本发明涉及一种无人机技术领域，具体为一种无人机航磁水平梯度测量系统及方法。
背景技术：
航空水平磁力梯度测量(aeromagnetichorizontalgradientsurvey)是航空磁测中的一种梯度测量，是将两个航磁测量的探头分别安装在一架飞机的两个翼尖，测量各探头之间地磁场的差值，即近似于航磁梯度与测线正交的水平分量，由于梯度测量不受磁场日变影响，有利于提高磁测的观测精度，而且可提供不同方向的更多信息，提高异常分辨率和解释效果，并可提高勘探程度(相当增大比例尺)和降低成本；
但是目前的无人机航磁水平梯度测量系统飞行平台改装技术复杂，精度低，从而出现测量不准确和续航能力弱的现象。
技术实现要素：
本发明提供一种无人机航磁水平梯度测量系统及方法，可以有效解决上述背景技术中提出目前的无人机航磁水平梯度测量系统飞行平台改装技术复杂，精度低，从而出现测量不准确和续航能力弱的现象的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机航磁水平梯度测量系统，包括由无人机平台、机载航磁测量系统、地面测控站、地面磁日变基站、野外数据预系统、野外数据质量分析系统、室内数据处理成图；
所述无人机主要由机体、后置发动机、飞控系统、gps导航定位系统、无线通信系统组成，可实行全自主飞行和远程监控。
根据上述技术方案，所述机载航磁测量系统由cs-vl高精度铯光泵航磁仪、aarc510数据收录和航磁补偿仪、三分量磁通门、协议转换器、气压高度计、雷达高度计、gps导航定位系统设备组成。
根据上述技术方案，所述地面测控站由飞行控制系统、航磁仪测控系统组成，它与无人机之间可进行远程无线通讯。
根据上述技术方案，所述地面磁日变基站选用与机载航磁测量系统相同的磁测系统，由cs-vl高精度铯光泵磁力仪、aarc510数据收录系统、gps定位系统组成。
根据上述技术方案，所述野外数据预处理系统由专用计算机、数据预处理软件、打印机设备组成。
根据上述技术方案，所述野外数据质量分析系统由专用计算机、数据质量统计分析软件、打印机设备组成，完成野外测量数据的质量统计分析、报表打印输出。
根据上述技术方案，所述室内数据处理成图系统由专用计算机、数据处理软件、打印机、绘图仪设备组成，完成测区部分、全区的测量数据处理、图件绘制输出。
根据上述技术方案，一种无人机航磁水平梯度测量方法，包括如下步骤：
s1、水平梯度测量系统需要安装2个探头，探头a和b构成水平梯度测量装置，将其安装在无人机上；
s2、将无人机进行试飞，并将数据进行收集与计算。
根据上述技术方案，所述s1中光泵探头a和b分别安装在机翼两侧的探头舱内；
补偿收录系统、测控系统均安装在飞机中部的载荷舱内；
磁通门传感器靠近光泵探头2安装，相距大于0.5米；
前置放大器安装在两边机翼内部，与探头距离大于2.5米；
则翼展水平梯度(x)：g1＝a-b；
根据上述技术方案，所述无人机的电源地、信号地和外壳必须相互分离，即三地隔离；
电磁兼容：在无人机上挂载的任务载荷，无人机通信链路的频率是2.025g～2.4ghz，雷达高度计的频率是4.1g～4.3ghz，任务载荷的工作频率在该范围内，不能挂机飞行。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，具备高精度磁总场标量测量能力，具备磁水平梯度标量测量能力，该无人机具备长航时、超低空、全自主飞行能力，具备中低速飞行能力，具备高精度飞行控制能力，具备超视距远程测控能力，具备沿地形起伏飞行能力，具备夜航能力，并且测量更加准确方便。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的无人机航磁系统组成框图；
图2是本发明的机载航磁测量系统组成实体图；
图3是本发明的实测彩虹3无人机静态磁场分布示意图；
图4是本发明的磁梯度测量配置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-4所示，本发明提供技术方案，一种无人机航磁水平梯度测量系统，包括由无人机平台、机载航磁测量系统、地面测控站、地面磁日变基站、野外数据预系统、野外数据质量分析系统、室内数据处理成图；
无人机主要由机体、后置发动机、飞控系统、gps导航定位系统、无线通信系统组成，可实行全自主飞行和远程监控。
其主要性能指标为：
飞机重量：空载重量410kg，最大载荷重量160kg；
飞行速度：160-210km/h；
续航能力：空载最大续航能力12h，加上航磁测量系统的最大续航能力约10h；
通信距离：低空微波通信方式的测控视距为80km；
飞行时段：可夜间、白天飞行；
随地飞行：可随地形起伏飞行；
飞行高度：非高山区的低空飞行高度为100-150m，最高飞行高度海拔5000m；
起降条件：全自主滑跑起降，跑道长度大于1200米；
在野外飞行测量中，无人机(包括无人机平台、机载航磁设备)与地面测控站之间采用无线通信方式交换信息，完成地面控制指令向无人机的传送，以及无人机平台及航磁设备的工作状态信息向地面测控站的传送，对无人机实时进行监测控制。
通信方式主要有：
(1)微波：频率300mhz-300ghz；
(2)甚高频:频率30mhz-300mhz；
(3)海事卫星：l波段，发射频率1600mhz，接收频率15mhz；c波段，发射频率6000mhz，接收频率4000mhz。
在野外飞行测量中，无人机需要根据事先设计好的路线进行飞行。测线飞行的平面位置由gps提供的经纬度来控制，测线飞行高度由雷达高度或气压高度来控制。
(1)雷达高度控制方式：通过安装在飞机上的雷达高度计，向地面/海面垂直发射电磁尖脉冲，并接收返回脉冲信号，根据电磁波的传播速度和来回所用时间，计算得到飞机离地面/海面的高度，即雷达高度。飞机在飞行过程中，不断测量雷达高度，并将雷达高度与设计高度比较，如果所测雷达高度与设计高度偏离一定距离，则飞控系统自动调节飞机姿态，将飞行高度校正到设计高度，实现随地起伏飞行。
(2)气压高度控制方式：通过安装在飞机上的气压高度计，利用气压与高度的关系，通过观测气压测量飞机飞行海拔高度(又称绝对高度)。飞机在飞行过程中，不断测量气压高度，并将气压高度与设计高度比较，如果所测气压高度与设计高度偏离一定距离，则飞控系统自动调节飞机姿态，将飞行高度校正到设计高度，实现随地起伏飞行。
根据上述技术方案，机载航磁测量系统由cs-vl高精度铯光泵航磁仪、aarc510数据收录和航磁补偿仪、三分量磁通门、协议转换器、气压高度计、雷达高度计、gps导航定位系统设备组成；
完成磁场数据的自动补偿，并采集记录磁总场强度、经纬度坐标、离地高度、海拔高度、飞行方向数据。
根据上述技术方案，地面测控站由飞行控制系统、航磁仪测控系统组成，它与无人机之间可进行远程无线通讯；
飞行控制系统负责对无人机的飞行状态进行监视和控制，航磁仪测控系统负责对机载航磁测量设备的工作状态进行监视和控制。
根据上述技术方案，地面磁日变基站选用与机载航磁测量系统相同的磁测系统，由cs-vl高精度铯光泵磁力仪、aarc510数据收录系统、gps定位系统组成。
根据上述技术方案，野外数据预处理系统由专用计算机、数据预处理软件、打印机设备组成。
根据上述技术方案，野外数据质量分析系统由专用计算机、数据质量统计分析软件、打印机设备组成，完成野外测量数据的质量统计分析、报表打印输出。
根据上述技术方案，室内数据处理成图系统由专用计算机、数据处理软件、打印机、绘图仪设备组成，完成测区部分、全区的测量数据处理、图件绘制输出。
根据上述技术方案，一种无人机航磁水平梯度测量方法，包括如下步骤：
s1、水平梯度测量系统需要安装2个探头，探头a和b构成水平梯度测量装置，将其安装在无人机上；
s2、将无人机进行试飞，并将数据进行收集与计算。
根据上述技术方案，s1中光泵探头a和b分别安装在机翼两侧的探头舱内；
补偿收录系统、测控系统均安装在飞机中部的载荷舱内；
磁通门传感器靠近光泵探头2安装，相距大于0.5米；
前置放大器安装在两边机翼内部，与探头距离大于2.5米；
则翼展水平梯度(x)：g1＝a-b；
根据上述技术方案，无人机的电源地、信号地和外壳必须相互分离，即三地隔离；
电磁兼容：在无人机上挂载的任务载荷，无人机通信链路的频率是2.025g～2.4ghz，雷达高度计的频率是4.1g～4.3ghz，任务载荷的工作频率在该范围内，不能挂机飞行。
本项目选用的机载航磁仪为美国rms公司的小型化航空磁力仪，该航磁仪由aarc510磁补&收录系统、cs-vl铯光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪及gps外置天线组成，主要用于控制、通讯、采集数据、无人机磁场软补偿，三分量磁通门磁力仪主要用来测量飞机的飞行姿态，用于获取飞机磁补偿参数，cs-3高精度磁探头及前置放大器组成的磁力仪用于获取大地磁场的拉莫尔频率数据，cs-vl铯光泵磁力仪为加拿大scientx公司的高精度磁力仪，三分量磁通门磁力仪为tfm100g2-1f型三分量磁力仪，为用于飞行器姿态控制、实验室磁力测量或无人机、浮标、火箭上的磁场测量等的超小型三轴磁通门磁力仪；
根据彩虹3无人机静态磁场分布情况，确定铯光泵磁探头、磁通门传感器等磁灵敏部件安装在翼尖部位，，在两翼尖分别安装一个探头仓，形成水平梯度测量装置结构；
磁探头舱的安装结构、气动外形和内部结构，探杆由原来的前伸改为向机翼两侧延伸(40～80cm)，且探头舱内的磁探头具有二维度方向调节能力，具备不同纬度地区测量的适应能力，并且在两个机翼端均设计安装了磁探头，具备航磁梯度测量的能力。具体改装要求如下：
1.探头舱水滴状，具一定空间，探头(直径60mm，长度160mm)可二自由度调整角度，飞行时探头位置保持固定，安装部件为非磁性材料；
2.机翼双侧安装探头舱。探杆、探头舱采用环氧树脂材料，重量尽量轻。采用三支撑杆结构与无人机连接，提高探头舱的气动强度和共振频率。
针对以上改进设计，经过多轮气动、结构、强度等指标的分析计算，航磁探头舱通过两根支杆与主翼梁相连，并通过一根杆与垂尾相连，增加整体刚度。
根据安装空间及安装距离的要求，首先设计了航磁探头舱的气动外形，航磁探头舱在攻角3°、侧滑角15°、速度50m/s情况的流场，探头舱带来的气动阻力增加为全机的1.9％，探头舱整流效果较好，尾涡影响区域集中在与探头舱距离270mm的范围内，支杆长度不能小于这一距离，为减小探头舱支杆带来的阻力，支杆采用带有对称翼型的整流罩对其进行整流，前支杆的最大厚度为40mm，后支杆和斜支杆的厚度为16mm，为计算阻力最小的状态，进行了支杆弦长的优化设计，
无人机不装载航磁设备与装载航磁设备的外形模拟参数相同，主要通过气动性能对比分析，为航磁设备对无人机操稳特性及结构影响提供技术依据；
无人机模拟高度h＝500m，速度v＝50m/s，攻角a＝0°，3°，6°、b＝0°，5°，15°，参考面积s＝9.44m2，参考长度l＝1.519m，力矩参考点为无人机头部顶点；
装载航磁设备的情况下，在计算攻角侧滑角范围内，增加设备后对全机最大升力增加5.25％，最大阻力系数增加10.81％，最大压心位置后移1.85％，增加设备对偏航力矩和滚转力矩影响在7％内；
在攻角3°，侧滑角0°的巡航状态下，阻力系数增加约9.67％，压心相对平均气动弦长(1.519m)后移约0.73％，航磁设备对无人机操稳特性影响较小。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，具备高精度磁总场标量测量能力，具备磁水平梯度标量测量能力，该无人机具备长航时、超低空、全自主飞行能力，具备中低速飞行能力，具备高精度飞行控制能力，具备超视距远程测控能力，具备沿地形起伏飞行能力，具备夜航能力，并且测量更加准确方便。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于：包括由无人机平台、机载航磁测量系统、地面测控站、地面磁日变基站、野外数据预系统、野外数据质量分析系统、室内数据处理成图；
所述无人机主要由机体、后置发动机、飞控系统、gps导航定位系统、无线通信系统组成，可实行全自主飞行和远程监控。
2.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述机载航磁测量系统由cs-vl高精度铯光泵航磁仪、aarc510数据收录和航磁补偿仪、三分量磁通门、协议转换器、气压高度计、雷达高度计、gps导航定位系统设备组成。
3.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述地面测控站由飞行控制系统、航磁仪测控系统组成，它与无人机之间可进行远程无线通讯。
4.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述地面磁日变基站选用与机载航磁测量系统相同的磁测系统，由cs-vl高精度铯光泵磁力仪、aarc510数据收录系统、gps定位系统组成。
5.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述野外数据预处理系统由专用计算机、数据预处理软件、打印机设备组成。
6.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述野外数据质量分析系统由专用计算机、数据质量统计分析软件、打印机设备组成，完成野外测量数据的质量统计分析、报表打印输出。
7.根据权利要求1所述的一种无人机航磁水平梯度测量系统，其特征在于，所述室内数据处理成图系统由专用计算机、数据处理软件、打印机、绘图仪设备组成，完成测区部分、全区的测量数据处理、图件绘制输出。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种无人机航磁水平梯度测量所需的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1、水平梯度测量系统需要安装2个探头，探头a和b构成水平梯度测量装置，将其安装在无人机上；
s2、将无人机进行试飞，并将数据进行收集与计算。
9.根据权利要求8所述的一种无人机航磁水平梯度测量方法，其特征在于，所述s1中光泵探头a和b分别安装在机翼两侧的探头舱内；
补偿收录系统、测控系统均安装在飞机中部的载荷舱内；
磁通门传感器靠近光泵探头2安装，相距大于0.5米；
前置放大器安装在两边机翼内部，与探头距离大于2.5米；
则翼展水平梯度(x)：g1＝a-b。
10.根据权利要求9所述的一种无人机航磁水平梯度测量方法，其特征在于，所述无人机的电源地、信号地和外壳必须相互分离，即三地隔离；
电磁兼容：在无人机上挂载的任务载荷，无人机通信链路的频率是2.025g～2.4ghz，雷达高度计的频率是4.1g～4.3ghz，任务载荷的工作频率在该范围内，不能挂机飞行。
技术总结