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公益性行业专项:固定翼无人机航磁探测系统研制课题
时间:2016-08-29

  一、项目概况 

  “固定翼无人机航磁探测系统研制”课题(公益性行业专项)是国家重大科技专项“深部探测技术与实验研究”(SinoProbe)中的第九项目“深部探测技术与实验”第三个课题。课题由中国科学院遥感与数字地球研究所承担,执行时间为20109月至201410月。 

  本课题针对深部探测应用的、完全自主知识产权的无人机高精度航磁探测系统进行研制,目标是核心传感器研制和无人机搭载平台开发。在现有航磁探测技术能力的基础上,以地质勘查应用为目的,针对其核心传感器、固定翼无人机研发、磁干扰补偿、系统集成、高精度数据解算等关键技术进行系统攻关,形成一套完整的探测系统和地质勘查方法体系,将我国现有航磁探测系统的技术性能与指标提升一大步,缩小与国际先进水平的差距。 

  二、项目成果 

  本课题取得的创新性成果体现在以下几个方面: 

  (一)研制出新型航磁探测装备 

  在没有同类设备参照的条件下,课题组独立探索与创新,通过小型化、低功耗和高集成度的航空磁力仪进行技术集成,研制出高低空具有完全自主知识产权的高精度、高效、成本低、人员安全的新型航磁探测装备并获得多项自主产权的发明专利,填补了国内空白。 

  (二)发展新一代超导无人机航磁探测系统 

  本课题攻克了Nb/AlOx/Nb三层膜、约瑟夫森结和SQUID工艺,成功研制5fT/Hz全自主超导磁强计,并采用单片直接读出的方案,大大简化了系统读出电路,提高了可靠性和温度漂移等特性,搭载在配套的固定翼无人机实现试飞,属国际首创。 

  (三)发展无人机的航空氦光泵磁力仪技术 

  采用微处理器代替硬件闭环,磁探头输出信号经过AD采样后可以用微处理器中嵌入式软件实现原来需要由硬件完成多项功能,简化电路,提高系统的精度和灵敏度,从而实现航空氦光泵磁力仪小型化,便于在无人机飞行平台上集成。 

  (四)建立有效的无人机航磁测量中磁干扰场补偿模型和算法 

  采用无人机作为飞行平台进行磁测的磁补偿方法研究基本处于空白状态。本课题专门针对高空无人机航磁探测系统进行磁补偿技术研究与设备研制,建立了航磁测量的无人机磁干扰模型,研究无人机航磁测量的补偿算法,针对性建立了磁补偿飞行的飞控及地面控制系统自主飞行程序,使得补偿精度满足行业测量规范要求。 

  (五)发展一站多机的管控技术 

  通常一架无人机就有一套通讯设备和一组人员来管理。通过对自动驾驶导航仪和通讯系统创新性设计,完成了三屏地面控制站设备的研制和软件开发,实现一套通讯设备和一组人员同时管理和控制多架无人机同时作业,大大提高作业效率,可为应对大面积、大比例尺磁测任务提供技术保障。 

  经过科技攻关,课题组完成了固定翼航磁探测系统的关键软硬件的研制任务。研制出2类(低空及高空)具有完全自主知识产权固定翼无人机航磁探测系统。图1和图2为高低空无人机示意图。固定翼无人机航磁探测系统先后在辽宁兴城、山东招远地区进行试验飞行和性能测试,共获取了有效航磁测线8775公里,地面高精度磁测(1:1万比例尺)8平方公里。图3和图4分别是在辽宁和山东地区进行测量飞行的飞行航线图。经多次野外实际飞行实验及性能测试,研制的软硬件性能及技术参数达到预期的研制目标和考核指标。 

1. 航磁无人机组成示意图 

2. 高空无人机飞行示意图

3. 辽宁示范区航磁测量飞行航线图 

4. 山东招远地区试验飞行航线图 

  本课题自主研发了一款航磁数据处理软件AeroMag,采集到的数据需要经过原始数据预预理、异常值剔除、插值、低通滤波、测线切割和调平、正常场校正、网格化和去条带等处理,图5和图6为辽宁和山东地区的磁异常图。 

5. 辽宁地区飞行区域航磁异常图 

6. 1:5万山东地区飞行区域航磁异常图 

  通过无人机航磁探测系统的研制,进一步推进航空物探设备自主研制、飞行平台改制以及系统集成技术的发展,积累新型无人机平台在航空物探领域应用的相关经验。新系统将通过后续不断的试验飞行和应用,总结相应的使用飞行方法和经验,从而最终将其应用于科研和生产领域,为航空物探提供新型技术装备。 

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