KR20120123078A - 이동식 플랫폼 위의 센서용 안정화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 안정화된 필드 센서 장치가 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터, 특히 자기장 데이터를 수집한다. 상기 장치는: 눈물방울 형태의 하우징; 상기 하우징 내의 견인 프레임; 프레임 주위에서 거리가 떨어져 있는 복수의 진동 분리 댐퍼; 상기 댐퍼에 장착된 베이스 어셈블리; 상측 자유 단부와 베이스 어셈블리에 고정된 바닥 단부를 가진 지지 페데스탈; 상기 지지 페데스탈의 상측 자유 단부에 연결된 단일 구형 에어 베어링; 하나의 점 지지를 위해 에어 베어링 상에서 지지된 상측 내부 정점을 가진 중공 구조의 하측 깔때기를 가진 기기 플랫폼; 피벗회전 및 회전 안정성을 유지하기 위해 제 1 및 제 2 자이로 스태빌라이저, 및 하우징으로부터, 견인 프레임으로부터, 베이스 어셈블리로부터, 진동, 피벗회전 및 회전을 포함하는 모션 노이즈에 대해 안정화되면서도, 필드 데이터를 수집하기 위해 기기 플랫폼에 장착된 하나 이상의 필드 센서를 포함한다.

Description

이동식 플랫폼 위의 센서용 안정화 시스템{STABILIZATION SYSTEM FOR SENSORS ON MOVING PLATFORMS}

본 발명은 센서 지지체(sensor support) 분야, 구체적으로는, 모션 노이즈(motion noise)에 의해 영향을 받지 않고도, 1 Hz 내지 25 Hz의 대역에서 특별한 저주파 자기 측정 데이터를 포함하는 광대역 벡터 자기 필드 데이터를 지속적으로 수집하기 쉽게 하기 위한 신규하고 유용한 자기계 안정화 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 항공, 지상 또는 수중 차량으로부터 액티브 또는 패시브 전자기 기술을 사용하여 미네랄 자원 채굴(prospecting)에 특히 유용하다.

본 발명에 의해 제기된 문제점은 항공기(종종 비행체(bird), 드론(drone) 또는 소노드(sonode)로 지칭됨)에 의해 견인되거나(towed) 또는 지상 또는 수중 차량에 장착되는 수송 하우징에 장착된 센서들에 의해 1 Hz 내지 10 kHz 이상의 주파수 범위에서 시간-가변 자기장(time-varying magnetic field)을 지속적으로 벡터 측정하는 데(continuous vector measurement) 있다. 위에서 언급한 자기장은 지구를 통해 흐르는 이러한 주파수들에 있는 전류들에 의한 전자기 유도(electromagnetic induction; EMI)의 결과로서 생성된다. 자기장은 트랜스미터(transmitter) 및 안테나(제어-공급원 시스템(controlled-source system))로부터 나온 "제 1(primary)" 자기 시그널에 의해 또는 지구의 이온층(inosphere)으로부터 굴절되거나(reflected) 혹은 지구의 이온층(패시브 또는 자연적인 필드 시스템) 내에서 형성된 자연적인 시간-가변 지자기장(natural time-varying geomagnetic field)에 의해 유도된다. 이렇게 유도된 자기장들은 지구가 소유한 일정한 지자기장에 비해 현저히 약하다. 정지 상태에 있는 플랫폼(stationary platform) 상에서는 약한 시간-가변 성분들이 강력한 지자기장과 쉽게 구분되지만, 이동식 플랫폼(moving platform) 상에서는 일정한 자기장 내에서 벡터 센서(vector sensor)가 회전 운동하여 센서 출력(sensor output)이 변형될 것이며, 이에 따라 전자기 유도에 의해 형성된 시간-가변 필드와 구분되지 않을 수도 있다. 회전으로 인한 센서 출력의 일부분은 일반적으로 "모션 노이드(motion noise)"로 지칭되는데, 엄밀히 말하면 회전 운동이지 회전 운동을 일으키는 센서의 선형 가속도(linear acceleration)가 아니다.

관측된 자기장들을 통해 지구에서 전기전도율(electrical conductivity)의 시간-가변 성질("분극(Polarization)")의 특징을 가지고 지구에서 향상된 전기전도율을 가진 영역("컨덕터(Conductor)")들을 탐지하기 위하여 전자기 유도 기술을 이용하는 지구물리적 탐사(geophysical exploration)에서 다양한 장치들이 사용된다. 이러한 전자기 유도 측정 데이터들은, 종종, 미네랄(mineral) 및 석유 매장량(petroleum doposit), 지면(ground), 대수층(aquifer) 및 오염 플룸(contamination plume)에서의 암석(lithological) 및 구조 변동(structural variation), 그리고 인간이 만든 물품, 가령, 펜스(fence), 파이프라인(pipeline), 병기(ordnance) 및 귀중품(treasure)을 진단한다(diagnostic). 대부분의 전자기 유도 지구물리학적 시스템의 공통적인 특정은 약하며 시간-가변 자기장을 측정할 필요가 있는 점인데, 다수의 시스템들은 각각이 완전한 시간-가변 자기장 벡터를 재구성하도록 상이한 방향(종종 수직임)에서 자기장의 성분에 대해 민감한(sensitive) 3개의 센서 세트를 사용한다.

본 발명에서 해결하도록 계획된 문제점은 지구의 자기장과 비슷한 정적(static) 또는 저주파 필드를 통해 이동되는 하우징에 자기 센서가 고정된 모든 경우에서 발생된다. 선형 가속도(linear acceleration)가 문제가 아니지만, 센서의 회전 가속도(rotational acceleration)는, 추가로, 센서가 고정된 배열방향(fixed orientation)에 고정될 경우 얻어질 수 있는 시간-가변 시그널(time-varying signal)을 생성한다. 본 발명이 항공기로부터 견인된 하우징 내에서 전개될 수 있도록(depolyed) 하기 위한 것이지만, 정적 배경 필드(static background field)가 항상 존재하기 때문에 벡터 성분 자기장 데이터가 임의의 이동 차량으로부터 수집되는 모든 경우에서 유용할 수 있다. 이러한 차량들은 우주선(spacecraft), 항공기, 지면 및 지하 차량, 해양 및 수중 차량, 또는 임의의 패시브 또는 액티브 드론 혹은 이러한 차량에 결부되거나(attached) 또는 이러한 차량으로부터 견인된 플랫폼을 포함한다. 또한, 본 발명은 진동과 같은 효과들에 의해 회전 운동이 유도될 수 있거나 혹은 자기장이 이동식 부분, 가령, 기계장치의 일부분 상에서 측정될 수 있는 고정 위치에 있는 자기장 센서들에 관한 것이다.

다수의 센서 기술들은 자기장의 민감한 연속 측정(sensitive continuous measurement)들을 위해 사용가능하다. 이 전자기 유도 측정 시스템들에서 사용하기에 가장 적합한 센서는, 가능하게는 지구의 지자기장과 같은 장기간 일정한 필드 성분을 포함하거나 (또는 이러한 필드 성분을 포함하지 않는), 특정 범위의 주파수에 걸쳐 자기장의 한 공간 성분(spatial component)을 기록하는 벡터 센서(vector sensor)이다. 다음에 기술되는 내용에서, 본 명세서에서는 용어 "자기계(magnetometer)" 또는 상기 센서 타입의 임의의 센서가 사용되지만, 이러한 용어들은 종종 오직 실질적으로 일정한 지자기장을 측정하기에 적절한 기기에만 사용되는 것을 의미하며, 시간-가변 필드들을 감지하기 위한 측정 데이터들은 코일에서 전자기 유도를 사용하며 이에 따라 때때로 자기계로서 지칭되지 않을 수도 있다는 사실을 이해해야 한다.

본 명세서에서 고려되는 발명에서, 센서 시스템의 하우징은 종종 횡단선(traverse line)을 따라 항공기 후방 또는 하부에서 견인된다. 이러한 방식으로 견인되는 기존의 종래 기술의 장치들에서, 센서들은 패시브 방식으로 감쇠된 서스펜션(passively damped suspension) 위에서 하우징 내에서 지지된다. 이러한 서스펜션에서 감쇠력(damping force) 및 복원력(restoring force)은 센서를 하우징에 대해 배열상태를 대략적으로 유지하면서도 회전 노이즈를 감소시키는 기능을 가지며, 상기 서스펜션을 튜닝(tuning)하면 상기 두 기능을 절충하게 된다. 25 Hz보다 훨씬 밑에 있는 주파수에서, 이러한 서스펜션은 유용한 전자기 유도 측정을 수행할 수 있기에 충분한 회전 분리(rotational isolation)를 제공하지 않는다. 이에 따라, 기존 시스템을 이용하여 25 Hz보다 훨씬 더 밑에 있는 낮은 작동 주파수를 사용하려고 노력하지만, 그 결과 수용할 수 없는 수준의 노이즈가 발생된다.

본 명세서에서 추후에 설명하는 것과 같이, 본 발명은 선형 가속도 및 회전 가속도를 감소시키도록 상당히 통상적인 외측 진동 분리 시스템(vibration isolation system)을 사용하지만, 이 외에도, 실질적으로 감쇠력 또는 복원력이 없는 회전 분리용 내측 시스템을 추가하여 종래 기술에 비해 신규하고, 바람직하며 예상치 못한 이점들을 형성한다.

액티브 및 패시브 자이로스코프 방법(active and passive gyroscopic method), 저-마찰, 높게 균형잡힌(highly-balanced) 짐발(gimbal), 및 구형 베어링(spherical bearing)을 포함하여, 모든 종류의 회전-안정화(rotationally-stabilizing) 기기 플랫폼(instrument platform)에서 보조하기 위해 제공되는 다수의 방법들이 존재한다. 항공 지구물리학(airborne geophysics)에서는, 항공 중력(airborne gravity) 및 중력 구배(gravity gradient)를 측정하는 데 있어서 자이로 안정화 플랫폼(gyro stabilized platform)들이 사용되는데, 이러한 기술들을 위해 여러 특허가 존재한다. 하지만, 이러한 시스템들은 회전 가속도보다는 선형 가속도를 제거하는 데에 초점을 맞춘다. 전자기 유도 측정법에 있어서, 보다 더 문제가 많은 것은 회전 가속도이다. 내부 분리 시스템은 3개의 독립 기술; 즉 언댐핑된(un-damped) 단일 지점(single-point) 서스펜션, 동적 밸런싱(dynamic balancing) 및 관성 자이로스코프 안정화 기술(inertial gyroscopic stabilization)을 조합하여 회전 가속도를 제거하는데 초점을 맞춘다.

배열방향 안정화 기술(orientation stabilization)의 문제점은 이동식 플랫폼 위에 장착된 카메라가 영상(image)을 사용할 수 없게 만드는 원치 않는 회전 운동에 놓이는 영화 산업에서 제기된다. 본 발명은 영화 산업에서 개발된 것과 같은 기본적인 자이로 안정화 기술을 사용한다. 하지만, 영화 산업에서 사용되는 안정화 방법들은 충분히 정밀하지 못함며 이에 따라 본 발명의 목적에는 부합하지 않는다.

이에 따라, 상기 기술들은 두 가지 주된 방향으로 변형된다. 첫 번째로는, 마운트(mount)와 상기 마운트가 수용되는 어셈블리(assembly)가 균형이 잡히는(balanced) 수단의 디자인에 의해 유용한 전자기 유도 측정을 위해 필요한 노이즈 레벨(noise level)을 구현할 수 있도록 하기 위하여, 보다 정밀하게 안정화된다. 둘째로는, 초-민감한(ultar-sensitive) 자기 센서 상에서 전자기-노이즈 영화 안정화 장치(electromagnetically-noisy cinematic stabilization equipment)의 효과를 최소화시키기 위해 추가적인 자기 실딩 기술(magnetic shielding technique)이 사용된다.

그 외에도, 부상분리법(floatation), 에어 베어링(air bearing), 번지 서스펜션(bungee suspension), 스프링 및 쇽 업소바(shock absorber) 조합 및 액티브 시그널 상쇄(active signal compensation)를 포함하는 잘 알려져 있는 선형 모션-분리 기술들이 존재한다. 또한, 선형 모션-분리 기술은 불완전하게 균형잡힌(imperfectly balanced) 기기 플랫폼에 이러한 선형 가속도가 가해진 결과로 플랫폼의 토크가 줄어듬으로써 회전 안정성(rotational stability)을 향상시킬 수 있다. 이와 비슷하게, 플랫폼의 밸런스를 향상시킴으로써 회전 안정성이 추가로 향상된다.

본 명세서에서 고려되는 발명은 3개 이상의 방법에 있어 기존의 장치들과 상이하며, 이 3개 이상의 방법들은 본 명세서에서 추후에 자명해 질 것이다. 회전 분리 해결책인 첫 번째 방법에서는, 기존 시스템에서 사용되는 감쇠력 및 복원력이 필요 없다. 대신, 센서들은 단일 구형 에어 베어링 상에서 자유로이 부유할 수 있게 하는 견고한(rigid) 기기 플랫폼에 고정된다(fastened). 따라서, 어셈블리는 정밀한 회전 중심 주위에서 임의의 방향으로 자유로이 회전하며 플랫폼의 하우징이 하부에서 회전하면서도 지구의 정적 배경 지자기장(static background geomagnetic field)에 대한 배열방향(orientation)을 유지할 수 있다. 이러한 접근법에 따르면, 서스펜션이 기계적인 작동 범위 내에 유지될 수 있도록 제공되는 한, 하우징에 대한 기기 패키지(instrumentation package)의 방향을 유지하는 것이 중요하지 않다. 독립 AHRS(Attitude and Heading Recording System)이 상용 구매가능하며, 본 발명에서는, 지질학적 기준 프레임(geographic reference frame)에 대해 그리고 하우징에 대해 센서의 배열상태(orientation)의 트랙(track)을 유지하도록 사용된다. 기존의 모션 분리 시스템에서 고유한(inherent) 감쇠 마찰력과 복원력 없이도, 본 발명은 하우징의 회전 지터(rotational jitter)에 의해 야기된 저주파 노이즈를 현저히 개선시킬 수 있다.

본 명세서에서 고려되는 발명이 기존 장치와 상이한 두 번째 방법에서는, 기기 플랫폼의 무게 중심을 기기 플랫폼의 회전 중심에 정확하게 유지하는 동적 밸런싱 시스템(dynamic balancing system)을 일체로 구성함으로써(incorporating) 기기 플랫폼의 동적 불균형 문제가 다뤄진다. 이 시스템은 각각의 센서에서 각각의 진동기(vibrator)의 작동에 의해 유도된 회전 노이즈의 수준을 평가하기 위해(assess) 고정 주파수(fixed frequency)에서 진동하는 액티브 부재(active member)를 사용하는 신규한 디자인이다. 최소 노이즈를 달성할 수 있도록 하기 위해 피드백 루프(feedback loop)에서 밸런스 매스(balance mass)를 조절하도록 상기 정보를 이용한다.

본 명세서에서 고려되는 발명이 기존 장치들과 상이한 세 번째 방법에 따르면, 민감한 전자기 유도 센서들에 가깝게 근접해 있는 전자기 노이즈 장치(electromagnetically noisy device)를 사용하는 문제들을 다루면서도, (영화 산업에서 사용되는) 몇몇 자이로 스태빌라이저(gyro stabilizer)를 추가함으로써 회전에 대한 추가적인 저항(resistance)이 통합될 수 있게 한다.

항공기로부터 전자기 유도의 루틴 측정법(routine measurement)에 대한 산업이 존재한다. 이 산업에는 고정익 항공기(fixed-wing aircraft)으로부터 작동되는 Geotem, Spectrem 및 Tempest 시스템 및 Heli-Geotem, VTEM(Morrision씨 등에게 허여된 미국 특허 7,157,914호를 참조하라), Aerotem, THEM, Skytem 및 헬리콥터 하부에서 견인되는 Dighem 타입의 시스템을 포함하는 다수의 상용 제어-공급원 시스템이 제공된다. 이들 모두는 한 수준(degree) 또는 또 다른 수준에 대한 회전 노이즈 문제점들을 가지며, 모두 한 형태(form) 또는 또 다른 형태의 댐퍼 및 복원력을 사용하는 몇몇 형태의 패시브 센서 회전 컨트롤장치를 이용한다. 이들은 자이로 안정화 기술을 사용하지 않는다. 이들은 모션-유도된 노이즈(mmotion-induced noise)가 매우 높기 때문에 25 Hz 미만의 주파수에서 작동되지 않는다.

패시브(자연 필드(natural field)) 항공 전자기 측정법은 저주파에서 제어-공급원 시스템과 같이 모션-유도된 노이즈에 대한 똑같은 감응도(susceptibility) 문제를 가진다. 이들은 Ward씨에 의해 AFMAG 시스템을 사용하여 제공된다 (Geophysics, Vol. XXIV, No. 4 (1959년 10월), pp. 761-789). 더 최근에는, Geotech에 따라 30 - 6000 Hz 주파수 대역에서 작동되는 ZTEM 시스템을 사용하여 패시브 측정법이 제공된다. 2006년 호주 멜버른의 AESC 컨퍼런스에서 Lo씨 등의 "Field Tests of Geotech's Airborne AFMAG EM System"을 참조하라. VLF-EM은 다수의 항공 측량(airborne survey)에 공통적인 패시브 전자기 시스템이다. VLF-EM은 10 kHz 위에서 작동한다. VLF 대역에서, 이러한 주파수들에서 항공기의 배열상태가 안정적이기 때문에 모션 노이즈는 중요하지 않다.

Barringer씨에게 허여된 미국 특허 6,765,383호(2002)는 견인된 비행체(towed bird)를 사용하여 3 내지 480 Hz 범위에서 작동하는 항공 지구자기장 측량 시스템(airborne magnetotelluric survey system)을 기술한다. Barringer씨의 시스템이 작동할 수 있다고 믿는 지구물리학자들은 것의 없다. 이 시스템에서, 3개의 수직 축 유도 코일(orthogonal axis induction coil)과 전체 필드 자기계를 사용하여 자기장이 측정된다. 코일 배열방향에 있어서 각 변화(angular change)를 위한 시그널을 상쇄하고(compensate) 비행체 모션을 기록하기 위해 제한된 감응도(limited sensitivity)를 가진 상업용 표준 각운동 센서가 사용된다. 하지만, 비행체의 모션은 코일의 모션으로부터 분리되지 않았다. 역시 Barringer씨에게 허여된 미국 특허 7,002,349호(2006)는 이와 유사한 윙팁 시스템(wingtip system)을 기술한다.

Zandee씨에게 허여된 미국 특허 4,629,990호(1986)는 제어-공급원 항공 시스템에서 트랜스미터 및 리시버의 상대 위치를 교정하기 위해 저주파 (30 Hz 미만) 전자기장을 사용하는 방법에 대해 기술하지만, 지구에서 유도된 전류 때문에 분산되는 전자기장을 측정하기 위해 저주파 데이터를 사용할 가능성이 희박하다.

관성 안정화 플랫폼(inertially stabilized platform)으로부터 비-전자기 항공 지구물리학적 측정법 기술(Non-electromagnetic airborne geophysical measurement)이 제공된다. Sander Geophysics의 Airgrav 항공 중력 시스템(airborne gravity system)은 3-축 Schuler-튜닝된(3-axis Schuler-tuned) 관성 안정화 플랫폼으로부터 중력을 측정한다. van Leeuwen씨등에게 허여된 미국 특허 6,883,372호는 호주, 멜버른의 BHP Billiton Innovation Pty Ld.의 중력 구배 측정기(gravity gradiometer)의 비슷한 기술을 개시한다. 그 외의 다른 항공 중력/중력 구배 측정기 시스템들은 Bell Geospace, Arkex 및 New Resolution Geophysics에 의해 작동된다. RTZ에 의해 개발된 중력 구배 측정기는 Van Kann씨 등에게 허여된 미국 특허 5,804,722호 및 5,668,315호에 기술된다.

또 다른 특허 출원에서, Abernathy씨에게 허여된 미국 특허 7,298,869호는 자이로-안정화된 항공 멀티-스펙트라 지구 이미지 시스템(gyro-stabilized airborne multi-spectral earth imaging system)을 기술한다.

Van Steenwyk씨 등에게 허여된 미국 특허 6,816,788호(2003)는 보어홀 회전 환경(borehole rotary environment)에서 사용하기 위한 관성 안정화 자기계 측정 장치(inertially stabilized magnetometer measuring apparatus)를 기술한다. 상기 특허에서, 보어홀에서 자기 및 중력 성분 측정법 기술이 제공된다. 자기 센서들이 보어홀의 축에 대해 수직인 자기장의 성분들을 측정하며, 보어홀 축 주위로 관성 각운동을 감지하기 위해 자이로스코프가 사용된다. 자이로스코프의 목적은 각회전 데이터를 측정하기 위해 관성 기준(inertial reference)을 제공하는 데 있다. 상기 관성 기준은 프로브(probe)의 회전을 정확하기 측정하기 위해 사용되거나, 혹은 센서가 안정적인 배열상태를 유지하도록 하는 회전 구동 메커니즘(rotary drive mechanism)을 조절하도록 하는 기준(reference)을 제공하기 위해 사용된다.

이와 유사한 특허인, Van Steenwyk씨 등에게 허여된 미국 특허 6,651,496호는 보어홀 내의 프로브를 위한 회전 정보를 얻기 위해 자이로스코프를 사용하여 회전 정보가 센서들의 배열방향(orientation)을 교정하도록 사용될 수 있는 방법에 대해 기술한다. 두 경우 모두, 지구에서 유동하는 시간-가변 전류들에 의해 야기되는 자기장들이 아니라 오직 지구의 정적 자기장(static magnetic field) 만이 측정되었다.

Turner씨 등에게 허여되고 호주 The Broken Hill Proprietary Company Limited사에 양도된 미국 특허 6,369,573호(BHP - 2002)는 센서 회전을 감소시키기 위한 방법을 사용하는 전자기 미네랄 채굴에 사용하기 위한 견인된-비행체를 기술한다. 상기 특허의 목적은 전류 효과(current effort)와 비슷하지만, 접근법은 복원력(스프링) 및 댐퍼(유체)를 사용하는 패시브 분리 방법(passive isolation method)를 이용한다. 상기 BHP 장치는 2개의 고정된 구형 쉘(spherical shell)로 구성된다. 내측 및 외측 쉘 사이에는 액체가 함유되어 있으며 구체(sphere)가 개구(opening)을 가지는데, 상기 개구를 통해 지지 스트링(support string)들이 구체 내의 내측 지점에 고정시키도록 돌출된다. 상기 스트링들은 지지 구체 내의 내측 지점에 연결된 한 단부와 스프링에 연결된 다른 단부를 가진다. 상기 스프링은 스프링의 감쇠 운동(damping movement)을 위한 댐퍼를 포함한다. 내측 쉘과 외측 쉘 사이에 있는 공동(cavity)에 배플(baffle)이 배열되고, 액체의 감쇠 운동을 위해 상기 배플 내에 액체가 함유되어 있다.

Henderson씨 등에게 허여된 미국 특허 5,117,695호(1995)는 감쇠에 관련된 개념을 이용하며 감쇠 유체(damping fluid)를 사용하는 가속도계(accelerometer)와 같은 단일 축 기기(single axis instrument)를 보호하도록 설계된 어셈블리를 사용하는 진동 감쇠 방법에 대해 기술한다.

최근에, 그 외의 다른 전자기 채굴 특허들이 Dupius씨 등에게 등록되었으며(미국 특허 7,375,529호 참조), 이들은 자기계에 의해 얻어진 자기 플럭스(magnetic flux)의 양을 증가시키기 위해 다수의 코어(multiple core)를 이용한다.

미국 특허 7,397,417호(2008)에서, Jackson씨는 65 kHz - 12 kHz 범위에 있는 자기-저항 센서(magneto-resistive sensor)를 사용하는 패시브 지구물리학적 채굴 장치를 기술한다.

Klinkert씨의 미국 특허 6,244,534호는 트랜스미터를 수용하기 위해 조작된 자세-제어 표면(manipulated attitude-control surface)을 가진 유선형 비행체(streamlined bird)를 사용하는 항공 채굴 시스템을 기술한다. 상기 비행체의 피치(pitch)는 다수의 견인 로프(tow rope)에 의해 조절될 수 있으며, 리시버는 같은 비행체 또는 또 다른 비행체 내에 있을 수 있다. 상기 비행체는, 선택적으로, 모터와 개별 프로펠러를 가진다.

Whitton씨 등의 공개된 미국 특허출원 US 2003/0169045호는 개별적인 강서의 버킹 & 리시버 코일 어셈블리(bucking & receiver coil assembly)와 강성의 트랜스미터 루프를 사용함으로써 온-타임(on-time) 전자기 측정 데이터를 측정하기 위한 방법을 기술한다. 이 발명은 패시브 댐핑(passive damping)을 이용한다.

자립식 자이로스포크 스태빌라이저(self-contained gyroscopic stabilizer)에 대한 다수의 특허가 존재한다. 본 명세서에 기술된 구체예에 사용되는 장치들은 Kenyon Laboratories에서 제작하였으며 Theodore Kenyon씨에게 허여된 미국 특허 2,811,042호(1957)에 기술된 원리들에 따라 작동한다.

본 발명은 4개의 기본적인 기계 시스템, 공압식, 기계식, 전자식 및 연산 장치들을 포함하는 다수의 보조 시스템 및 성능을 최적화하기 위한 다수의 알고리즘으로 구성된다.

기계 시스템( Mechanical Systems )

본 발명은 4개의 고정되고 결합된 기계 시스템을 사용한다. 이들 시스템은 각각 기계적 분리(mechanical isolation)에 대해 서로 다른 기능을 가진다. 이 시스템들 중 최내측 시스템은 데이터 수집 시스템과 센서를 지탱하는 회전-안정화된 기기 플랫폼(rotation-stabilized instrumentation platform)이다. 최외측 시스템은 대략적으로 눈물방울 형태를 가진 하우징이다. 이 하우징의 기능은 대기 요소(atmospheric element)들로부터 내측 시스템들을 보호하고 1 Hz 이상의 최소의 난류-유도된 진동(turbulence-induced vibration)을 유발하는 견인을 위한 형태를 제공하는 데 있다. 하우징은 비행 특성(flight characteristics)을 조절하기(trim) 위해 핀(fin)들과 같은 제어 표면(control surface)들을 이용할 것 같지만, 이것은 상기 기능과 본 발명의 신규성에 대한 핵심이 아니기 때문에 도면에서는 도시되지 않았다.

하우징은 견인 프레임(tow frame)에 결합된다. 상기 견인 프레임은 2개의 최내측 시스템을 지탱하며 수평의 회전축을 통해 하우징에 결합되며, 비행 동안 하우징의 받음각(angle of attack)에서 변화가 발생하면서도 견인 프레임이 피치각(pitch angle)을 유지할 수 있게 한다. 견인 프레임의 핵심적인 구조적 구성요소는 진동 분리 댐퍼(vibration isolation damper) 세트를 통해 모든 내측 시스템들을 지지하는 대략 수평의 원형 링(ring)이다. 상기 댐퍼들은 견인 케이블(tow cable)에서 인장 상태에 있는 변화(variation)들로부터 그리고 공기역학적 난류(aerodynamic turbulence)로부터 내측 시스템들에 전달된 진동을 현저하게 줄인다.

베이스 어셈블리(base assembly)가 견인 프레임에 대해 내부에 위치되며, 진동 댐퍼를 통해 바스켓 형태의 구조물이 견인 프레임에 결부된다(attached). 베이스 어셈블리의 목적은, 조합된 2개의 내측 시스템의 무게 중심이 대략 견인 프레임의 원형 링의 중심에 배치되는 위치에서 기기 플랫폼을 지지하는 단일-피벗회전-지점-에어 베어링(single-pivot-point-air bearing)을 위해 하부로부터 지지하는 데 있다.

최내측 구조물은 뒤집힌 깔때기(inverted funnel) 형태를 가진 기기 플랫폼이다. 상기 기기 플랫폼은 베이스 어셈블리에 결부된 페데스탈(pedestal)의 상측에 위치된 단일 구형 에어 베어링을 통해 베이스 어셈블리에 결합된다. 에어 베어링은 실질적으로 마찰이 없다(virtually frictionless). 기기 플랫폼의 높은 관성모멘트에 의해 보조되고 베어링의 회전 지점 주위에서 모든 세 방향으로 거의 완벽한 밸런스에 의해 보조되어, 기기 플랫폼과 베이스 어셈블리 사이에 매우 높은 수준의 회전 디커플링(rotational decoupling)을 제공한다. 기기 플랫폼은 지지 칼럼(support column) 주위에서 롤링(roll) 및 피치(pitch) 방향에서 약 25°의 자유 각운동(angular free travel)을 가지며 요잉(yaw)에서 완전한 자유도(complete freedom)를 가진다. 기기 플랫폼은 전체적으로 자유롭게 부유할 수 있으며(float totally freely), 파워(power)가 없기 때문에, 공기 또는 그 외의 다른 기계식 연결부(mechanical connection)가 기기 플랫폼을 외부에 링크 연결한다(linking).

보조 시스템( Ancillary Systems )

공압식 시스템(Pneumatic) - 베이스 어셈블리 위의 다수의 작동 장치(actuating device) 뿐만 아니라 제 1 에어 베어링(principal air bearing)이 80-100 psi 압력에 있는 압축 공기에 작동한다. 이러한 시스템들을 위한 공급(feed)은 공기배관(air line)인데, 이 공기배관은 도면에서는 도시되어 있지 않다. 공기배관은 견인 차량에서 시작되거나(originate) 또는 견인 차량 밑에서 시작되며 견인 케이블을 위한 픽업 지점(pickup point)으로서 제공되는 회전 액슬(rotatable axle)들 중 하나를 통해 하우징 내로 들어간다. 공기배관은 견인 프레임으로부터 베이스 어셈블리로 안내되어(conducted) 진동 댐퍼들에 의해 유도된 임의의 상대 운동들을 수용하기에 충분히 느슨하게 한다(slank).

자이로 스태빌라이저(Gyro Stabilizers) - 본 발명은 기기 플랫폼 위에 위치된 3개의 자이로 스태빌라이저를 포함한다. 상기 자이로 스태빌라이저는 각각 자기 실드(magnetic shield) 내에 자체적인 인버터(inverter)와 배터리 팩(pack)으로 포장된다(packaged).

데이터 수집 시스템(Data Acquisition System) - 본 발명은 기기 플랫폼 위에 위치된 4-채널 데이터 수집 시스템을 포함한다. 데이터 수집 시스템은 3개의 벡터-성분 자기계로부터의 아날로그 입력(analogue input) 뿐만 아니라 GPS로부터의 PPS(pulse-per-second; 초당 펄스) 시그널을 수용하며 이들을 견인 플랫폼 위에 위치된 무선 라우터(wireless router)에 전송한다. 데이터 링크(data link)는 LAN 케이블을 따라 견인 플랫폼으로부터 견인 차량으로 이어질 것이다.

내장 컴퓨터(Embedded Computer) - 본 발명은 기기 플랫폼 위에 위치된 내장 컴퓨터를 포함한다. 내장 컴퓨터는 밸런스 매스(balance mass)의 위치를 조절하고 데이터를 AHRS 장치로부터 견인 프레임 위에 위치된 무선 라우터로 전송하는 2중 기능을 가진다.

동적 밸런싱 시스템( Dynamic Balancing System )

본 발명은 동적 밸런싱 시스템을 포함하는데, 상기 동적 밸런싱 시스템은:

a) 에어 베어링 바로 밑에서 베이스 어셈블리 위에 위치되고 수직으로 배열된 3개의 선형 진동기(linear vibrator);

b) 기기 플랫폼 위에 위치되고 서로 수직으로 배열된 3개의 선형 액츄에이터(linear actuator); 및

c) 밸런스 매스의 위치를 조절하고, 플럭스 게이트 자기계(flux gate magnetometer)와 일체로 구성된(incorporating) AHRS 장치로부터 데이터를 수집하며, 견인 프레임 위에서 무선 라우터를 가진 무선 링크를 통해 견인 차량 내에 있는 PC와 통신하기 위한 내장 컴퓨터를 포함한다.

상기 동적 밸런싱 시스템은 3개의 진동 방향들 중 각각의 방향으로 3개의 고정 주파수에서 인위적 진동(artificial vibration)을 제공함으로써 작동된다. 제 1 센서(primary sensor)들로부터 나온 자기 데이터는 기기 플랫폼이 완벽하게 균형 잡히지 않은(not perfectly balanced) 경우 이러한 진동 작용을 감지할 것이다. 비선형 최적화 알고리즘(non-linear optimization algorithm)이 견인 차량 내에 있는 PC에서 실행될 것이며 기기 플랫폼의 매스 밸런스를 최적화시키기 위해 내장 컴퓨터에 명령들을 전송할 것이다. 이 알고리즘은 기기 플랫폼의 자세(attitude)를 대략적으로 수직 배열상태로 유지하고 이에 따라 롤링과 피치에 있어 한계(limit)에 도달하는 것이 방지되도록 밸런스에 있어서 약간의 편차 상태(slight bias)를 유지하기 위해 제공된다.

본 발명을 특징짓는 여러 신규성들이, 특히 본 명세서의 일부분을 형성하며 본 명세서에 첨부된 청구항들에 나타난다. 특정 목적들과 작동 이점들은 사용법(use)에 의해 구현되며, 본 발명을 좀 더 잘 이해하기 위하여, 본 발명의 바람직한 구체예들이 예시되어 있는 첨부된 도면들과 상세한 설명을 참조하면 된다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 한 구체예에 따른 안정화 시스템을 도시한 횡단면도이다.
도 1b는 하부에 배열된 구조물이 보이도록 하우징이 투명한 도 1a의 안정화 시스템을 도시한 투시도이다.
도 1c는 도 1a에 예시된 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 견인 프레임을 도시한 투시도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 구체예의 베이스 어셈블리를 도시한 상측 투시도이다.
도 2b는 베이스 어셈블리의 베이스 플레이트의 바닥을 보여주는 도 2a의 베이스 어셈블리를 도시한 하측 투시도이다.
도 2c는 진동하고 있는 공압식 3축 액츄에이터를 보여주는 도 2a 및 2b에 있는 지지 페데스탈의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다. 압축 공기 또는 가스의 공급원은 도시되지 않는다.
도 3a는 도 1a의 구체예에서 기기 플랫폼을 도시한 투시도이다.
도 3b는, 본 발명의 적층형 기기 모듈과 메인 필드 센서들의 상대 위치들을 보여주기 위해 플랫폼 구조물이 제거된, 기기 플랫폼의 작동 부분들을 도시한 투시도이다.
도 3c는 본 발명의 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저 모듈의 위치들을 보여주는 기기 플랫폼의 스템 부분의 일부를 도시한 투시도이다.
도 3d는 플랫폼을 도시한 측면 입면도이다.
도 3e는 도 3d로부터 원(3E)에서의 상세하게 도시한 확대도이다.
도 4a는 제 1 자이로 스태빌라이저를 가진 적층형 기기 모듈을 포함하는 기기 플랫폼의 스템 부분을 도시한 투시도이다.
도 4b는 라디에이터 핀, 라디에이터 플레이트 및 뮤-메탈 자기 실드를 보여주는 적층형 기기 모듈들을 도시한 투시도이다.
도 4c는 라디에이터 핀과 플레이트가 제거된 적층형 기기 모듈들을 도시한 투시도로서 노출된 뮤-메탈 자기 실드를 보여준다.
도 5a는 본 발명의 동적 밸런싱 시스템을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 5b 및 5c는, 각각, 상호-수직형 공압식 장치에 의해 가해진 페데스탈의 진동의 스펙트라 강도와 그에 따른 기기 플랫폼 위에 장착된 3개의 자기계로부터 나온 시그널들의 스펙트라 강도를 도시한 도면이다.
도 6a는 구형 에어 베어링의 지지된 반구 부분을 도시한 상측도이다.
도 6b는 구형 에어 베어링의 단면을 도시한 측면도이다.
도 6c는 구형 에어 베어링 어셈블리를 절단하여 도시한 투시도이다.

본 발명의 기본적인 설비( Principal Utility of the Invention )

본 발명은 항공 비행체(airborne bird)를 포함하는 다성분 시스템(several component system)에 관한 것이다. 내부 시스템과 함께, 헬리콥터 또는 그 외의 다른 항공기로부터 견인되지만, 비행체는 광대역의 주파수, 특히, 1 Hz 내지 25 Hz 사이의 저주파 대역에 걸친 3-성분 자기장 데이터를 측정한다. 본 발명의 주된 적용분야는, 지구물리적 탐사(geophysical exploration)에 있어서, 관측된 자기장들을 통해 지구에서 전기전도율의 시간-가변 성질("분극(Polarization)")의 특징을 가지고 지구에서 향상된 전기전도율을 가진 영역("컨덕터(Conductor)")들을 탐지하는 데 있다. 3개의 시간-가변 자기장들은, 종종, 미네랄(mineral) 및 석유 매장량(petroleum doposit), 지면(ground), 대수층(aquifer) 및 오염 플룸(contamination plume)에서의 암석(lithological) 및 구조 변동(structural variation), 그리고 인간이 만든 물품, 가령, 펜스(fence), 파이프라인(pipeline), 병기(ordnance) 및 귀중품(treasure)을 진단한다(diagnostic).

본 발명은 10 Hz보다 낮은 주파수에서 충분히 낮은 노이즈(noise)로 작동함으로써 탐사 목적을 위해 주위 지자기(ambient geomagnetic) 시그널에서 사용자가 상당한 슈만 공진(Schumann resonance)을 이용할 수 있게 하는(harness) 제 1 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 고전도성의 미네랄 매장량의 구분(discrimination)과 전도성의 과도한 하중(conductive overburden)의 침투(penetration) 영역에 있는 그 외의 다른 항공 시스템(airborne system)에 걸쳐 현저한 이점을 제공할 것이다. 이 디자인은 유도된 분극 편차(induced polarization anomaly)를 일상적으로 탐지할 수 있는(routine detection) 항공 전자기(EM) 시스템을 구현하기 위한 디딤돌로 간주된다.

본 발명의 장치는, 통상, 패시브 및/또는 제어원(controlled source) 전자기 유도(EMI) 시스템을 이용하여 저주파 자기 항공 정찰용 항공기의 뒤 또는 하부의 횡단선(traverse line)을 따라 견인된다. 하지만, 본 명세서에 기술된 것과 같이, 이는 오직 리시버(receiver)이며 안테나 또는 트랜스미터에 대한 설명을 포함하지 않는다. 하지만, 기술된 리시버 시스템은 단일 항공기로부터 견인된 제어원 시스템에서 리시버로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 제 1 항공기가 트랜스미터를 견인하고 제 2 항공기가 리시버를 견인하는 탠덤-항공기 형상(tandem-aircraft configuration), 또는 지면에 위치된 고정식 트랜스미터(fixed trnsmitter)를 사용하는 형상에서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 장치는 다양한 이동식 플랫폼(moving platform) 위에 장착될 수 있거나 혹은 이동식 플랫폼 내에 장착될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 우주선, 항공기, 지면-기반 차량 또는 지하-기반 차량, 선박, 보트, 래프트(raft), 바지선(barge), 부표(buoy) 또는 잠수정(submersible vehicle)에서 혹은 이들 위에서 사용될 수 있다.

본 발명의 장치는 기기 플랫폼(instrument platform)의 회전 분리(rotational isolation)를 위해 다수의 상이한 전략(strategy)을 채택하며(incorporate) 이 장치는 전자기 감지 목적을 위해 사용될 수 있다. 하지만, 반드시 이 모든 목적들이 상기 회전 분리 측면에서 똑같은 정확성을 필요로 하지는 않는다. 따라서, 예를 들어, 자이로(gyro)도 없고 동적 밸런싱 시스템(dynamic balancing system)도 없이 에어 베어링을 단독으로 사용하면, 자기 데이터가 시스템과 함께 견인된 트랜스미터로부터 수집될 수 있도록 하기에 충분할 수 있다고 판명될 수 있는데, 이는 상기 경우에 탐색되는 시그널들이 충분히 크고 실용적인(viable) 자연 필드(natural field) 데이터(트랜스미터 없음)를 수집하는 것은 기능을 하고 있는 자이로 및 밸런싱을 필요로 할 수 있기 때문이다.

상기 장치가 유일한 저주파 자기 측정을 위해 자기계의 안정화(stabilization)를 위해 제공되지만, 그 외의 다른 장치, 가령, 중량 측정의(gravimetric), 광학 리시빙(카메라/망원경), 레이저 포인팅을 회전 운동(notational motion)에 대해 안정화하도록 적용할 수 있다. 또한, 전자기 트랜스미터를 안정화시키도록 사용되는 경우, 상기 장치는 전송된 시그널이 전달 플랫폼의 진동 진폭에 의해 변조되는 것을 방지할 것이다.

물리학적 내용( Physical Description )

비슷한 도면부호들이 동일한 요소 또는 비슷한 요소들을 지시하도록 사용된 도면에서 보면, 도 1a 및 1b는 항공 또는 그 외의 다른 차량 자기계 및 그 외의 다른 이동식 플랫폼용 안정화 시스템(10)의 바람직한 한 구체예를 도시한다. 도 1a 내지 1c에 예시된 것과 같이, 본 발명의 전체 "비행체(bird)" 또는 소노드(10)는 모션 노이즈(motion noise)가 감소된 전자기 유도(EMI) 데이터를 수집하기 위한 것이다. 상기 장치는 공기역학적, 예를 들어, 눈물방울 형태의 하우징(20)을 포함하는데, 상기 하우징(20)은 둥글납작한(bulbous) 바람직하게는 구형(spherical) 전방 부분, 끝이 날카로운(pointed) 후방 단부, 제 1 전방-후방 수평축(22)과 제 2 측면-측면 수평축(24)을 가지며, 상기 수평축(24)은 하우징(20)의 중앙 수평축 위에 위치되어 수평축(24) 위에 있는 것보다 수평축(24) 하부에 있는 하우징(20)과 하우징(20)의 내용물(content)의 전체 중량이 더 큰 것이 바람직하다. 하우징(20)의 둥글납작한 단부에 견인 프레임(tow frame)(30)이 제공된다. 견인 프레임(30)은 베이스 링(32), 2개의 교차 아치형, 가령, 예를 들어, 원형의 바(34a, 34b)를 가지는데, 상기 각각의 바(34a, 34b)는 베이스 링(32) 주위에서 베이스 링(32)에 대해 똑같은 거리가 떨어진 위치에서 연결된 맞은편에 있는 단부를 가진다.

하우징(20)의 제 2 수평축(24) 위에 놓여 있는 2개의 수평 액슬(36a, 36b)은 상기 바 중 하나(34a)의 서로 맞은편 단부들로부터 돌출되며, 이 액슬들은 베이스 링(32)의 맞은편 쪽들로부터 돌출되고, 케이블과 2개의 포인트 픽업(point pickup)(도시되지 않음)에 의해 상기 장치를 차량, 예를 들어, 헬로콥터에 결부시키기(attaching) 위해 하우징(20)의 둥글납작한 부분의 맞은편 쪽들을 통해 돌출된다. 액슬(36a 및 36b)은 하우징(20)에 피벗회전 가능하게 연결되고(pivotally connected) 프레임(30)은 하우징(20) 내에서 프레임(30)이 제 2 수평축(24) 주위로 자유 상대 회전운동할 수 있게 하는 형태와 크기를 가진다. 이런 방식으로, 장치(10)가 항공 차량에 의해 들어 올려질 때, 액슬(36a 및 36b)에 의해, 하우징(20)은 하우징(20)의 끝이 날카로운 단부와 하부로 피벗회전 하려 하지만 내부 시스템에 토크를 가해지 않아서 대략적으로 직립 방향(upright orientation)을 유지할 수 있게 한다. 차량이 전방으로 이동하기 시작함에 따라, 하우징(20) 주위의 공기 흐름(air flow)은 하우징(20)의 트레일링 단부(trailing end)가 될 때까지 끝이 날카로운 단부를 들어올리려 할 것이다. 전방에 둥글납작한 단부가 있는 눈물방울 형태의 하우징(20)은 가장 부피가 큰 내부 용적을 위해 최적의 공기역학적인 형태를 가지는 것으로 판명되었으며 이런 이유로 하우징 형태로 선택되었으나 그 외의 공기역학적 형태들도 사용될 수 있다.

도 1a 및 1b에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 2쌍의 진동 분리 댐퍼(40)가 각각 바(34a 및 34b) 중 하나에 연결되고 견인 프레임(30) 주위에 거리가 떨어져 있으며, 각각의 댐퍼 쌍은 견인 프레임(30)의 수평 및 수직 진동을 감쇠하기에 효율적이다. 베이스 어셈블리(50)가 진동 분리 댐퍼(40)에 장착되고, 견인 프레임(30)이 하우징(20)의 제 2 수평축(24) 주위로 피벗회전할 때 하우징(20) 내에서 베이스 어셈블리(50)의 자유 운동(free movement)을 위해, 일부분 이상은 견인 프레임(30)에 위치되며 전체적으로는 하우징(20)의 둥글납작한 부분에 위치된다. 이에 따라, 견인 프레임(30)과 하우징(20)의 수직 및 수평 진동들은 베이스 어셈블리(50)에 도달하기 전에 댐프너(dampener)(40)들에 의해 감쇠된다.

도 2a 및 2b에 도시된 것과 같이, 지지 페데스탈(support pedestal)(54)이 베이스 어셈블리(50)의 바닥 가까이에서 베이스 어셈블리(50)에 고정된 바닥 단부를 가지며, 상기 지지 페데스탈(54)은 베이스 어셈블리(50) 내에서 상부를 향해 견인 프레임(30) 내로 연장되며 견인 프레임(30) 상에 중심이 위치된 상측 자유 단부를 가진다. 밑에서, 도 6a 내지 6c에 대해 매우 상세하게 기술되는 것과 같이, 단일의 구형 에어 베어링(55)이 페데스탈(54)의 상측 자유 단부에 연결된다. 도 2c에 도시된 3개의 선형 공압식 진동기(V) 또는 도 5a에 도시된 진동기(V1, V2 및 V3)를 포함하는 한 모듈이 도 2c에 도시된 것과 같이 페데스탈(54) 내에 수용되며(contained), 이 진동기들은 각각 서로에 대해 직각으로 즉 X, Y 및 Z 방향으로 배열된다. 도 1a 및 3a에 도시된 것과 같이, 상측 내부 정점(apex)을 가진 중공 구조의(hollow) 하측 콘 부분(72)을 가진 기기 플랫폼(70)이 구형 에어 베어링(55)에 결합되고 이 구형 에어 베어링(55) 위에서 지지된다. 또한, 기기 플랫폼(70)은 콘 부분(72)의 상부 방향으로 정점 위에서 견인 프레임(30) 내로 연장되는 상측 스템(71)을 가진다. 기기 플랫폼의 중앙축(75)은 스템(71)과 콘 부분(72)을 통해 연장된다. 에어 베어링(55)은, "피벗회전" 또는 "롤링(roll) 및 피치(pitch)"로 언급되는 중앙축(75) 방향으로의 실질적으로 마찰이 없는 기기 플랫폼의 회전을 제공할 뿐만 아니라 "회전" 또는 "요잉(yaw)"으로 언급되는 축(75) 주위로의 기기 플랫폼의 회전을 제공한다.

제 1 자이로 스태빌라이저(91)가 도 4a에 도시된 것과 같이 기기 플랫폼(70)의 스템(71) 내에 장착된다. 제 1 자이로 스태빌라이저(19)는 하우징(20)의 배열방향을 변경시켜도 축(75)의 고정된 절대 방향(absolute orientation)을 유지하기 위해, 적어도, 약 20°가 바람직한 기기 플랫폼(70)의 피벗회전 범위에서 중앙축(75) 상에 위치되거나 약 10 내지 30°사이의 범위에서 중앙축(75) 상에 위치된다. 이 피치 범위는 콘 부분(71) 각도에 의해 결정되며 베이스 어셈블리(50)의 크기와 형태에 의해 수용되어야 하는데, 이는 밑에서 설명될 것이다.

최상의 결과를 위해 자이로 스태빌라이저를 사용하는 것이 바람직하지만 본 발명에서는 자이로 스태빌라이저 없이도 작동될 수 있다.

도 3a 및 3c에 도시된 것과 같이, 각각이 축(75)에 대해 직각으로 배열된 각각의 안정화축(stabilization axis)의 고정된 절대 방향을 유지하기 위해, 기기 플랫폼(70)의 맞은편 쪽에 중앙축(75)으로부터 반경 방향으로 거리가 떨어져 있는 위치에서, 하나 이상의, 바람직하게는 2개의 균형잡힌(weight-balanced) 제 2 자이로 스태빌라이저(78)가 기기 플랫폼(70)에 장착된다.

도 3a 및 3b에 도시된 것과 같이, 베이스 어셈블리(50)로부터 회전에 대해 안정화되어 있지만 견인 프레임(60)과 하우징(20)으로부터 필드 데이터를 수집하기 위하여, 하나 이상의, 바람직하게는, 3개의 똑같은 거리에 떨어져 있고 경사가 기울어진(inclined) 자기장 센서(79)가 기기 플랫폼(70)에 장착된다.

도 2a, 2b 및 도 1b를 다시 보면, 베이스 어셈블리(50)는 4쌍의 진동 분리 댐퍼(40)에 연결된 원형 또는 다각형 형태의 서스펜션 링(51), 주변 방향으로 거리가 떨어져 있고(circumferential spaced) 반경 방향으로 연장되는 복수의 슬롯(60)을 가지고 서스펜션 링(51) 하부에 거리가 떨어져 있는 원형 또는 다각형 형태의 베이스 플레이트(53), 서스펜션 링(51)과 베이스 플레이트(53) 주위로 거리가 떨어져 있고 베이스 플레이트(53)와 서스펜션 링(51) 사이에서 연결된 복수의 베이스 리브(52)를 포함한다. 각각의 베이스 리브(52)는 베이스 플레이트(53)에서 슬롯(60) 중 하나를 통해 바닥 단부 가까이 연장되는 반경 방향으로 외부를 향해 연장되는 하측 아치형 부분(52a), 및 서스펜션 링(51)과 각각의 베이스 리브(52)의 아치형 부분(56a) 사이에서 연결된 내부를 향해 기울어진 부분(52b)을 가진다. 베이스 리브(52)의 기울어진 부분(52b)의 각도, 및 아치형 부분(56a)의 곡률은 각각 기기 플랫폼(70)이 베이스 어셈블리(50)에서 허용된 운동 범위 내에서 자유롭게 축(75) 상에서 회전되고 피벗회전할 수 있도록 선택된다.

로드(rod)와 유사한 복수의 하측 대각선 브레이스(diagonal brace)(56a)는, 각각, 베이스 어셈블리(50) 주위에서, 예를 들어 각각의 리브(52)의 아치형 부분(56a)에 대해 기울어진 부분(52b)의 교차점(junction) 가까이에서, 서로 인접한 베이스 리브(52)의 중간 위치와 베이스 리브(52)의 하측 단부 사이에서 연결된다. 또한, 로드와 유사한 복수의 상측 대각선 브레이스(56b)는, 각각, 서로 인접한 베이스 리브(52) 위의 중간 위치와 각각의 베이스 리브(52) 상에 있는 상측 단부 사이에서 연결된다. 대각선 브레이스(54)들은 베이스 어셈블리(50)의 비틀림 강성(torsional rigidity)을 증가시킨다. 지지 페데스탈(54)은 베이스 플레이트(53) 위에 있는 상측 부분과 베이스 플레이트(53) 밑에 있는 하측 부분을 가지는데, 각각의 베이스 리브(52)의 하측 단부는 베이스 플레이트(53) 밑에 있는 지지 페데스탈(54)의 하측 부분에 연결된다. 베이스 플레이트(53) 밑에서 각각의 베이스 리브(52) 부분의 맞은편 쪽에 있는 한 쌍의 강화 플레이트(61)가 이 영역에서 베이스 리브(52)를 추가로 견고하게 하고(stiffen), 서스펜션 링(51), 리브(52), 베이스 플레이트(53) 및 강화 플레이트(61) 뿐 아니라 대각선 브레이스(56a 및 56b)는 각각 강도가 높고 경량이며 비-자기(non-magnetic) 성질을 위해 샌드위치 코어형(sandwich cored) 탄소 섬유 복합재로 제작되는 것이 바람직하다.

기기 플랫폼(70)의 콘 부분(72)과 스템 부분(71)은 각각 일체형 샌드위치 코어형 탄소 섬유 복합재 재료를 포함하며, 도 3a, 3b 및 4a에 가장 잘 도시된 것과 같이, 스템 부분(71)은 제 1 자이로 스태빌라이저(91), 데이터 수집 시스템(90) 및 배터리(100a)와 인버터를 포함하는 파워 모듈(98)을 포함하는 복수의 적층형 기기 모듈(77)을 가진다. 또한, 기기 플랫폼(70)은 스템 부분(71)과 콘 부분(72)을 따라 연장되고 주변 방향으로 거리가 떨어져 있는 복수의 수직 경화 플랫폼 리브(74), 복수의 수평 강화 플랜지(73)를 포함한다. 상기 복수의 강화 플랜지들은 기기 플랫폼(70) 주위로 연장되며 플랫폼 리브(74)를 수용하기 위해 슬롯들을 가진다. 플랜지(73)들은 아웃보드 플랫폼(outboard platform)으로서 기능을 수행하며 이 플랜지들 중 하나는 스템 부분(71)의 맞은편 쪽 위에 위치된 뮤-메탈 실드(mu-metal shield) 내에 장착된 한 쌍의 균형잡힌 제 2 자이로 스태빌라이저(78)를 지지한다.

본 장치는, 각각, 1 Hz 내지 25 Hz 사이의 대역에서 측정된 저주파 자기 데이터를 포함하는 자기장 데이터를 수집하기 위해 자기계를 포함하는 3개의 필드 센서(79)를 가지는 것이 바람직하며, 상기 3개의 자기계(79)들은 콘 부분(72)의 하측 림에 근접한 콘 부분(72)의 표면 주위에서 동일한 거리만큼 떨어져 있는 위치들에 장착된다. 각각의 자기계(79)는 콘 부분(72)에 견고하게 장착되며(rigidly mounted) 축(75)에 대해 반경 방향에 배열되는 성분(component)과 콘 부분(72)의 표면을 따라 축(75) 방향으로 연장되는 세로방향 축(longitudinal axis)을 가진 벡터 성분을 포함한다. 하지만, 본 장치는 서로로부터 실질적으로 다른 방향으로 배열된 3개의 센서들을 사용할 때 작동될 것이다.

다시, 도 1a를 보면, 진동 분리 댐퍼(40)들은 각각 프레임(30)의 아치형 바(34a, 34b)로부터 베이스 어셈블리(50)를 매다는(suspend) 수직 댐퍼(42), 및 베이스 어셈블리(50)를 프레임(30)의 베이스 링(32)에 가로 방향으로 연결하는 수평 댐퍼(44)를 포함한다. 이 구체예에서, 이들은 벨로(bellow), 스프링 및 댐퍼와 일체로 구성되는 기계 장치들로서 도시되지만 점-탄성 폴리머 또는 번지-코드(bungee-cord) 장치로 제작된 단일형 댐퍼들을 사용하는 그 외의 다른 장치들도 가능하다. 베이스 어셈블리(50)의 베이스 리브(52)들은 구형 에어 베어링(55) 위에 기기 플랫폼(70)의 롤링 및 피치 범위를 10° 내지 30°로 수용하도록 각도가 정해지고 크기가 결정된다.

2개의 뮤-메탈 실드(99)는 각각 제 2 자이로 스태빌라이저(78), 인버터(100) 및 배터리(101)를 포함하며, 기기 플랫폼(70)에 장착된다. 추가로, 기기 플랫폼(70)은 도 3d, 3e 및 5a에 도시된 것과 같이 동적 밸런싱 시스템(80)의 액츄에이터(A1, A2 및 A3)와 일체로 구성된다.

이제, 도 1a 및 1b를 보면, 본 발명은 위에서 언급한 5개의 주 구성요소, 즉 하우징(20), 견인 프레임("프레임")(30), 진동 분리 댐퍼("댐퍼")(40), 베이스 어셈블리("베이스")(50) 및 회전-안정화된(rotationally-stabilized) 기기 플랫폼("플랫폼")(70)으로 구성된다.

앞에서 언급한 것과 같이, 도 1b는 내측 구성요소들의 레이아웃을 예시하기 위해 투명하게 도시된 눈물방울 형태의 하우징(20)을 도시한 투시도이다. 바람직한 형태에서 직경은 약 3m이다. 하우징(20)은 수평축(24)을 따라 프레임(30)의 한 면에 위치된 2개의 수평 액슬(36a 및 36b) 에서 베어링을 통해 프레임(30)에 기계적으로 결합된다(mechanically coupled). 이에 따라 하우징(20)이 프레임(30)에 무관하게 피치운동을 수행할 수 있게 되며 모든 구성요소들은 하우징(20)에 결부된다. 액슬(36a, 36b)의 단부는 헬리콥터 또는 그 외의 다른 항공기의 2-지점 픽업(two-point pickup)을 위한 견인 지점(tow point)이다. 이륙 및 착륙 동안, 또는 지형 추적(terrain-followin)에 관련된 고도(elevation) 변경, 또는 공기속도에서의 변경 동안, 상기와 같이 결합됨으로써 하우징(20)의 받음각(angle of attack)은 최저 항력(lowest drag)의 받음각에 대해 조절될 수 있을 것이다.

도 1a의 횡단면도는 전체 하중(load)을 지탱하고 프레임(30)에 결부되며 하우징(20) 내의 상응하는 구멍(opening)들 주위에서 베어링을 통해 하우징(20)을 통과하는 2개의 수평 액슬(36a 및 36b)을 도시한다. 플랫폼(70) 및 베이스(50)는 도면에서 벨로와 같은 구조물로서 개략적으로 도시된 2 종류의 댐퍼를 포함하는 복수의 댐퍼(40)들에 의해 프레임(30)으로부터 매달린다(suspended). 이 댐퍼(40)들은, 시간에 따라 가변적인 공기역학 하중(aerodynamic loading) 뿐 아니라 견인 케이블(tow cable)에서 시간에 따라 가변적인 인장력(tension)으로 인해, 하우징(20)이 회전되고 베이스(50)가 진동되는 것으로부터 분리시키도록(isolate) 사용된다. 목적은 1 Hz 내지 10 Hz 사이 범위의 높은 수준의 분리력을 제공하는 데 있으며 이를 위해 수직 및 수평 방향으로 수 데시미터(decimeter) 이동되었다. 수직 방향으로 배열된 댐퍼(42)는 베이스(50)와 플랫폼(70)의 정적 하중(static load)을 지탱하여야 하지만, 수평 방향으로 배열된 댐퍼(44)는 오직 가로방향 가속도(lateral acceleration)에 관련된 동적 힘(dynamic force)들을 흡수하기만 하면 된다.

도 2a 및 2b에서, 진동이 분리된 베이스(50)가 예시된다. 이 베이스(50)는 복수의 진동 분리 댐퍼(40)에 연결된 서스펜션 링(51)과 복수의 베이스 리브(52)에 의해 서스펜션 링(51)에 연결된 베이스 플레이트(53)를 포함한다. 베이스(50)는 베이스 플레이트(53)의 중심에서 상측 표면에 연결된 바닥 단부를 가진 지지 페데스탈(54)을 추가로 포함한다. 또한, 지지 페데스탈(54)은 베이스 플레이트(53)에 연결된 단부의 맞은편에 있는 상측 단부를 가진다. 단일의 구형 에어 베어링(55)이 지지 페데스탈(54)의 맞은편 상측 단부 위에 위치된다. 지지 페데스탈(54)은 도 3a의 회전-안정화된 기기 플랫폼(70)을 지지하기 위한 것이다.

베이스(50)는 서스펜션 링(51)을 페데스탈(54)과 연결하는 케이지(cage)와 유사한 구조의 리브(52)이다. 플랫폼(70)을 구성하도록 사용되는 경량의 탄소 섬유 샌드위치 코어 구조로 구성되는 것이 바람직하다. 베이스 플레이트(53)를 통해 지지 페데스탈(54)과 링크연결되는 베이스 구조(50)의 구성요소들, 서스펜션 링(51)에 연결된 리브(52)도 역시 경량의 탄소 섬유 샌드위치 코어 구조로 구성된다. 게다가, 전체 구조는 우수한 강성을 보유하면서도 경량을 유지하기 위해 샌드위치-코어형 탄소 섬유로 구성될 수 있다. 탄소 섬유 튜브 형태의 대각선 브레이스(56a 및 56b)는 위에서 언급한 것과 같이 비틀림 강성을 증가시키도록 설계된다.

도 1a에서 플랫폼(70)의 단면도가 도시되며 도 3a는 플랫폼(70)의 투시도이다. 플랫폼(70)은 샌드위치 코어형 탄소 섬유 복합재로 제작된 깔때기 형태의 구조인데, 페데스탈(54)에 의해 지지되는 구형 에어 베어링(55) 위에 뒤집힌 형태로(inverted) 배열된다. 플랫폼(70)에서 높은 수준의 강성을 구현하는 것은 매우 중요한 목적인데, 이는 제 1 센서(79)들인 3개의 벡터 성분 자기계 뿐만 아니라 자세 안정(attitude stabilization)을 위해 자이로(91, 78)들을 수용하기 때문이다. 자기계(79)의 수집 대역(acquisition abndwidth)에 걸쳐 이 구성요소들의 고정된 상대 방향을 백 만분의 일(millionths of a degree) 수준까지 유지하는 것은 자기장 측정의 성공에 있어 핵심적이다.

바람직한 한 구체예에서, 플랫폼(70)은 일체형의 탄소 섬유 복합재 구조로 구성된다. 플랫폼(70)은 깔때기 형태로 구성되며 베이스를 가로질러 약 1.5m이며 높이가 2m로 측정된 샌드위치-코어 탄소 섬유 복합재로 제작된다. 깔때기의 두 부분들은 스템 부분("스템")(71)과 콘 부분("콘")(72)이다. 플랫폼 리브(74)는 추가적인 강성을 제공한다. 도 4a에 가장 잘 도시된 것과 같이 제 1 자이로 스태빌라이저(81)는 스템(71) 내부에 장착되며 콘(72)의 하측 림 가까이 장착된 센서(79)들을 안정화시켜야 한다. 이런 이유로, 플랫폼(70)은 변형율이 무시할 만큼(<1.0e-7 래디안) 충분히 견고해야 할 필요가 있다. 구조물의 크기를 줄임으로써 강성이 현저하게 향상되지만, 커다란 물리적 수치들은 (전자기 노이즈의 공급원인) 자이로 스태빌라이저(91, 78)가 자기장 센서(79)들로부터 물리적으로 분리시킬 필요가 있다. 도 3b 및 3c는 전자 구성요소들의 상대 위치들을 도시한다.

스템(71)은 데이터 수집 시스템(90)을 포함하는 일련의 적층형 기기 모듈(77)을 포함하는데, 데이터 수집 시스템(90) 뒤에 제 1 자이로 스태빌라이저(91)가 위치되고 제 1 자이로 스태빌라이저(91) 뒤에 배터리(100a)와 인버터를 포함하는 파워 모듈(98)이 위치된다. 이 모듈들은 대부분의 전자기 노이즈를 생성하는 모듈이 센서(79)들로부터 가장 멀리 위치되도록 배치된다. 뿐만 아니라, 스템(71)에 대해 수직으로 배열된 2개의 아웃보드 플랫폼(73)이 제공된다. 이에 따라, 제 2의 추가적인 자이로(78)가 결부되며, 이들 각각의 제 2 자이로(78)는 깔때기 축(75) 주위로 회전을 위해 안정화되는 개별 실드(99) 내에 포함되어, 이 움직임(motion)은 제 1 축방향 자이로 스태빌라이저(19)에 의해 제한되지 않는다.

플랫폼(70)에 의해 수용된 기기 및 플랫폼(70) 자체는 6가지의 주된 기능을 가지는데, 이 기능들은: 자기장을 감지하고, 플랫폼(70)의 배열상태를 감지하며, 배열방향에서 급격한 작은 변화(지터(jitter))에 대해서 플랫폼(70)을 안정화시키고, 시스템의 배열 경향(orientation drift)에 대해 플랫폼(70)을 안정화시키며, 데이터를 디지털화시켜 오프-플랫폼 컴퓨터에 데이터를 전송하고, 플랫폼(70)을 가능한 최대로 균형을 맞춰 이에 따라 무게 중심이 공기 베어링(55)의 회전 중심과 일치시키는 것이다.

제 1 센서( Primary Sensors )

본 발명의 바람직한 구체예에서, 자기장의 벡터 성분들을 감지할 수 있는 제 1 필드 센서로서 3개의 자기계(79)들이 사용된다. 3개의 자기계 센서(79)들은 각각 중앙축(75)에 공면에 배열된(coplanar) 고감도의 장축(sensitive long axis)을 가진 림 가까이에 있는 콘의 표면에 장착된다. 이들은 중앙축 주위로 매 120°의 방위각(azimuth)에 분포된다(distributed). 케이블(도시되지 않음)들이 수직 방향으로 안정화된 복수의 플랫폼 리브(74)들의 조인트(joint)를 따라 센서(79)들로부터 스템(71)의 베이스로 배열된다(run). 이 센서(79)들은 상기 적용분야 용도의 공급장치(supplier)에 의해 맞춤형으로 설계되며 피드백 자기-유도 원리에 따른다. 이 센서들은 0.1V/nT의 감도를 가지며 1 Hz 내지 10 kHz 사이의 플랫 패스 대역(flat pass band)을 가진다. 상기 센서들은 1 Hz에서 0.1 pT/sqrt(Hz)의 노이즈 플로어(noise floor)와 300 Hz에서 5fT/sqrt(Hz)의 노이즈 플로어를 가지지만, 본 발명은 임의의 고감도의 벡터 성분 자기계를 사용할 수도 있다.

바람직한 구체예가 피드백 자기 유도 코일을 사용하지만, 몇몇 다른 종류의 센서, 가령, 유도 코일, 플럭스 게이트 자기계(flux gate magnetometer) 또는 공간적 자기장 성분, 시간 도함수(time derivative), 또는 선형 필터에 의해 자기장에 관한 수량들을 측정하는 임의의 장치들을 이용하여 유용하게 측정할 수 있다.

데이터 수집 시스템( Data Acquisition System )

본 발명은 4 채널의 24비트용 데이터 수집 시스템(DAQ)(90)을 추가로 포함한다. 데이터 수집 시스템(90)은 최대 51 kS/s에서 제 1 센서(79)를 샘플링하도록 사용되며 오프-플랫폼 PC에 연결된 무선 링크장치와 GPS 시간 스탬핑을 포함한다.

제 1 자이로 스태빌라이저 모듈( Principal Gyro Stabilizer Module )

이제, 도 3b 및 도 4a 내지 4c를 보면, 제 1 자이로 스태빌라이저(PGS)(91)는 영화 산업에서 사용되는 것과 같은 상업용 Kenyon KS-12 자이로 스태빌라이저이다. 이 스태빌라이저는 내부에 1차 자유도의 짐발(gimbal) 상에 장착된 트윈 로터를 포함한다. 상기 스태빌아지너는 28V DC 공급원으로부터 인버터를 통해 유도된 400 Hz의 220V 구동 시그널에 의해 구동된다(driven). 제 1 자이로 스태빌라이저(91)는 원통형이며 자체 축에 대해 수직인 임의의 축 주위로 회전하는 것을 저항하지만(resist), 자체 축 주위로 회전하는 것에 대해서는 어떠한 저항도 없다.

상업 용도로 유용한 모듈이기는 하지만, 데이터 수집 시스템(91)은 높은 수준의 전자기 노이즈를 발생하기 때문에 통상적인 방법으로 사용될 수 없다. 이 문제를 해결하기 위하여, 뮤-메탈 자기 실드(M) 내에 모두 파워 모듈(98)의 인버터와 배터리 공급원(100b)을 따라 포장된다. 이는 전자기 노이즈를 약 1000배 만큼 줄인다. 제 1 자이로 스태빌라이저(91)는 플랫폼(70)에 결합될 수 있도록 매우 견고해야 된다. 또한, 실드 유닛(shielded unit)으로부터 효율적으로 분산되어야 하는 상당한 양의 열(~100W)을 발생시킨다. 이에 따라, 도 4a, 4b 및 4c에 예시된 디자인이 나오게 된다. 도 4a는 대부분의 스템(71)이 적층형 기기 모듈(77)에 의해 차지된(taken up) 것을 도시하고 있는데, 적층형 기기 모듈(77)은 제 1 자이로 스태빌라이저(91)와 파워 모듈(98)을 포함하고, 파워 모듈(98)은 스템(71)의 벽에 있는 스테인리스 스틸 인서트(insert) 내에 스레드구성된(threaded) 18개의 일련의 볼트(도시되지 않음)에 의해 스템(71)의 중심에 고정된다(held). 이 볼트들은 중앙축 주위로 매 60°의 방위각에 위치된 3개의 볼트들로 반경 방향으로 대칭 형태로 배열되고, 제 1 자이로 스태빌라이저(91), 파워 모듈(98) 및 스템(71) 사이에서 견고한 결합부를 형성하면서도, 스템(71)의 내측 벽과 내부 구성요소들 사이의 환형 틈(annular gap) 형태의 열 분산 침니(heat dissipation chimney)가 될 수 있게 한다. 도 4b는 볼트의 압력에 의해 자기 실드(M)에 클램프 고정되고(clamped) 원통형의 곡률을 가진 일련의 플레이트로 구성된 라디에이터(R)를 도시한다. 핀(F)이 열이 침니 내로 분산되게 하는 환형 틈을 가로질러 상기 플레이트들로부터 90°로 연장된다. 도 4c에서, 라디에이터 플레이트들이 제거되어 뮤-메탈 자기 실드(M)를 노출한다. 게다가, 도 4a에 도시된 것과 같이, 내부 방향을 향하는 공통 압력(collective pressure)에 의해 기기 모듈이 스템(71)의 내측 벽에 타이트하게 고정될 수 있도록 하기 위하여 상측 및 하측 세트의 힘 분포 패드(P)가 사용된다. 각각의 패드는 볼트로부터의 압력을 수용하도록 평평한 외측면을 가지고 뮤-메탈 자기 실드와 라디에이터 플레이트를 통해 힘을 일정하게 전달하기 위해 원통형의 내측 표면을 가진다. 각각의 하측 힘 분포 패드는 2개의 볼트를 수용하고 힘을 제 1 자이로 스태빌라이저에 직접 전달하며, 각각의 상측 힘 분포 패드는 볼트 한 개를 수용하며 힘을 제 1 자이로 스태빌라이저 파워 모듈(98)에 전달한다.

제 2 자이로 스태빌라이저 모듈( Secondary Gyro Stabilizer Modules )

위에서 언급한 것과 같이, 본 발명은 하나 이상의 제 2 자이로 스태빌라이저 모듈(78)을 포함한다. 도 3c에 도시된 구체예는 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저 모듈(78)을 가지는데, 이 중 하나는 기기 플랫폼(70)의 수직 플랫폼 리브(74)들 중 하나 뒤에 일부분 감춰져 있다. 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저 모듈(78)(Kenyon KS-8s)은 2가지 목적을 위해 필요하다. 이 모듈들은 플랫폼(70)의 축, 즉 깔때기 형태의 축(75) 주위로의 회전 지터(요잉)에 저항하도록 필요하고, 어셈블리의 초기 회전속도 또는 작은 불균형으로 인해 임의의 방향으로 플랫폼(70)의 속도가 느린 각 드리프트(angular drift)를 제한하기 위해 필요하다. 제 2 자이로 스태빌라이저(78) 중 하나는 영화 산업을 위한 상업용 자이로 스태빌라이저의 대역이 제한된다는 사실로 인해 변형된다(modified). 이 제 2 자이로 스태빌라이저는 2개의 저항 축 중 하나 주위로 토크를 신속하게 제공하지만, 수십 초 동안 제공된 일정한 토크에는 저항하지 않는다. 이러한 행태(behavior)는 자이로 어셈블리가 이동하는 차량에 대한 기계식 링크 연결장치 또는 수동-진동(hand-shake)으로 인한 진동에 저항하면서도 일정하게 제공된 토크에 대해 카메라가 팬(pan)할 수 있도록 되어야 하는 경우에 매우 바람직하다. 본 발명에 사용된 자기계(79)는 플랫폼(70)의 배열상태의 속도가 느린 드리프트에 대해 상당히 민감하지 않다. 하지만, 플랫폼(70)은 롤링과 피치 행정(travel)의 한계(즉 대략 20°)에 도달하는 경우 안정화될 수 있도록 중지될 것이며(cease), 이에 따라 속도가 느린 드리프트가 제한되어야 한다. 이를 위해, 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저(78) 중 하나가 로터가 동일한 방향으로 회전될 때 트윈 내부 로터 어셈블리의 짐발이 고정되도록 변형된다. 이는 실질적으로 자이로 스태빌라이저(79)가 플랫폼(70)의 축을 따라 가리키는 축을 가진 단순한 언-짐발된(un-gimbaled) 자이로 내로 회전된다. 각 모멘텀(angular momentum)이 플랫폼(70)에 대해 고정되기 때문에, 플랫폼(70)은 시스템의 약간 언밸런스되는 경우 "떨어지는(falling over)" 대신 서서히 선행되도록(slow precession) 진행될 수 있게 한다.

2개의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)가 균형을 맞추기 위해 스템(71)의 맞은편 쪽에 전개된(deployed) 상태로 도 3c에 도시된다. 각각의 자이로(78)는 인버터 및 배터리(100b)를 따라 뮤-메탈 자기 실드(99) 내에 장착된다. 자이로(78) 쌍들은 요잉 방향으로 각 지터(angular jitter)에 대해 플랫폼(70)을 안정화시킨다. 이러한 더 작은 자이로(78)들은 제 1 자이로 스태빌라이저(91)보다 열을 훨씬 더 적게 분산시킨다. 열 분산은 뮤-메탈 자기 실드(99)에 결부된 핀(도시되지 않음)들에 의해 패시브 방식으로 구현된다.

동적 밸런싱 시스템( Dynamic Balancing System )

선형 가속도에 의해 플랫폼(70)에 가해진 토크를 최소화시키기 위하여, 플랫폼(70)은 회전 지점 주위에서 3개의 모든 방향으로 균형이 잘 잡힐 필요가 있다(well balanced). 플랫폼(70) 시스템은 "연성(soft)" 인프라스트럭쳐, 가령, 케이블, 밀봉제(sealant) 등을 포함한다. 이러한 구성요소들은 수치와 위치가 g-벨터(하부 방향), 가해진 외부 가속도의 이력(history) 및 온도에 대해 배열방향이 약간 변경된다. 따라서, 도 5a의 동적 밸런싱 시스템(80)이 플랫폼(70)의 무게 중심에서 이러한 작은 변화들을 설명할 필요가 있다. 밸런싱 시스템(80)은 필요할 때에 언제든지 플랫폼(70) 밸런스의 트리밍(trimming)을 가능하게 하는 조절식 밸런스 웨이트의 제어된 시스템이다.

동적 밸런싱 시스템(80)의 개략적인 도면이 도 5a에 도시된다. 이 시스템은 부유하고 있는(floating) 기기 플랫폼(원)과 플랫폼이 결부된 베이스 어셈블리(직사각형), 뿐 아니라 오프-플랫폼 PC와 일체로 구성된다(incorporate). 기기 플랫폼(70) 위에 장착된 내장 컴퓨터가 도 3d 및 3e에 도시되고 도 5a에 개략적으로 도시된 3개의 마이크로-밸런스(A1-A3)를 제어한다. 마이크로-밸런스는 도 3a에 개략적으로 도시된 것과 같이 3개의 주된 방향(X, Y 및 Z)으로 밀리미터 거리를 통해 수 십 그램의 작은 매스(mass)를 정밀하게 이동시킬 수 있는 디지털-제어식 선형 액츄에이터(A)이다.

밸런스 위치들에서 필요한 변화를 결정하기에 필요한 정보는 제 1 센서로부터 나온 EMI 데이터 뿐만 아니라 플랫폼 위에 위치된 AHRS(Attitude and Heading Reference System)으로부터 나온 측정 데이터를 포함한다. 상기 구체예에서, 밸런싱 알고리즘은 DAQ 시스템으로부터 직접 무선으로 EMI 데이터를 로그하는 PC 구동 오프-플랫폼에서 실행되며, AHRS 데이터는 내장 컴퓨터로부터 개별적인 무선 링크 연결장치에 의해 통신된다. 밸런싱 알고리즘에 의해 명령들이 발급되고(issued) 밸런스 매스를 재배치하는(reposition) 플랫폼 위의 내장 컴퓨터에 무선으로 시그널을 전송한다(signaled). 대안으로, 오프-플랫폼 PC에 의해 현재 수행되는 임무들은 제 1 EMI 센서들로부터 유선 또는 무선 데이터 링크장치와 플랫포 상에서 직접 구동되는 고성능 내장 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다.

AHRS 시스템의 일부인 3-축 플럭스 게이트 DC 자기계가 플랫폼(70), 이에 따라 각각의 제 1 센서(79)에 대한 지구(Earth)의 자기장의 배열상태(orientation)를 측정한다. 이 정보는 각각의 3 축 주위로 회전하는 제 1 센서(79)의 감응도(sensitivity)를 제공한다.

밸런싱 공정(balancing process)의 정밀도(precision)는 도 5a에 도시된 3개의 상호-직각인 선형 비-자기 공압식 진동기(V1, V2 및 V3)를 작동시켜 베이스에 진동을 가함으로써 향상된다. 이들은 도 2c의 V에 도시된 것과 같이 에어 베어링(55) 바로 밑에 있는 지지 페데스탈(54) 내에 위치된다. 상기 진동기들은 베이스 주파수(base frequency) 주변의 3개의 상이한 좁게-분리된 주파수(narrowly-separated frequency), 가령, 예를 들어, 공통의 공압식 매니폴드(common pneumatic manifold)로부터의 차압(differential pressure)에 의해 조절되는 주파수 범위(spread)를 가진 90 Hz에서 작동된다. 플랫폼의 불균형(imbalance)은 회전 감응도에 비례하여 각각의 센서 구성요소들에 상응하는 협대역(narrow-band) 노이즈 시그널로서 명시될 것이다(manifest). 제 1 센서(79)로부터 나온 스트리밍 데이터(streaming data)와 플럭스 게이트 시그널들을 조합하면, 오프-플랫폼 PC에서 실행되는 비선형 최적화 알고리즘은 플랫폼(70) 위의 내장 컴퓨터 또는 그 외의 다른 컴퓨터가 밸런서(balancer), 즉 도 3a에서 액츄에이터(A) 혹은, 특히, 도 3d, 3e 및 5a에서 액츄에이터(A1, A2 및 A3)의 위치를 최적화시키고 이에 따라 측정 노이즈를 최소화시킬 수 있게 할 것이다. 바람직한 알고리즘과 함께 다수의 알고리즘이 고려되는데, 이는 밑에서 다룰 것이다.

특히, 도 5a는 3개의 다른 축 주위로 회전할 수 있는 플랫폼의 균형을 맞추는(balance) 동적 밸런싱 시스템을 도시한다. 밸런스가 깨질 때(out of balance), 플랫폼의 무게 중심은 공통의 회전 중심과 다르다. 그러면, 베이스에서의 진동이 플랫폼을 회전하게 하여, 플랫폼 상에서 3개의 수직 자기계에서 각각 자기 시그널(magnetic signal)로서 기록된다(register). 베이스 위의 공압식 진동기(V1, V2 및 V3)는 3개의 고유 주파수에서 구동된다. 플랫폼 위의 3개의 선형 전자기계식 액츄에이터(A1, A2 및 A3)는 피드백 루프(feedback loop)에서 밸런스 매스를 조절한다.

도 5b는 3개의 수직 공압식 진동기(V1, V2 및 V3)에 의해 페데스탈에 가해진 진동을 도시한 그래프로서, 각각의 진동기는 상이한 주파수(f1, f2 및 f3)에서 작동된다(running). 고유 주파수는 각각 공통 매니폴드로부터 상이한 진동기를 공급하는 3개의 압력 스텝 다운 밸르(step down valve)에 의해 결정되며, 도 5c는 3개의 상이한 주파수에서 베이스의 진동으로 인해 시그널들을 기록하는 플랫폼 위의 3개의 AC 자기계로부터 나온 시그널을 예시한다. 3 시그널들은 플랫폼이 회전 중심에 정확힉 위치된 무게 중심을 가질 때 사라진다(vanish). 매스-밸런스는 3개의 수직 전자기계식 액츄에이터(A1, A2 및 A3)를 통해 피드백에서 조절되며, 이 각각의 액츄에이터는 본 장치의 캐리지(carriage) 위의 밸런스 매스의 위치를 조절한다.

도 5a의 오프-플랫폼 PC와 내장 컴퓨터 사이의 2-방향 무선 링크 연결장치는 AHRS로부터 나온 데이터와 액츄에이터(A)로부터 나온 위치 정보가 오프-플랫폼 PC에 중계될 수 있게(relayed) 하고 액츄에이터(A)에 대한 컨트롤 정보가 반대 방향으로 중계된다(relayed back). 이 알고리즘은 동적 밸런싱 시스템이 작동하기에 필요하지만 본 발명의 시스템과 같은 시스템의 밸런스를 맞출 수 있는 임의의 공지되어 있는 알고리즘도 사용될 수 있으며, 바람직한 구체예는 특정의 유일한 알고리즘을 사용한다. 바람직한 구체예에 의해 사용되는 유일한 알고리즘의 단계는 다음과 같다:

a) 프로그램은 고속에서 3개의 제 1 센서들로부터 나온 데이터 뿐만 아니라 훨씬 더 느린 속도에서 온-플랫폼 AHRS 시스템의 일부인 플럭스 게이트 자기계로부터 나온 수신 데이터의 연속 스트림(continuous stream)을 수신한다.

b) 속도가 느린 플럭스 게이트 데이터로부터, 알고리즘은 지구의 자기장에 대한 3개의 각각의 센서들의 배열상태(orientation)를 결정한다. 플랫폼의 회전 안정성(rotational stability)으로 인해, 이는 매우 느리게 변경될 것이다.

c) 상기 정보로부터, 미처리 상태의(raw) 제 1 센서 구성요소들로부터 3개의 가상 방향(virtual direction)들; 즉 지구의 자기장 방향에서의 Ca, 지구의 자기장에 대해 수직이고 수평인 Ch, 및 이 둘에 대해 수직인 제 3 성분인 Cv로 변환되는(transform) 3 x 3 매트릭스가 연산된다(computed).

d) 1초 내지 수십 초 사이의 범위에 있는 시간 간격(time interval)에 걸쳐 수집된 제 1 센서 데이터는 복합 스펙트라(complex spectra)를 얻기 위한 푸리어 변환(Fourier transform)이다.

e) 3개의 미처리 상태의 구성요소들로부터의 스펙트라는 Ch 및 Cv 방향에서 스펙트라를 얻기 위해 연산된 3 x 3 매트릭스에 의해 멀티플라이드 된다(multiplied). 이들은 진동 노이즈에 가장 민감하다.

f) 변환된 파워 스펙트라 밀도(power spectral dinsity; PSD)는 복소수 켤레(complex conjugate)에 의해 복합 스펙트라를 멀티플라잉 함으로써 Ch 및 Cv 방향에서 형성된다.

g) Ch 및 Cv PSD는 양의 실수들인 6개의 스텍트라 진폭을 형성하는 페데스탈 진동 주파수에 상응하는 3개의 좁은 주파수 대역에 걸쳐 평균적으로 형성된다(averaged).

게다가, 본 발명의 알고리즘의 가장 간단한 변형예는 보다 개선된 접근법(approach)들이 가능하다 할지라도 다음을 따른다.

h) 최소화되어야 하는 단일의 목표 기능(objective function)은 6 PSD의 합계(sum)를 택함으로써 생성된다.

i) 이 목표 기능은 다운힐 심플렉스 방법(downhill simplex method)과 같은 표준 비선형 3차원 심플렉스 최적화 알고리즘에 대한 입력(input)으로서 사용된다. 이의 각각의 애플리케이션(application)의 결과는 매스 밸런서(mass balancer)를 위한 위치들의 제안된 그 다음 세트이다.

j) 새로운 위치들은 무선 트랜스미션에 의해 온보드 내장 컴퓨터에 요청되며 시간은 이 새로운 위치들을 구현하기 위해 주어진다. 전체 알고리즘은 반복된다(iterated).

위에서 개략적으로 설명한 알고리즘은 단독의 기준(sole criterion)으로서 플랫폼의 밸런스를 가진다. 하지만, 플랫폼을 대략 직립상태로(upright) 유지하고 작동의 각 범위(angular range) 내에 잘 있도록 유지하기에 필요한 작은 바이어스(bias)를 제공하도록 용이하게 변형될 수 있다(modified). 이는, (g) 목표 기능에, AHRS 데이터로부터 얻어진 것으로서 플랫폼의 수직 축으로부터 각 편차(angular deviation)와 중량 계수(weighting coefficient)를 곱한 값으로 구성되는 항(term)을 추가함으로써 구현될 수 있다. 중량 계수의 크기(magnitude)는 플랫폼의 트림상태(trim)를 유지하면서 임밸런스 바이어스(imbalance bias)에 유도된 노이즈를 허용 수준 밑으로 유지하여 실험 또는 분석에 의해 결정될 수 있다.

에어 베어링( Air Bearing )

본 발명에 따른 안정화 시스템(10)의 바람직한 한 구체예는, 정밀 기계가공의 허용오차(tolerance)에 대해, 매우 낮은 마찰인 임의의 축 주위로 수행되는 공통 회전의 단일 지점을 제공하는 구형 에어 베어링(55)을 사용한다. 가속도와 열 변화 면(face)에서, 보다 통상적인 해결책인, 고정된 요크(nested yoke)에 의해 지지된 3개의 짐발 베어링을 사용함으로써, 필적하는 수준의(comparable degree)의 밸런스를 구현하고 이를 유지하는 것이 훨씬 더 어려울 것이다.

하지만, 에어 베어링(55)의 기능은 임의의 타입의 베어링에 의해 채워질 수 있는데(filled), 이러한 베어링은 기기 플랫폼(70)의 필수(requisite) 피치와 요잉을 할 수 있게 하며, 이와 동시에, 필드 데이터, 특히 전자기 데이터를 수집하는 임의의 방법에 방해되지(interfere) 않고, 더럽히지(taint) 않으며, 오염시키거나 또는 부정적으로 영향을 끼치지 않을 것이다.

도 6a 내지 6c를 보면, 구형 에어 베어링(55)은 도 6c에서와 같이 압축 공기 또는 가스 공급원을 포함하는데, 이 압축 공기 또는 가스 공급원은 베어링의 지지하는 오목 부분에 연결되고 공기를 상기 오목 부분에 공급하여 베어링의 지지된 상측 반구형 부분이 공기 또는 가스의 쿠션(cusion) 위에 부유한다(float). 압축 공기(57)를 에어 베어링에 제공하는 공급원 또는 수단은 예를 들어 충분한 압력과 유동 속도를 가진 에어 또는 가스 컴프레서(compressor)에 의해 구현될 수 있으며 이에 따라 기기 및 장치로 완전히 로딩될 때(fully loaded) 플랫폼(70)의 중량을 지지하는 에어 또는 가스의 용적(volume)을 제공할 수 있다.

에어 베어링(55)은 본 발명을 위해 맞춤형으로 설계된다. 에어 베어링(55)은 롤링 및 피치에서 25° 회전에 걸쳐 제공되며, 요잉에 있어서는 고정밀의 단일 회전 지점(single point of rotation) 주위로 무한 회전(infinite rotation)을 제공한다. 에어 베어링(55)은 센서들에 상대적으로 가깝게 위치된 금속 물품(metal object)이다. 따라서, 베어링 내에 유도된 와전류(eddy current)가 수신된 시그널에서 설명되어야 할 것이다. 이러한 가능성을 최소화시키기 위하여, 베어링(55)은 상대적으로 낮은 전도성을 가진 스테인리스 스틸(#303)로 제작되었다. 도 6a 및 6c에서 예시된 것 외에도, 크로스 패턴의(cross-pattern) 깊은 홈(G)이 지지하는 오목 베어링 및 지지된 반구체의 후방(back) 내에 밀링가공 되었다(milled). 테스트에 따르면, 제 1 와전류 모드의 시간 상수(time constant)는 약 1 밀리초 이어야 되는 것으로 입증되었다. 대안으로, 베어링은, 보다 비싸지만 와전류를 전반적으로 제거할 수 있는(eliminate) MACOR와 같은 기계가공 가능한 세라믹으로 제작될 수도 있다.

베이스( Base )

도 1a, 2a 및 2b에 가장 잘 예시된 것과 같이, 베이스 어셈블리(50)는 플랫폼(70)의 하중(load)을 에어 베어링(55)과 페데스탈(54)로부터, 조합된 플랫폼(70) 베이스(50) 시스템의 무게 중심을 통해 형성되는 평면에 배열된 서스펜션 링(51)으로 이동시킨다(carry). 이 구조(structure)는 반드시 꽤 커야 되며, 현저하게 견고하고, 경량이며 조사 위치(survey site)로 쉽게 이송되어야 한다. 분리형 구조물(demountable structure)에서 필요한 강성(rigidity)을 구현하기 위하여, 페데스탈 베이스(53)와 서스펜션 링(51)은 얇은 대각선 브레이스(56a, 56b)에 의해 강화되고(strenghthened) 샌드위치 코어형 탄소 섬유 복합재로 제작된 경량의 리브(52)들에 의해 연결된다. 리브(52)는 서스펜션 링(51)을 베이스 플레이트(53)에 연결하고 페데스탈 축에 대해 20°의 롤링 및 피치 범위에 있는 플랫폼(70)을 수용하도록(accomodate) 형태가 형성된다(shaped). 리브(52)들은 하측면에 영구적으로 결부된(permanently attached) 리브(52) 쌍들 사이에 각각 샌드위치 형태로 끼어진(sandwiched) 베이스 플레이트 플로어에서 슬롯(60)들을 통해 연장된다. 이런 방식으로, 베이스(50)가 개별 리브(52), 브레이스(5a, 56b), 베이스 플레이트(53), 서스펜션 링(51) 및 페데스탈(54) 내로 이송을 위해 분리될 수 있게(disassembled) 하면서도 견고한 연결부(rigid connection)가 형성될 수 있다.

댐퍼 시스템( Damper System )

도 1a에 도시된 댐퍼 시스템은 베이스(50)를 하우징(20)의 선형 가속도(linear acceleration)로부터 전체적으로 분리하는 복수의 진동 분리 댐퍼(40)를 포함한다. 최저 1 Hz의 주파수에서 높은 수준의 분리를 구현하려면 큰 이동(large displacement)을 수용(accommodation)할 필요가 있다. 본 명세서에서 나타난 디자인에서, 2 종류의 8개의 댐퍼(40)가 있다. 댐퍼의 첫 번째 세트, 즉 수직 댐퍼(42)들이 베이스(50)의 정적 하중(static load)을 지탱할 뿐만 아니라 동적 하중(dynamic loading)을 수용하기 위해 요구된다. 댐퍼의 두 번째 세트는 수평 방향으로 배열되는데 즉 수평 댐퍼(44)들이 제 1의 가로방향 동적 하중을 수용하도록 요구된다. 번지(bungee), 에어백, 스프링, 에어-베어링 스트럿 및 맞춤-형태로 형성된 에너지-흡수 고무, 가령, 소르보테인(Sorbothane) 블록을 포함하는 다수의 장치들이 고려된다. 이러한 장치들은 각각 이점과 단점을 가진다. 몇몇 장치는 인장 시에(in tension) 가장 잘 작동하며 다른 장치들은 수축 시에(in compression) 가장 잘 작동한다. 댐퍼들의 두 타입 모두, 지지 브래킷(support bracket)의 속성 및 레이아웃을 변형시킴으로써, 제안된 기하학적 형상(geometry)의 범위 내에서 구현될 수 있다.

프레임( Frame )

견인 프레임(30)은 도 1c, 1b 및 1a에 예시된다. 견인 프레임(30)의 기능은 복수의 진동 분리 댐퍼(40), 헬리콥터 견인 케이블 및 하우징(20)을 위한 공통의 결부 구조(attachment structure)를 제공하는 데 있다. 중공 구조의(hollow) 복합재 채널들을 사용하여 구성되어야 한다. 크기가 크기 때문에, 현장에서(on site) 6개의 개별 부분들로부터 조립될 수 있도록 설계될 필요가 있다. 또한, 견인 프레임(30)은 동적 밸런싱 시스템(80)과 데이터 수집 시스템(90)용 무선 리시버의 사이트(site)일 것이다.

하우징( Housing )

도 1b에 가장 잘 도시된 하우징은 수치(2.8m x 4.3m)를 가진 눈물방울 형태의 복합재 쉘(composite shell)인데, 이 쉘은 각각 전체 길이가 4.3m인 4개의 똑같은 사분면(quadrant)으로 구성되어야 한다. 이 부분들은 약 2m의 중간 수치를 가질 것이며 표준-폭(standard-width) 큐브 밴(cube van)에서 쉽게 이송될 수 있다. 잘 구현된 중공 구조의 코어형 구성 방법(hollow-cored construction method)들을 사용하여, 상기 쉘 부분들은 탄소 섬유 복합재로 구성될 수 있다. 이 부분들은 각각의 부분에 일체로 구성된(integral) 외부 방향으로 돌출된 플랜지와 함께 볼트고정될 수 있다(bolted). 상기 쉘의 총 중량은 50kg 미만이 되도록 산정된다(estimated).

하우징(20)의 두 서스펜션 지점(suspension point)은 쉘이 세로방향 축 주위로 회전하는 것을 제한할 것이다. 헬리콥터에 의해 상승될 때, 공기 흐름과 함께 현저하게 전방으로 움직이기(forward motion) 전에, 비행체(bird)의 피치 또는 행태(attitude)가 한정되지 않는다(unconstrained). 헬리콥터 로터로부터 다운-와시(down-wash) 및 하우징(20)의 무게 중심의 위치는 쉽게 테일-다운 방향(tail-down orientation)으로 이끌 것이다. 헬리콥터에 의해 전방 속도(forward speed)가 구현되고 나면, 공기역학 힘(aerodynamic force)들이 차지하고(take over) 피치 및 요잉 면에서 방향 안정성(directional stability)이 하우징(20)과 보조 핀들의 형태에 의해 조절될 수 있다. 이러한 피치 모션 범위를 수용하기 위하여, 하우징(20)은 포함된 기기 플랫폼(70)에 무관하게 회전하도록 설계되고 자이로 안정화(stabilization)를 위해 허용된 회전 범위를 초과하는 위험을 방지하도록 설계된다. 내부 어셈블리(internal assembly) 즉 베이스(50)와 기기 플랫폼(70)은 약간의 바닥-중량(bottom-weighting)에 의해 직립 상태로 유지될 것이다.

하우징(20)의 목적은 진동과 항력(drag)을 생성할 수 있는 난류(turbulence)를 최소화하는 공기역학적 형태와 요소(element)들로부터 보호하는 데 있다. 하우징(20)의 형태는 난류 흐름을 최소화하고 일반적으로 비행 방향과 나란한(aligned) 명백한 바람 방향(apparent wind direction)에 대해 방향 안정성(directional stability)의 수준(degree)을 제공할 것이다. 수평 및 수직 스태빌라이저가 명백한 바람 방향에서 변화에 대한 회전 응답성(rotational responsiveness)을 증가시키도록 추가될 수 있다. 비행 동안 난류는 명백한 바람 방향을 갑자기 변형시킬 수 있으며 너무 많은(too much) 스태빌라이저 표면은 이러한 방해요소(disturbance)에 대한 감응도(sensitivity)를 증가시킬 것이다. 하우징(20)의 기다란 형태(elongated shape)는 기초 수준(basic level)의 방향 응답성을 제공할 것이며 상이한 스태빌라이저 핀들을 선택하는 융통성(flexibility)은 비행 특성(flight characteristics)을 정밀한 튜닝(fine tuning)을 용이하게 할 것이다.

하우징(20)은 견고한 경량의 스킨(skin)이도록 설계되어, 공기역학적 힘들을 충족시키기에 적절하지만 하우징(20)과 내부 구성요소들의 전체 중량을 지지하지 못한다. 따라서, 3개의 지점 지지/랜딩 기어 어셈블리가 내부에 포함될 것이다. 지지 시스템은 프레임(30)의 한 면 위에서 액슬에 결부될 것이며 착륙 및 조립 동안 시스템의 중량을 지지하는 하우징(20)을 통해 3 피트 돌출하여 끝을 이룬다(terminate). 착륙 동안 헬리콥터가 후버링(hovering)할 때 하우징(20)이 테일 다운할 것이라는 것을 고려할 때, 하우징이 지면(ground)과 접촉하고 구멍이 뚫리는(puncture) 가능성을 최소화시키기 위해 테일로부터 랜딩 기어까지 하측 심(lower seam)을 따라 작은 닐(kneel)이 제공될 것이다. 하우징(20)이 임의의 내부 구조를 가질 필요가 없지만, 4개의 리브 즉 상측 리브, 바닥 리브 또는 닐, 우현(starboard) 리브 및 좌현(port) 리브를 포함할 수 있다. 이로써 조립이 쉬워지며 스태빌라이저 핀들을 위한 장착 지점(mounting point)을 제공한다. 이론적으로는, 랜딩 기어 구조 및 4개의 리브가 우선적으로 조립될 수 있다. 프레임(30)에 의해 들어 올려진 기기 플랫폼(70)은 액슬을 통해 연결될 수 있다. 최종 단계는 하우징(20) 스킨 부분들을 추가하는 단계일 것이다.

유일한 특징들( Unique Features )

하기 특징들이 지구물리학적 항공 산업에서 유일하거나 또는 적어도 보통이 아닌 특징들로 고려된다.

1. 이동식(mobile) 비행형(flyable) 하우징(20)에서 작동할 때, 시스템은 탐사 목적으로 유용할 수 있도록 1 Hz 내지 25 Hz 대역의 적절하게 낮은 모션-유도 노이즈에서 자기장 데이터를 지속적으로 기록할 것이다.

2. 플랫폼(70)은 복원력(restoring force) 또는 댐퍼를 가지지 않는 회전 분리 시스템을 이용하여 높은 수준으로 회전-안정화되며(rotationally-stabilized) 센서(79)들이 지구의 정적 자기장에 대한 배열방향(orientation)을 유지한다. 이를 위해, 플랫포(70)은 베이스(50) 위의 낮은 마찰력을 가진(low frction) 에어 베어링(55) 상에 장착된다. 이에 따라 하우징(20)이 회전함으로써 생성되는 플랫폼(70)에 가해지는 토크가 최소화된다.

3. 동적 밸런싱 시스템은 액티브 진동(active vibration)을 포함하며(incorporating), 온보드 컴퓨터 및 원격으로 조절가능한 웨이트(weight) 세트가 사용되어 무게 중심이 에어 베어링의 정밀한 회전 중심에 위치된 상태로 유지될 수 있게 한다. 이에 따라, 플랫폼(70)에 가해지는 토크가 최소화되어, 그 외의 경우, 하우징(20)의 선형 가속도(linear acceleration)에서 편차(variation)로부터 발생할 수도 있다.

4. 5의 동적 밸런싱 알고리즘, 이 알고리즘은 기기 플랫폼(70)을 거의 수직 방향으로 유지한다.

5. 베이스(50)는 하우징(20)의 선형 가속도로 인해 플랫폼(70)에 가해진 임의의 토크를 최소화시키기 위해 1 Hz까지의 상당한 감쇠력(damping)을 제공하는 가속 및 진동 댐퍼(40) 위에 장착된다.

6. 피치, 롤링 및 요잉 안정성을 향상시키기 위해 3개의 복합(compound) 자이로(78 및 91)가 사용된다.

7. 플랫폼(70)은 탄소 섬유 샌드위치 코어 구조를 사용하여 매우 견고하며, 이에 따라 자이로(91, 78)에 의해 유지되는 배열방향은 센서(79)들에 정확하게 전달된다(transferred).

8. 자이로(91, 78)와 자이로에 결합된 전기 구성요소들은 센서(79)들과의 간섭(interference)을 최소화시키도록 자기적으로 보호된다(magnetically shielded).

9. 제 1 자이로(91)는 과잉 열(excess heat)을 제거하기 위해 패시브 대류현상(passive convection)을 사용하는 히트 싱크(heat sink)로 둘러싸인다(wrapped).

10. 센서(79)들에 의해 수집된 데이터는 회전 플랫폼(70)으로부터 프레임(30)에 결부된 데이터 처리 및 기록 시스템에 무선으로 전송된다.

제공된 법규에 따르지만, 본 명세서에서는 본 발명에 따른 특정의 구체예들만이 예시되고 기술된다. 당업자는 본 발명에 따라 청구범위에 다룬 변형예들이 가능하며 그 외의 다른 특징들을 상응하게 사용하지 않고도 본 발명의 특정 특징들이 종종 바람직하게 사용될 수 있다는 사실을 이해할 것이다.

Claims (21)

1. 감소된 모션 노이즈(motion noise)를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치(10)에 있어서,
   상기 장치는:
   - 둥글납작한 전방 부분, 끝이 날카로운 후방 단부, 제 1 전방-후방 수평축(22)과 제 2 측면-측면 수평축(24)을 가진 눈물방울 형태의 하우징(20)을 포함하며;
   - 하우징(20)의 둥글납작한 단부에 있는 견인 프레임(30)을 포함하고, 상기 견인 프레임(30)은 베이스 링(32), 2개의 교차 아치형 바(34a, 34b), 및 2개의 수평 액슬(36a, 36b)을 가지는데, 상기 각각의 바(34a, 34b)는 베이스 링(32) 주위에서 베이스 링(32)에 대해 거리가 떨어진 위치에서 연결된 맞은편에 있는 단부를 가지고, 상기 두 수평 액슬(36a, 36b)은 하우징(20)의 제 2 수평축(24) 위에 놓여 있으며 상기 바 중 하나(34a)의 서로 맞은편 단부들로부터 돌출되며, 이 액슬들은 베이스 링(32)의 맞은편 쪽들로부터 돌출되고, 상기 장치를 이동시키도록 상기 장치를 차량에 결부시키기 위해 하우징(20)의 둥글납작한 부분의 맞은편 쪽들을 통해 돌출되며, 상기 액슬(36a, 36b)은 하우징(20)에 피벗회전 가능하게 연결되고(pivotally connected) 프레임(30)은 하우징(20) 내에서 프레임(30)이 제 2 수평축(24) 주위로 자유 상대 회전운동할 수 있게 하는 크기를 가지며;
   - 견인 프레임(30) 주위에 거리가 떨어져 있고 견인 프레임(30)에 연결된 복수의 진동 분리 댐퍼(40)를 포함하며, 상기 댐퍼들은 견인 프레임(30)의 수평 및 수직 진동을 감쇠하기에 효율적이고;
   - 복수의 진동 분리 댐퍼(40)에 장착된 베이스 어셈블리(50)를 포함하며, 상기 베이스 어셈블리(50)는 견인 프레임(30)이 하우징(20)의 제 2 수평축(24) 주위로 피벗회전할 때 하우징(20) 내에서 베이스 어셈블리(50)의 자유 운동을 위해, 일부분 이상은 견인 프레임(30)에 위치되고 전체적으로는 하우징(20)의 둥글납작한 부분에 위치되며, 견인 프레임(30)과 하우징(20)의 수직 및 수평 진동들은 베이스 어셈블리(50)에 도달하기 전에 댐프너(dampener)들에 의해 감쇠되고;
   - 베이스 어셈블리(50)의 바닥 가까이에서 베이스 어셈블리(50)에 고정된 바닥 단부를 가진 지지 페데스탈(54)을 포함하며, 상기 지지 페데스탈(54)은 베이스 어셈블리(50) 내에서 상부를 향해 견인 프레임(30) 내로 연장되고 견인 프레임(30)으로부터 내부 방향으로 거리가 떨어진 상측 자유 단부를 가지며;
   - 페데스탈(54)의 상측 자유 단부에 연결된 단일의 구형 에어 베어링(55)을 포함하고;
   - 구조적으로 견고한 기기 플랫폼(70)을 포함하며, 상기 기기 플랫폼(70)은 지지 페데스탈(54) 위에서 기기 플랫폼(70)을 회전가능하고 피벗회전 가능하게 지지하기 위해 구형 에어 베어링(55) 상에서 지지되고 상기 에어 베어링(55)에 결합된 상측 내부 정점(apex)을 가진 중공 구조의(hollow) 하측 콘 부분(72)을 가지며, 상기 기기 플랫폼(70)은 콘 부분(72)의 상부 방향으로 정점 위에서 견인 프레임(30) 내로 연장되는 상측 스템(71)을 가지고, 상기 기기 플랫폼(70)은 상기 스템(71)과 콘 부분(72)을 통해 연장되는 중앙축(75)을 가지며;
   - 에어 베어링(55) 상에서 기기 플랫폼(70)을 동적으로 밸런싱하기 위한 동적 밸런싱 시스템(80)을 포함하고;
   - 베이스 어셈블리(50)로부터, 견인 프레임(60)과 하우징(20)으로부터, 진동, 피벗회전 및 회전을 포함하는 모션 노이즈에 대해 균형이 맞춰져 있으면서도, 필드 데이터를 수집하기 위하여, 기기 플랫폼(70)에 장착된 하나 이상의 필드 센서(79)를 포함하는, 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 장치는 스템(71)에 장착되고 지지 페데스탈(54) 상에서 기기 플랫폼(70)의 롤링과 피치에 있어서 회전 지터(rotational jitter)를 감소시키기 위해 중앙축(75) 위에 위치된 제 1 자이로 스태빌라이저(91) 및 요잉(yaw)에 있어서 회전 지터를 감소시키기 위해 중앙축(75)으로부터 반경 방향으로 거리가 떨어져 있는 위치에서 기기 플랫폼(70)에 장착된 하나 이상의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)를 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   베이스 어셈블리(50)는 진동 분리 댐퍼(40)에 연결된 서스펜션 링(51), 주변 방향으로 거리가 떨어져 있고(circumferential spaced) 반경 방향으로 연장되는 복수의 슬롯(60)을 가지고 서스펜션 링(51) 하부에 거리가 떨어져 있는 베이스 플레이트(53), 서스펜션 링(51)과 베이스 플레이트(53) 주위로 거리가 떨어져 있고 베이스 플레이트(53)와 서스펜션 링(51) 사이에서 연결된 복수의 베이스 리브(52)를 포함하며, 각각의 베이스 리브(52)는 베이스 플레이트(53)에서 슬롯(60) 중 하나를 통해 연장되는 반경 방향으로 외부를 향해 연장되는 하측 아치형 부분(52a), 및 서스펜션 링(51)과 베이스 리브(52)의 아치형 부분(56a) 사이에서 연결된 내부를 향해 기울어진 부분(52b)을 가지고, 복수의 하측 대각선 브레이스(56a)는, 각각, 인접한 베이스 리브(52)의 중간 위치와 각각의 베이스 리브(52)의 하측 단부 사이에서 연결되고, 복수의 상측 대각선 브레이스(56b)는, 각각, 인접한 베이스 리브(52) 위의 중간 위치와 각각의 베이스 리브(52) 상에 있는 상측 단부 사이에서 연결되며, 상기 대각선 브레이스(54)들은 베이스 어셈블리(50)의 비틀림 강성을 증가시키고, 지지 페데스탈(54)은 베이스 플레이트(53) 위에 있는 상측 부분과 베이스 플레이트(53) 밑에 있는 하측 부분을 가지는데, 각각의 베이스 리브(52)의 하측 단부가 지지 페데스탈(54)의 하측 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   베이스 어셈블리(50)는 진동 분리 댐퍼(40)에 연결된 서스펜션 링(51), 주변 방향으로 거리가 떨어져 있고 반경 방향으로 연장되는 복수의 슬롯(60)을 가지고 서스펜션 링(51) 하부에 거리가 떨어져 있는 베이스 플레이트(53), 서스펜션 링(51)과 베이스 플레이트(53) 주위로 거리가 떨어져 있고 베이스 플레이트(53)와 서스펜션 링(51) 사이에서 연결된 복수의 베이스 리브(52)를 포함하며, 각각의 베이스 리브(52)는 베이스 플레이트(53)에서 슬롯(60) 중 하나를 통해 연장되는 반경 방향으로 외부를 향해 연장되는 하측 아치형 부분(52a), 및 서스펜션 링(51)과 베이스 리브(52)의 아치형 부분(56a) 사이에서 연결된 내부를 향해 기울어진 부분(52b)을 가지고, 복수의 하측 대각선 브레이스(56a)는, 각각, 인접한 베이스 리브(52)의 중간 위치와 각각의 베이스 리브(52)의 하측 단부 사이에서 연결되고, 복수의 상측 대각선 브레이스(56b)는, 각각, 인접한 베이스 리브(52) 위의 중간 위치와 각각의 베이스 리브(52) 상에 있는 상측 단부 사이에서 연결되며, 상기 대각선 브레이스(54)들은 베이스 어셈블리(50)의 비틀림 강성을 증가시키고, 지지 페데스탈(54)은 베이스 플레이트(53) 위에 있는 상측 부분과 베이스 플레이트(53) 밑에 있는 하측 부분을 가지는데, 각각의 베이스 리브(52)의 하측 단부가 지지 페데스탈(54)의 하측 부분에 연결되며, 각각의 베이스 리브(52)의 맞은편 쪽 위에 있는 한 쌍의 강화 플레이트(61)가 베이스 플레이트(53) 밑의 위치에 배치되고, 서스펜션 링(51), 베이스 리브(52), 베이스 플레이트(53)는 샌드위치 코어형(sandwich cored) 탄소 섬유 복합재로 제작되는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 장치는 스템(71)에 장착되고 지지 페데스탈(54) 상에서 기기 플랫폼(70)의 롤링과 피치에 있어서 회전 지터(rotational jitter)를 감소시키기 위해 중앙축(75) 위에 위치된 제 1 자이로 스태빌라이저(91) 및 요잉(yaw)에 있어서 회전 지터를 감소시키기 위해 중앙축(75)으로부터 반경 방향으로 거리가 떨어져 있는 위치에서 기기 플랫폼(70)에 장착된 하나 이상의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)를 포함하고, 기기 플랫폼(70)의 콘 부분(72)과 스템 부분(71)은 각각 일체형 샌드위치 코어형 탄소 섬유 복합재 재료를 포함하며, 스템 부분(71)은 제 1 자이로 스태빌라이저(91), 데이터 수집 시스템(90) 및 배터리(100a)와 인버터를 포함하는 파워 모듈(98)을 포함하는 복수의 적층형 기기 모듈(77)을 포함하고, 기기 플랫폼(70)은 스템 부분(71)과 콘 부분(72)을 따라 연장되며 주변 방향으로 거리가 떨어져 있는 복수의 수직 경화 플랫폼 리브(74), 및 플랫폼 리브(74)를 지나 기기 플랫폼(70) 주위로 연장되는 복수의 수평 강화 플랜지(73)를 포함하고, 상기 장치는 수평 강화 플랜지(73)들 중 하나와 스템의 맞은편 쪽 위에 장착된 균형잡힌(wieght-balanced) 한 쌍의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)을 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   필드 센서(79)는 1 Hz 내지 25 Hz 사이의 대역에서 측정된 저주파 자기 데이터를 포함하는 자기장 데이터를 수집하기 위해 피드백 유도 코일(feedback induction coil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   필드 센서(79)는 1 Hz 내지 25 Hz 사이의 대역에서 측정된 저주파 자기 데이터를 포함하는 자기장 데이터를 수집하기 위해 피드백 유도 코일을 포함하며, 상기 장치는 콘 부분(72) 주위에서 동일한 거리만큼 떨어져 있는 위치들에 장착된 3개의 센서들을 포함하고, 각각의 센서들은 콘 부분(72)의 하측 림에 근접하게 위치된 벡터 성분 센서(79)를 포함하며 이들 각각은 콘의 축과 공면에 배열되고(coplanar) 콘 표면에 대해 평행한 세로방향 축을 가지는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   각각의 진동 분리 댐퍼(40)는 프레임(30)의 아치형 바(34a, 34b)로부터 베이스 어셈블리(50)를 매다는(suspend) 수직 댐퍼(42)와 프레임(30)의 베이스 링(32)에 대해 베이스 어셈블리(50)에 콘 부분을 가로 방향으로 연결하는 수평 댐퍼(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   베이스 어셈블리(50)의 베이스 리브(52)들은 구형 에어 베어링(55) 위에 기기 플랫폼(70)의 롤링 및 피치 범위를 10° 내지 30°로 수용하도록 각도가 정해지는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 스템(71)에 장착되고 지지 페데스탈(54) 상에서 기기 플랫폼(70)의 롤링과 피치에 있어서 회전 지터(rotational jitter)를 감소시키기 위해 중앙축(75) 위에 위치된 제 1 자이로 스태빌라이저(91) 및 요잉(yaw)에 있어서 회전 지터를 감소시키기 위해 중앙축(75)으로부터 반경 방향으로 거리가 떨어져 있는 위치에서 기기 플랫폼(70)에 장착된 하나 이상의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)를 포함하고, 상기 자이로 스태빌라이저들은, 배터리(100b)와 인버터와 함께, 높은 자기 침투성(magnetic permeability)을 가진 메탈 내부의 기기 플랫폼(70)에 장착되는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 동적 밸런싱 시스템(80)을 추가로 포함하는데, 상기 동적 밸런싱 시스템(80)은 상기 장치로부터 분리되어 있는(separate) PC, 기기 플랫폿(70) 위에 장착되고 서로 90°로 배열된 선형 매스-밸런스 액츄에이터(A) 세트, 뿐만 아니라 상기 매스-밸런스 액츄에이터(A) 세트를 조절하기 위해 PC로부터 명령들을 수용하는 기기 플랫폼(70) 위에 장착된 내장 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 기기 플랫폼(70) 위에 장착된 내장 컴퓨터를 포함하는 동적 밸런싱 시스템; 상기 장치로부터 분리되어 있는 PC; PC에서 실행되는 동적 밸런싱 알고리즘; 에어 베어링(55) 밑에 있는 지지 페데스탈(54) 내에 포함된 3개의 상호-수직 선형 공압식 진동기(V) 세트를 포함하는 동적 밸런싱 시스템(80)을 추가로 포함하며, 상기 3개의 상호-수직 선형 공압식 진동기(V)들은 각각 상이한 주파수에서 진동하여 동적 밸런싱 알고리즘이 요청받은 중량 재분포(redistribution of mass) 작업을 어떻게 더 정밀하게 결정할 지에 따라 정보를 생성할 수 있게 하고, 동적 밸런싱 시스템은 PC에서 실행되는 동적 밸런싱 알고리즘에 의해 생성된 정보를 내장 컴퓨터에 무선으로 전송하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
13. 모션 노이즈에 의해 영향을 받지 않고도, 1 Hz 내지 25 Hz의 대역에서 저주파 자기 측정 데이터를 포함하는 자기 필드 데이터를 지속적으로 수집하기 쉽게 하기 위한 센서 안정화 장치(10)에 있어서,
    상기 장치(10)는:
    - 눈물방울 형태의 하우징(20)을 포함하고;
    - 견인 프레임(30)을 포함하며, 상기 견인 프레임(30)은 베이스 링(32), 상기 베이스 링(32)에 연결된 2개의 올라간 오목 교차 바(34a, 34b), 및 베이스 링(32)의 맞은편 쪽 위에 위치되고 2개의 교차 바(34a, 34b) 중 하나로부터 돌출되는 2개의 수평 액슬(36a, 36b)을 포함하고, 2개의 수평 액슬(34a, 34b)은 각각 상호 베어링(32a, 32b)에 의해 하우징(20)에 피벗회전 가능하게 연결되며 2개의 수평 액슬(34a, 34b)은 각각 상호 베어링(32a, 32b)을 통해 하우징(20) 내로 통과하고, 수평 액슬(36a, 36b)은 차량에 용이하게 결부되는 2개의 지점을 형성하며;
    - 프레임(30)에 연결되었지만 프레임(30)으로부터 그리고 하우징(20)으로부터 진동 분리된(vibrationally isolated) 베이스 어셈블리(50)를 포함하고, 베이스 어셈블리는 하측면(62)을 가진 원형 베이스 플레이트(53)와 일체로 구성된 바닥 단부를 가진 지지 페데스탈(54)을 포함하며, 지지 페데스탈(54)은 회전 중심을 포함하는 단일의 구형 에어 베어링(55)을 가진 맞은편 상측 단부를 가지고, 베이스 어셈블리(50)는 서스펜션 링(51), 원형 베이스 플레이트(53)에 연결된 복수의 수직 리브(52)를 추가로 포함하며, 상기 리브(52)는 원형 베이스 플레이트(53)에서 슬롯(60)을 통해 연장되고 반경 방향으로 각도가 정해지고, 상기 수직 리브(52)는 베이스 플레이트(53)의 하측면(62)에 영구적으로 결부된 리브(61) 쌍들 사이에 샌드위치 형태로 끼어지고(sandwiched), 베이스 어셈블리(50)는 복수의 수직 리브(52)의 인접한 부재들을 서로 연결하고 비틀림 강성을 증가시키기 위해 탄소 섬유로 제작된 대각선 브레이스(56)를 포함하며;
    - 일체형으로 구성된 샌드위치 코어형 탄소 섬유 복합재 재료를 포함하는 중공 구조의(hollow) 깔때기 형태의 회전-안정화된(rotationally stabilized) 기기 플랫폼(70)을 포함하고, 상기 플랫폼은 세로방향 축(75), 무게 중심 및 외측 표면을 가지며, 상기 플랫폼(70)은 지지 페데스탈(54) 위에서 그리고 단일의 구형 에어 베어링(55) 위에서 뒤집힌 상태로 지지되고, 플랫폼(70)은 스템 부분(71)과 콘 부분(72)을 포함하며, 콘 부분(72)은 하측 림을 가지고, 스템 부분(71)은 데이터 수집 시스템(90)을 포함하는 일련의 적층형 기기 모듈(77)을 포함하며, 데이터 수집 시스템(90) 뒤에 제 1 자이로 스태빌라이저(91)가 위치되고 제 1 자이로 스태빌라이저(91) 뒤에 배터리(100a)와 인버터를 포함하는 파워 모듈(98)이 위치되고;
    - 각각 세로방향 축을 가지는 3개의 벡터 성분 자기계(79)를 포함하며, 자기계(79)는 상기 하측 림에 인접한 콘 부분(71)의 외측 표면 위에 장착되고, 기기 플랫폼(70)은 플랫폼(70)에 추가적인 강성을 제공하기 위해 콘 부분(72)과 스템 부분(71)의 외측 표면에 고정 결부된(fixedly attached) 세로방향 리브(74)를 포함하며;
    - 스템 부분(71)의 한 면 위에서, 플랫폼의 축(75)의 반경 방향을 외부를 향해 위치되고 플랫폼(76) 위에 장착된, 플랫폼(70)의 축(75) 주위로 회전 운동과 회전 지터를 저항하기 위해 2개의 제 2 맞은편 자이로 스태빌라이저(78)를 포함하며, 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)는 배터리(100b)와 인버터와 함께 뮤-메탈 자기 실드(99) 내부에 장착되고;
    - 플랫폼(70)의 무게 중심이 에어 베어링의 회전 중심에 위치될 수 있도록 하기 위해 동적 밸런싱 시스템(80)을 포함하며, 동적 밸런싱 시스템(80)은, 각각 작은 선형 캐리지(carriage) 위에 위치된 작은 매스(mass)를 가진 선형 상호-수직 액츄에이터(A) 세트; 각각 상이한 주파수에서 진동하는 선형 공압식 상호-수직 진동기(V) 세트; 상기 장치로부터 분리되어 있는 PC; PC에서 실행되는 동적 밸런싱 알고리즘; 액츄에이터(A) 세트를 조절하기 위해 플랫폼(70) 위에 장착된 내장 컴퓨터; 및 PC로부터 내장 컴퓨터에 무선으로 정보를 전송하기 위한 수단을 포함하고, 플랫폼 위의 내장 컴퓨터는 PC에서 실행되는 동적 밸런싱 알고리즘으로부터 무선으로 위치 명령들을 수신하며;
    - 하우징(20)의 회전과 진동으로부터 플랫폼(70)과 베이스 어셈블리(50)를 분리하기 위해 진동 분리 댐퍼 시스템(40)을 포함하고, 상기 댐퍼 시스템(40)은 프레임(30)의 교차 바(34a, 34b)로부터 베이스를 매달기 위해 수직 방향으로 배열된 댐퍼(42) 및 베이스 어셈블리(50)를 프레임(30)의 베이스 링(32)에 가로 방향으로 연결하기 위한 수평 댐퍼(44)를 포함하며, 베이스 어셈블리(50)의 반경방향리브(52)는 기기 플랫폼(70)의 선택된 크기의 롤링 및 피치 범위를 수용하도록 각도가 형성되는, 모션 노이즈에 의해 영향을 받지 않고도, 1 Hz 내지 25 Hz의 대역에서 저주파 자기 측정 데이터를 포함하는 자기 필드 데이터를 지속적으로 수집하기 쉽게 하기 위한 센서 안정화 장치(10).
14. 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치에 있어서,
    상기 장치는:
    - 하우징(20);
    - 하우징(20) 내의 견인 프레임(30);
    - 댐퍼(40)에 장착된 베이스 어셈블리(50);
    - 상측 자유 단부와 베이스 어셈블리(50)에 고정된 바닥 단부를 가진 지지 페데스탈(54);
    - 지지 페데스탈(54)의 상측 자유 단부에 연결된 단일 구형 에어 베어링(55);
    - 중앙축(75)을 가지고 하나의 점 지지(point support)를 위해 에어 베어링(55) 상에서 지지된 상측 내부 정점을 가진 중공 구조의 하측 깔때기를 가진 기기 플랫폼(70);
    - 에어 베어링 상에서 플랫폼을 동적으로 균형을 맞추기 위한 동적 밸런싱 시스템(80); 및
    - 하우징(20)으로부터, 견인 프레임(30)으로부터, 베이스 어셈블리(50)로부터, 진동, 피벗회전 및 회전을 포함하는 모션 노이즈에 대해 안정화되면서도, 필드 데이터를 수집하기 위해 기기 플랫폼(70)에 장착된 하나 이상의 필드 센서(79)를 포함하는, 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 장치는 피벗회전 및 회전 안정성을 유지하기 위하여 기기 플랫폼(70)에 연결된 복수의 자이로 스태빌라이저(91, 78)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
16. 제 14 항에 있어서,
    구형 에어 베어링(55)은 지지된 반구 부분과 오목 지지 부분을 포함하고, 오목 지지 부분과 지지된 반구 부분은 둘 다 구형 에어 베어링에 의해 유도된 와전류(eddy current)를 최소화시키기 위해 밀링가공된 홈(G) 횡단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
17. 제 14 항에 있어서,
    기기 플랫폼(70)은 하측 림 뿐 아니라 외측 표면을 가지는 하측 콘 부분(72)과 외측 표면을 가지는 상측 스템 부분(71)을 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
18. 제 14 항에 있어서,
    구형 에어 베어링(55)은 오목 지지 부분에 공기를 공급하기 위해 오목 지지 부분에 연결된 압축 공기 또는 가스(57) 공급원을 포함하며 이에 따라 지지된 반구 부분이 공기의 쿠션 위에 부유하는(float) 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
19. 제 15 항에 있어서,
    복수의 자이로 스태빌라이저(91, 78)는 공기 플랫폼(70)의 스템 부분(71) 내에 포함된 한 개의 제 1 자이로 스태빌라이저(91), 및 기기 플랫폼(70)의 스템 부분(71)의 외측 표면 주위에 동일한 거리만큼 떨어져 있고 스템 부분(71)의 외측 표면에 장착된 2개의 제 2 자이로 스태빌라이저(78)를 포함하는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
20. 제 19 항에 있어서,
    자이로 스태빌라이저들은 높은 자기 침투성(magnetic permeability)을 가진 메탈 엔클로저(metal enclosure)(99) 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 장치는 각각 기기 플랫폼(70)의 콘 부분(72)의 외측 표면 상에서 동일한 거리만큼 떨어져 있으며 콘 부분(72)의 외측 표면에 장착된 세로방향 축을 가진 3개의 필드 센서를 포함하고, 3개의 필드 센서(79)는 콘 부분(72)의 하측 림에 인접하게 위치되며 이에 따라 세로방향 축들은 기기 플랫폼(70)의 중앙축(75)과 공면에 배열되는 것을 특징으로 하는 감소된 모션 노이즈를 가진 필드 데이터를 수집하기 위한 안정화된 필드 센서 장치.