閆東 周乃恩

摘? 要： 為解決目前有人機(jī)航空物探所存在的作業(yè)效率低、成本費(fèi)用高、危險(xiǎn)性大以及缺乏靈活性等問題，本文提出了CH-3無人機(jī)航空物探磁放綜合應(yīng)用系統(tǒng)。研究設(shè)計(jì)了航磁水滴探頭艙，并將其安裝在磁場(chǎng)環(huán)境相對(duì)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(cè)目的地磁場(chǎng)線垂直;研究設(shè)計(jì)了航放晶體箱，能夠效減輕航放晶體在作業(yè)時(shí)的震動(dòng)，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(jī)本身續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、掛載能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)搭載航磁設(shè)備及航放設(shè)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(yàn)表明，CH-3無人機(jī)航空物探磁放綜合應(yīng)用系統(tǒng)為我國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查增加了一種安全、高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的航空物探勘查手段，具備了推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī);航空物探;磁放綜合;超低空飛行

中圖分類號(hào)： V279? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)航空物探磁放綜合站應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)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(jī)出現(xiàn)事故的概率也在增加;有人機(jī)對(duì)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(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)超過65%用于租賃有人機(jī)，顯而易見，危險(xiǎn)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(yán)重制約了航空物探的技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模推廣應(yīng)用。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟，無人機(jī)航空物探成為解決上述問題的有效途徑，無人機(jī)具有效率高、成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、不受地形條件及人為因素影響等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)超低空安全飛行、夜航作業(yè)，能夠更加快速、高效、高質(zhì)量地獲取航空物探數(shù)據(jù)。

1? 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

無人機(jī)航空物探測(cè)量系統(tǒng)具有小型化、智能化、重量輕、尺寸小、費(fèi)用低、續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn)，2000年前后，國(guó)際上多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家開展了無人機(jī)航空物探裝備技術(shù)的研發(fā)工作。加拿大Fugro航空測(cè)量公司于2004年推出了高精度無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)Geo Ranger[1];澳大利亞于2006年3月在西澳進(jìn)行了500 km無人機(jī)航磁測(cè)量試驗(yàn)測(cè)量，其飛行高度在500- 900 m之間[2];德國(guó)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(jī)和固定翼無人機(jī)的航磁、航重等系統(tǒng);加拿大研發(fā)了Skydart無人直升機(jī)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(wù)[4]?？傊瑖?guó)外無人機(jī)航磁技術(shù)較成熟，多采用高精度銫光泵磁力儀搭載在固定翼無人機(jī)上。

而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究很少，無人機(jī)應(yīng)用剛剛起步。中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心曾立項(xiàng)研制無人機(jī)航磁系統(tǒng);中國(guó)科學(xué)院于2009年10月試飛了無人機(jī)航磁系統(tǒng);航天十一院自2011年起受中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的委托，開始使用彩虹系列無人機(jī)進(jìn)行航空電磁探測(cè)和航放測(cè)量?jī)x器的搭載研究和測(cè)試試驗(yàn)，取得了初步的成功;2015年5月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在河北保定對(duì)“固定翼無人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)研制”課題在2010-2012年的研發(fā)成果進(jìn)行了結(jié)題驗(yàn)收[5-7]。

2? 系統(tǒng)方案

本文所提出的CH-3無人機(jī)航空物探磁放綜合站應(yīng)用系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)分系統(tǒng)、磁放綜合分系統(tǒng)和測(cè)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(gòu)成，無人機(jī)平臺(tái)分系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、電氣、燃油、導(dǎo)航、飛控、起落架等子系

統(tǒng)構(gòu)成，測(cè)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(gòu)成。如圖1所示，無人機(jī)飛行平臺(tái)同時(shí)為海事衛(wèi)星測(cè)量設(shè)備、航磁設(shè)備和航放設(shè)備供電，并與航磁設(shè)備和航放設(shè)備實(shí)現(xiàn)相互通信;航磁設(shè)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(chǎng)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(jī)飛行平臺(tái)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(duì)拉莫爾頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償;航放設(shè)備主要包括航放主機(jī)和晶體箱，晶體箱接收地質(zhì)礦產(chǎn)中放射性元素?cái)?shù)據(jù)，航放主機(jī)記錄存儲(chǔ)航放探測(cè)晶體采集的數(shù)據(jù);地面站用于上傳對(duì)無人機(jī)平臺(tái)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(jī)平臺(tái)同時(shí)搭載航磁設(shè)備和航放設(shè)備開展航空物探作業(yè)，航磁設(shè)備用于普查石油和天然氣以及其他礦產(chǎn);航放設(shè)備用于測(cè)量地質(zhì)礦產(chǎn)中放射性元素的含量。

3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1? 無人機(jī)磁本底測(cè)試

由于航磁設(shè)備具有高靈敏度、大梯度適應(yīng)性、響應(yīng)速度快等特性。為了保證航磁設(shè)備的測(cè)量精度，必須優(yōu)選航磁設(shè)備的安裝位置，安裝位置附近盡可能遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)表面或?qū)Т朋w，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(dǎo)電體（如黃銅螺絲和鋁），避免在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)二次場(chǎng)的激發(fā)。

如圖2所示，對(duì)CH-3無人機(jī)的靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)量，可以明顯看出，干擾磁場(chǎng)的梯度最大值位于無人機(jī)軸線上，梯度值向兩翼方向逐漸減小。P1和P0位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足安裝要求，但P1處距離機(jī)身更遠(yuǎn)，據(jù)此將航磁探頭選在機(jī)翼翼尖位置，使磁敏感部件最大限度地遠(yuǎn)離噪聲源。

3.2? 航磁探頭艙設(shè)計(jì)

航磁設(shè)備中的航磁探頭位置需要與待測(cè)目的地磁場(chǎng)線垂直，且航磁探頭外形對(duì)飛行性能影響較大，因此本文提出了航磁探頭艙的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)了航磁探頭艙的氣動(dòng)外形，航磁探頭艙在攻角3°、側(cè)滑角15°、速度50 m/s的情況的流場(chǎng)如圖3所示。探頭艙帶來的氣動(dòng)阻力增加為全機(jī)的1.9%，探頭艙整流效果較好。

3.3? 航放晶體箱設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航放晶體的減震與隔熱設(shè)計(jì)。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(shí)的震動(dòng)，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(cè)出的數(shù)據(jù)傳送到無人機(jī)上;放晶體箱外殼材料為玻璃鋼纖維，并采用蜂窩式結(jié)構(gòu)，與其他材料相比在減輕重量的同時(shí)增大了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗沖擊性能。

3.4? 系統(tǒng)集成安裝

3.4.1? 航磁設(shè)備集成

航磁測(cè)量設(shè)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(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)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(qiáng)框上;將對(duì)電磁環(huán)境敏感的航磁探頭艙固定安裝在無人機(jī)飛行平臺(tái)的機(jī)翼兩端;磁通門安裝在無人機(jī)飛行平臺(tái)機(jī)翼垂尾底端，前置放大器安裝在無人機(jī)飛行平臺(tái)的機(jī)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(yīng)位置的機(jī)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(shè)備集成

如圖5所示，航放測(cè)量設(shè)備包括航放主機(jī)和晶體箱，航放主機(jī)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，晶體箱內(nèi)的航放探測(cè)晶體兩端固定后填充海綿，為航放探測(cè)晶體供電的電路板上的電線通過海綿內(nèi)部連結(jié)在航放探測(cè)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(qiáng)框上;與晶體箱正對(duì)的載荷艙底部采用非金屬的材料;航放探測(cè)晶體越多，航放測(cè)量精度越高，本文以3條航放探測(cè)晶體為例，如需增加航放探測(cè)晶體數(shù)量，需增設(shè)擋板及固定裝置;航放主機(jī)記錄存儲(chǔ)磁放探測(cè)晶體采集的伽馬射線數(shù)據(jù)，用于測(cè)量地質(zhì)礦產(chǎn)中放射性元素的含量。

4? 實(shí)現(xiàn)

4.1? 氣動(dòng)試驗(yàn)

由于航磁探頭艙通過探桿安裝在機(jī)翼兩端，對(duì)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(dòng)分析分析計(jì)算。

應(yīng)用系統(tǒng)外形氣動(dòng)性能模擬基于N-S方程，采用多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。如圖6所示，分別為不帶航磁設(shè)備的CH3無人機(jī)外形表面網(wǎng)格、帶航磁外形表面網(wǎng)格以及航磁設(shè)備的局部網(wǎng)格?？芍瑹o人機(jī)不帶航磁設(shè)備外形與帶航磁設(shè)備外形模擬參數(shù)相同，掛載航磁設(shè)備不會(huì)對(duì)無人機(jī)操穩(wěn)特性及結(jié)構(gòu)帶來安全性影響。

無人機(jī)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(zhǎng)度L=1.519 m，力矩參考點(diǎn)為無人機(jī)頭部頂點(diǎn)，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1所示（對(duì)比模型為不帶航磁設(shè)備的CH-3無人機(jī)）。