线稳定性问题；理想的测点在测区内均匀分布，测点连接成测线，即为传感器理想的平直运动轨迹，理想测线上均匀分布测点，每测点数据代表其周围特定面积内的均值（如图3）。在采用飞艇长时间慢航速的数据采集中，飞艇的航线保持能力因风的影响而减低。飞艇的动力学特性使得它无法进行快速机动保持航线，因此航线会出现偏离和折曲，实际飞行的航线偏离造成测线形变，形成目标区域漏空（如图4）。这样，测点分布变得不均匀，且有一定随机性，可能造成某些目标区域漏空，造成后期分析的数据缺失难题。

3、作业（数据）有效性问题；飞艇吊篮可能受到振风影响，产生瞬间剧烈姿态改变。而此时可能造成采集设备超出工作范围，数据无效。数据无效的危害是影响作业的完整性，如不能合理规划补测，可能造成巨大的附加工程成本，以及工期影响。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种飞艇长航时随机测点三分量航空广域勘测系统，其特征在于，包括任务指挥模块、飞行模块、载荷设备模块；

所述任务指挥模块是工程人员管理和监控勘测工程的人机交互平台，具备任务管理与数据分析功能，用于针对不同的勘测目标区域进行初始任务规划，并向飞行模块下达飞行任务，向载荷设备模块下达采集任务，在任务执行中实时获得载荷设备回传的数据，进行数据分析，评估数据有效性及任务完成度，以调整任务规划，直至任务全部完成，任务指挥模块对数据无效区域将重新分配勘测任务，自动发动飞行模块及载荷设备，实现智能指挥和对工程人员的决策辅助；

所述飞行模块由无人氦气飞艇、通信链路及地面控制站组成，以完成飞行运载任务；

所述载荷设备模块装载于飞艇的吊舱内，由三组相互垂直的线圈传感器、AHRS、GPS、控制主机及电池组成；三组线圈传感器的相互位置关系刚性固定，获得三分量磁场强度数据，根据通讯条件，控制主机将采样点GPS数据，3自由度姿态数据以及部分或全部磁通量数据传回任务指挥模块，当不具备通讯条件时，控制主机亦可通过姿态数据对采样有效性做快速判定，在获得通讯条件后，优先选择传输可疑数据段内容，供工程人员判断。

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