CH-3無人機航空物探磁放綜合站應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

閆東 周乃恩

摘? 要： 為解決目前有人機航空物探所存在的作業(yè)效率低、成本費用高、危險性大以及缺乏靈活性等問題，本文提出了CH-3無人機航空物探磁放綜合應用系統(tǒng)。研究設計了航磁水滴探頭艙，并將其安裝在磁場環(huán)境相對干凈的翼尖，可以靈活地調(diào)節(jié)航磁探頭使其保持與待測目的地磁場線垂直;研究設計了航放晶體箱，能夠效減輕航放晶體在作業(yè)時的震動，并給航放晶體保溫，防止其因溫度變化過大而無法工作。借助于CH-3無人機本身續(xù)航時間長、掛載能力強、機動靈活等優(yōu)勢，同時搭載航磁設備及航放設備，使其具備超低空飛行、高精度地形跟隨、夜航作業(yè)等能力。飛行試驗表明，CH-3無人機航空物探磁放綜合應用系統(tǒng)為我國區(qū)域地質調(diào)查增加了一種安全、高效、靈活、經(jīng)濟的航空物探勘查手段，具備了推廣應用的基礎。

關鍵詞： 無人機;航空物探;磁放綜合;超低空飛行

中圖分類號： V279? ? 文獻標識碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.029

本文著錄格式：閆東，周乃恩. CH-3無人機航空物探磁放綜合站應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（10）：120125

【Abstract】： An application system of CH-3 UAV aerogeophysical and magnetic amplifier integrated station is introduced. Maritime satellite communication equipment， aeromagnetic measurement equipment and aerial radiometric measurement equipment are added to the UAV flight platform. The antenna of the maritime satellite communication equipment is installed outside the skin of the UAV and is positioned directly above the payload cabin of the UAV flight platform; Maritime satellite is installed directly above the payload cabin of the UAV flight platform. The airborne equipment of satellite communication equipment is installed in the payload cabin. When the UAV flying platform is below 120 meters or the visual distance exceeds 200 km， the communication between the UAV flying platform and the ground station is realized by using the maritime satellite communication equipment. The aeromagnetic measuring equipment is installed in the payload cabin of the UAV flying platform and the UAV flying. The two ends of the wing of the platform are used to survey oil， gas and other minerals; the aerial radiometry equipment is installed in the load cabin to measure the content of radioactive elements in geological and mineral resources; and the bottom of the load cabin is made of non-metallic materials， which is directly in line with the aerial radiometry equipment.

【Key words】： UAV system; Aero-geophysical; Magnetic and radioactive system hedgehop

0? 引言

目前航空物探以有人機為主要載體，然而近年來隨著航空物探作業(yè)量的增加，航空物探作業(yè)飛機出現(xiàn)事故的概率也在增加;有人機對起降條件、地勤支持等要求很高，且無法在夜間和惡劣天氣條件下開展航空物探作業(yè)，目前航空物探項目總經(jīng)費超過65%用于租賃有人機，顯而易見，危險性高、成本極高、靈活性差以及作業(yè)效率低等問題已經(jīng)嚴重制約了航空物探的技術發(fā)展和大規(guī)模推廣應用。隨著無人機技術的發(fā)展成熟，無人機航空物探成為解決上述問題的有效途徑，無人機具有效率高、成本低、風險小、不受地形條件及人為因素影響等優(yōu)點，可以實現(xiàn)超低空安全飛行、夜航作業(yè)，能夠更加快速、高效、高質量地獲取航空物探數(shù)據(jù)。

1? 國內(nèi)外現(xiàn)狀

無人機航空物探測量系統(tǒng)具有小型化、智能化、重量輕、尺寸小、費用低、續(xù)航能力強等特點，2000年前后，國際上多個發(fā)達國家開展了無人機航空物探裝備技術的研發(fā)工作。加拿大Fugro航空測量公司于2004年推出了高精度無人機航磁測量系統(tǒng)Geo Ranger[1];澳大利亞于2006年3月在西澳進行了500 km無人機航磁測量試驗測量，其飛行高度在500- 900 m之間[2];德國MGT公司于2010年研發(fā)了MGT-UAS（磁/電）系統(tǒng)[3];自2012年以來，日本發(fā)展了多款基于無人直升機和固定翼無人機的航磁、航重等系統(tǒng);加拿大研發(fā)了Skydart無人直升機吊艙式航磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝配有銫光泵磁力儀，目前已用于商業(yè)飛行服務[4]?？傊?，國外無人機航磁技術較成熟，多采用高精度銫光泵磁力儀搭載在固定翼無人機上。

而國內(nèi)相關研究很少，無人機應用剛剛起步。中國國土資源航空物探遙感中心曾立項研制無人機航磁系統(tǒng);中國科學院于2009年10月試飛了無人機航磁系統(tǒng);航天十一院自2011年起受中國地質調(diào)查局的委托，開始使用彩虹系列無人機進行航空電磁探測和航放測量儀器的搭載研究和測試試驗，取得了初步的成功;2015年5月，中國地質調(diào)查局在河北保定對“固定翼無人機航磁探測系統(tǒng)研制”課題在2010-2012年的研發(fā)成果進行了結題驗收[5-7]。

2? 系統(tǒng)方案

本文所提出的CH-3無人機航空物探磁放綜合站應用系統(tǒng)主要由無人機平臺分系統(tǒng)、磁放綜合分系統(tǒng)和測控通信分系統(tǒng)組成。其中，磁放綜合分系統(tǒng)由航磁子系統(tǒng)和航放子系統(tǒng)構成，無人機平臺分系統(tǒng)由結構、動力、電氣、燃油、導航、飛控、起落架等子系

統(tǒng)構成，測控通信分系統(tǒng)由視距通信子系統(tǒng)和海事衛(wèi)星通信子系統(tǒng)構成。如圖1所示，無人機飛行平臺同時為海事衛(wèi)星測量設備、航磁設備和航放設備供電，并與航磁設備和航放設備實現(xiàn)相互通信;航磁設備主要包括磁通門、航磁探頭、前置放大器和磁力儀。航磁探頭及前置放大器獲取大地磁場的拉莫爾頻率數(shù)據(jù)，并通過前置放大器傳輸至磁力儀，磁通門獲取無人機飛行平臺的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)并傳輸至磁力儀，磁力儀根據(jù)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)對拉莫爾頻率數(shù)據(jù)進行補償;航放設備主要包括航放主機和晶體箱，晶體箱接收地質礦產(chǎn)中放射性元素數(shù)據(jù)，航放主機記錄存儲航放探測晶體采集的數(shù)據(jù);地面站用于上傳對無人機平臺及磁放綜合系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)以及下傳磁放綜合站記錄的數(shù)據(jù)。無人機平臺同時搭載航磁設備和航放設備開展航空物探作業(yè)，航磁設備用于普查石油和天然氣以及其他礦產(chǎn);航放設備用于測量地質礦產(chǎn)中放射性元素的含量。

3? 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1? 無人機磁本底測試

由于航磁設備具有高靈敏度、大梯度適應性、響應速度快等特性。為了保證航磁設備的測量精度，必須優(yōu)選航磁設備的安裝位置，安裝位置附近盡可能遠離運動表面或導磁體，并確保所有接近航磁探頭的物體沒有磁化污染，盡可能減少導電體（如黃銅螺絲和鋁），避免在地磁場中運動時二次場的激發(fā)。

如圖2所示，對CH-3無人機的靜態(tài)磁場分布進行了測量，可以明顯看出，干擾磁場的梯度最大值位于無人機軸線上，梯度值向兩翼方向逐漸減小。P1和P0位置結構強度均滿足安裝要求，但P1處距離機身更遠，據(jù)此將航磁探頭選在機翼翼尖位置，使磁敏感部件最大限度地遠離噪聲源。

3.2? 航磁探頭艙設計

航磁設備中的航磁探頭位置需要與待測目的地磁場線垂直，且航磁探頭外形對飛行性能影響較大，因此本文提出了航磁探頭艙的設計，航磁探頭艙采用水滴探頭艙，根據(jù)安裝空間及安裝距離的要求，首先設計了航磁探頭艙的氣動外形，航磁探頭艙在攻角3°、側滑角15°、速度50 m/s的情況的流場如圖3所示。探頭艙帶來的氣動阻力增加為全機的1.9%，探頭艙整流效果較好。

3.3? 航放晶體箱設計

為了滿足航放晶體的特殊安裝要求，本文采用航放晶體箱設計，實現(xiàn)對航放晶體的減震與隔熱設計。如圖4所示，航放晶體置于海綿內(nèi)，兩端由固定器固定，海綿可以有效減輕航放晶體在作業(yè)時的震動，并給航放晶體保溫，防止其因溫度變化過大而無法工作;固定器、電路板、擋板和航放晶體連接在一起，組成航放晶體供電及數(shù)據(jù)傳輸模塊;電線及網(wǎng)線穿過海綿為晶體供電并將航放晶體所測出的數(shù)據(jù)傳送到無人機上;放晶體箱外殼材料為玻璃鋼纖維，并采用蜂窩式結構，與其他材料相比在減輕重量的同時增大了結構強度與抗沖擊性能。

3.4? 系統(tǒng)集成安裝

3.4.1? 航磁設備集成

航磁測量設備包括磁力儀、航磁探頭艙、磁通門和前置放大器，航磁探頭艙內(nèi)安裝航磁探頭。根據(jù)CH-3無人機靜態(tài)磁場分布，將不受電磁環(huán)境影響的磁力儀通過支架連接安裝在載荷艙內(nèi)加強框上;將對電磁環(huán)境敏感的航磁探頭艙固定安裝在無人機飛行平臺的機翼兩端;磁通門安裝在無人機飛行平臺機翼垂尾底端，前置放大器安裝在無人機飛行平臺的機翼內(nèi)部靠近翼尖位置，前置放大器與磁通門相連，并在相應位置的機翼下方蒙皮開口，磁通門和前置放大器安裝配件均選用無磁性材料。

3.4.2? 航放設備集成

如圖5所示，航放測量設備包括航放主機和晶體箱，航放主機和晶體箱采用減震安裝在載荷艙內(nèi)。晶體箱外殼材料為纖維玻璃鋼，并采用蜂窩結構構成，晶體箱內(nèi)的航放探測晶體兩端固定后填充海綿，為航放探測晶體供電的電路板上的電線通過海綿內(nèi)部連結在航放探測晶體上，晶體箱安裝在磁力儀下方通過耳片連接在載荷艙加強框上;與晶體箱正對的載荷艙底部采用非金屬的材料;航放探測晶體越多，航放測量精度越高，本文以3條航放探測晶體為例，如需增加航放探測晶體數(shù)量，需增設擋板及固定裝置;航放主機記錄存儲磁放探測晶體采集的伽馬射線數(shù)據(jù)，用于測量地質礦產(chǎn)中放射性元素的含量。

4? 實現(xiàn)

4.1? 氣動試驗

由于航磁探頭艙通過探桿安裝在機翼兩端，對飛行性能造成了一定的影響，為了保證飛行安全性，本文開展了如下氣動分析分析計算。

應用系統(tǒng)外形氣動性能模擬基于N-S方程，采用多塊結構網(wǎng)格。如圖6所示，分別為不帶航磁設備的CH3無人機外形表面網(wǎng)格、帶航磁外形表面網(wǎng)格以及航磁設備的局部網(wǎng)格。可知，無人機不帶航磁設備外形與帶航磁設備外形模擬參數(shù)相同，掛載航磁設備不會對無人機操穩(wěn)特性及結構帶來安全性影響。

無人機模擬高度h=500 m，速度V=50 m/s，攻角=0，3，6、=0，5，15，參考面積S=9.44 m2，參考長度L=1.519 m，力矩參考點為無人機頭部頂點，計算參數(shù)及結果見表1所示（對比模型為不帶航磁設備的CH-3無人機）。