近年來，隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展和航磁設備的小型化，航磁探測技術(shù)與無人機結(jié)合逐漸成為可能，彩虹三無人機航磁系統(tǒng)的成功作業(yè)證實了無人機航磁技術(shù)的可行性。但彩虹三的造價成本和運營成本過高也成為其弊端。因此，輕量化、專業(yè)化的無人機航磁平臺將會是未來的趨勢。

1.2建設目標?建設專業(yè)的無人機航磁探測系統(tǒng)

?滿足航空物探規(guī)范以及未來即將推出的無人機航空物探規(guī)范

?以實際航磁作業(yè)應用為目標

?提升整體航磁技術(shù)理論和實踐水平

?良好的保障和維護，保證設備的長期穩(wěn)定

2、解決方案2.1系統(tǒng)原理簡述地球本身就是一個巨大的磁體，在地球表面會呈現(xiàn)緩慢梯度變化，同時，地球表面不同磁場特性的物質(zhì)，如巖石、礦體、人造設備等也會導致地磁場的劇烈變化，通過對一個區(qū)域的磁異常變化檢測和描述，可以有針對性的實現(xiàn)物質(zhì)探測和目標尋找等目的。

2.2總體方案設計



本系統(tǒng)采用航磁測量系統(tǒng)作為系統(tǒng)核心，對航磁探測所需各項數(shù)據(jù)進行采集和匯總，同時通過飛行中不斷采集所得數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)包含以下模塊：數(shù)據(jù)收錄采集模塊，三分量數(shù)據(jù)測量模塊，GPS模塊。

應用領域：淺部埋藏物，未爆彈藥

不同高度礦山勘探/跟蹤/監(jiān)測

考古勘探，保護區(qū)（文化遺產(chǎn)、農(nóng)田）

在無法到達的、被淹沒的或雷區(qū)進行探測

性能：

地面靜態(tài)噪聲水平	≤1pT
空中動態(tài)噪聲水平	≤20pT
數(shù)據(jù)采集器噪聲水平	≤0.286pT
分辨率	0.0001nT
靈敏度	0.0003nT√Hz
探頭方向差	±0.25nT
量程	15000～105000 nt
采樣率	2-500Hz,可選
工作溫度	0到+50℃
校準	不需要
最大梯度容量	40000nT/m
銫光泵整套系統(tǒng)重量	6KG
測線重復性	≤1nT
補償方式	實時磁補償
補償精度	≤20pT
補償性能	改正比（總場）：10-20 改正比（梯度）：20-100

2.2.1飛行作業(yè)流程2.2.2制定作業(yè)計劃測量人員與飛行控制人員協(xié)商、溝通后，制定相應飛行作業(yè)計劃、確定具體飛行測線。飛行控制人員要預先掌握起降點、航路、測區(qū)的天氣狀況，了解空域活動情況，制定飛行計劃，預計起飛時間和著陸時間，并向有關航管部門申報飛行計劃。

2.2.3補償飛行在測線任務開始前，無人機需進行補償飛行，以獲取磁補償所需補償系數(shù)。具體要求如下：

1）選擇地磁場相對平穩(wěn)區(qū)域；

2）要求飛行高度：3000米；

3）要求飛行空域：邊長為100秒飛行距離的矩形區(qū)域，梯度變化小于50nT/km，飛行空域應事先選擇確定；

4）航磁校準/補償飛行動作

到達要求高度和空域后，北航向平飛，按如下圖所示四邊形軌跡飛行，在每個航向上做3組機動動作：



圖1補償飛行示意圖

l機動動作：3次±5°的俯仰、3次±10°的搖擺、3次±5°的偏航（每次動作約10秒）。

l每種動作（3次）連續(xù)完成，每種動作開始前、結(jié)束后可短暫平飛2-3秒。

l每個方向動作完成后，順時針（向右）平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎90°。

l全部完成后，重新回到北航向。

2.2.4測線作業(yè)起飛前準備按照進場任務，飛行控制人員完成加注燃料等準備工作，將無人機牽引至預定起降位置，無人機系統(tǒng)開始供電，飛行控制人員對無人機執(zhí)行快速程序檢查，并完成航跡飛行參數(shù)檢查。

首先確認地面磁日變站開始正常運行。然后測量人員打開航測測量系統(tǒng)，對儀器通電加溫，檢查各種儀器工作是否正常、開啟航磁儀、鎖定工作狀態(tài)，檢查收錄系統(tǒng)工作狀態(tài)，確認測量系統(tǒng)工作正常。

當無人機和航空測量系統(tǒng)經(jīng)過檢查測試一切正常后，啟動無人機，在測控站內(nèi)的指揮員下達起飛命令后，無人機操作員發(fā)送起飛指令，無人機依照程序調(diào)至起飛狀態(tài)，飛機啟動旋翼，實現(xiàn)自主起飛。起飛后在飛離機場區(qū)域后切入自動飛行控制模式。

2.2.5空中測量無人機從起降點起飛后，首先進行螺旋式爬升，然后爬升至預訂飛行高度后飛往待測區(qū)域，按照任務計劃自主測線，通過導航定位系統(tǒng)對準航線保證作業(yè)航偏在規(guī)定范圍內(nèi)。

飛機飛行測量過程中，測控人員實時對儀器工作狀態(tài)進行監(jiān)控和記錄。

2.2.5返航與自主著陸完成本架次預設測線任務的測量后，無人機進行返航，緩慢螺旋式下降至安全高度，返回起降點。無人機將按照預先設定的降落點自主降落，飛行控制人員時刻關注下降過程，并保證隨時可通過遙控器處理可能發(fā)生的突發(fā)意外情況。

2.2.6儀器設備檢測維護無人機著陸停穩(wěn)后，飛行控制人員對進行無人機檢查、維護，涉及發(fā)動機、機體結(jié)構(gòu)、電氣、起落架等部分。按照固定流程要求完成無人機系統(tǒng)檢查和維護，發(fā)現(xiàn)問題及時報告。

測量人員確認儀器工作狀態(tài)，并拷貝本架次的原始數(shù)據(jù)。若當天任務完成，則關閉所有儀器設備。返回基地后，對儀器工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作量等進行統(tǒng)計，并向有關負責人員匯報。

測區(qū)作業(yè)期間，飛行控制人員和航磁測量人員要相互配合，提前做好飛行準備工作，以保證測量飛行工作的順利開展。

2.2.7數(shù)據(jù)處理結(jié)果處理方面主要利用已有數(shù)據(jù)對野外實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)導出與編輯、壞點剔除、測線切割與合并、噪聲壓制、網(wǎng)格化、異常分離與增強等處理。

2.3硬件系統(tǒng)設計無人機磁探平臺系統(tǒng)包括無人機平臺和磁探平臺兩個子模塊。其中無人機平臺提供載荷，并達到磁探平臺要求的動作指標；磁探平臺通過數(shù)采系統(tǒng)和傳感器獲得磁場信號數(shù)據(jù)，再根據(jù)校準系數(shù)和補償算法補掉干擾場，獲得最終數(shù)據(jù)。整個平臺包含硬件儀器設備如下：

設備名稱	描述	數(shù)量
無人機	電動八旋翼無人機航磁改裝版（含航磁穩(wěn)定套件，安裝套件）	1
銫光泵磁力儀	自振蕩分叉光束銫光泵（無放射性的Cs-133）	1
三分量磁力儀	補償	1
航磁補償系統(tǒng)	數(shù)據(jù)采集及磁補償	1
GPS	定位及參與磁補償	1
預處理軟件	實現(xiàn)坐標替換、日變匹配、數(shù)據(jù)補償、數(shù)據(jù)濾波及數(shù)據(jù)改正等功能	1
IMU慣性導航	姿態(tài)補償	1
數(shù)傳電臺	實時數(shù)據(jù)傳輸	1
高度計	高度補償	1

其中數(shù)據(jù)補償系統(tǒng)的主要硬件為頻率計數(shù)卡、數(shù)據(jù)采集卡、及GPS。頻率計數(shù)卡可以從光泵傳感器讀取數(shù)據(jù)完成快速而精確的頻率測量。數(shù)據(jù)采集卡用于從三分量磁力儀傳感器采集信號，并實現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，送入航磁系統(tǒng)進行分析處理。

一、航磁補償器

序號	指標	參數(shù)
1	總場磁力儀采集路數(shù)	高靈敏度磁力儀探頭通道1個
2	磁場測量范圍	10,000–105,000 nT
3	前端 （FE）	分辨率: 0.286pT 采樣率: 1,2，5，10,20,50,100Hz
4	補償性能	改正比（IR）（總場）:10–20； 補償精度:對于整個飛行測線σ≈20pT，0–1Hz
5	濾波器	1.6Hz帶寬
6	測量電路熱啟動時間	5分鐘
7	校準時間	6-8分鐘
8	數(shù)據(jù)輸出和記錄	采樣率:1,2，5，10,20,50,100Hz外部觸發(fā) 串行端口:115.2 kbps，ASCII/Binary 網(wǎng)口：TCP/IP包，ASCII/Binary 記錄介質(zhì):內(nèi)部存儲卡
9	事件輸入/GPS同步	GPS PPS同步采集輸入
10	顯示	可外接顯示設備，選配小型化觸控顯示屏
11	遠程控制	任何Windows7及以上版本操作系統(tǒng)的計算機，通過網(wǎng)口連接就可以登錄到系統(tǒng)的操作界面（系統(tǒng)支持無線網(wǎng)絡連接）
12	補償模式	實時補償，后補償
13	電源	24VDC
14	環(huán)境要求	工作溫度:-20°至50°
15	重量：	750g

補償效果：



系統(tǒng)本身提供了多種補償策略，在傳統(tǒng)16項系數(shù)補償效果基礎上加入GPS和高度補償，實現(xiàn)顯示加入GPS和高度補償?shù)臄?shù)據(jù)提升效果顯著。

	標準差	改善比
補償前	0.4518	------------
小鷹傳統(tǒng)補償	0.0825	5.48
小鷹GPS補償	0.0259	17.5

小鷹補償系統(tǒng)與航磁系統(tǒng)基于同一探頭同時分路采集補償進行了多次平行對比試驗。試驗結(jié)果顯示傳統(tǒng)16項系數(shù)補償效果與510補后效果極為接近，加入GPS和高度補償后，效果已遠超ARC510：

二、總場磁力儀

工作原理	自振蕩分叉光束銫光泵（無放射性的Cs-133）
工作范圍	10,000nT～100,000nT
梯度差	40000nT/m
半球形開關	手動（內(nèi)部開關）
靈敏度	0.0003nT/√Hz（rms）
噪音水平	典型峰-峰值0.002nT、帶寬0.1Hz
輸出	連續(xù)信號：連續(xù)信號：TTL,頻率正比于磁場值，系數(shù)為3.49857Hz/nT
帶寬	僅受磁力儀所采用的處理器限制
傳感器	400g
探頭電子器件	750g
總重	1150 g
工作溫度	-30°C～+40°C
濕度	可達90％，防濺水
電壓	24～35VDC
電流	在20°C時，啟動約1A