地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置及测量方法与流程

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地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置及测量方法与流程

本发明涉及地球物理探测仪器技术领域,尤其涉及一种地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置及其测量方法。

技术背景

磁场的存在广泛影响着整个世界,从鸽子飞行,到地磁南北极附近的极光现象,都能感知到磁场给地球家园所带来的广泛影响。产生磁场的磁体无处不在,小到指南针,大到整个巨型地球我们都能感受到各种各样的磁体。磁场作为自然界中磁性物体存在对外显现的属性之一,给人类提供了一种认识和改造客观世界的方法。一方面,对于磁场的应用比较多,例如地磁导航、恒定磁场发电、交变磁场加热、带电粒子磁场偏转、电磁加速、磁共振成像等等,可见磁场的对于人类的文明的重要。另一方面,对于磁场的测量也不少,例如各式各样的磁天平、旋转磁强计、磁致伸缩仪、磁通计、超导量子磁强计、磁力仪等等。虽然,各种磁应用装置和磁测量装置比较多,其中部分应用在生物医疗、地球物理探测、宇宙空间探索以及国防与军事科技等领域的磁测量装置或仪器的测量灵敏度比较高,而且在这些高科技领域的磁测量装置直接反应一个国家的科技水平。目前,我国仍然与国际先进的磁测量装置技术有很大的差距,特别是部分高精度磁测量及其大型磁测量系统还需依赖进口。因此,自主研制高精度高可靠性系统性的磁测量装置或仪器,具有科技强国的战略意义。

cn105785288λ公开了一种基于低温超导squid的航空磁测量装置,该装置能够提升低温超导squid系统对测试外场复杂电磁环境的抗干扰能力,消减航空磁测量过程中引入的高、低频机械振动。

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cn202975351u公开了一种搭载在旋翼机平台上的航磁测量系统,该发明结构简单、操作方便且稳定性高,拆卸、安装方便,运行成本低,获得的航磁数据具有高分辨率、高精度及采集密度大的特点,为区域地质填图、重点成矿带找矿评价、矿区直接找矿等应用领域提供高质量的勘查资料与解释成果。

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cn201525503u公开了一种超低空高精度航磁测量载体,具体涉及一种承载高精度航磁测量装置实现找矿、勘查的飞行载体。载体为由动力驱动的、采用三角翼的飞行器,由机翼、机体、驾驶舱、发动机和油箱组成,测量设备安装在驾驶舱上。解决了现有技术的空中磁测使用飞机成本高、飞行程序复杂、安全性保障低的问题,达到了空中磁测实施条件低,能超低空、慢速飞行,成本低的高精度磁测系统效果。

cn201107414公开了一种用于井下磁场测量的质子磁力仪,该发明适用于井下磁场测量,具有结构合理适用,使用方便灵活,测量准确的特点。

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cn105607015λ公开了一种三维空间磁场测量系统,该发明实现了三维空间磁场测量、软硬件协同工作,将测量结果实时的表格和图形化显示,且有储存和回放功能,使得磁场测量更加精确、高效、简便。

虽然上述专利已经从磁场测量等多个方面进行了发明创造,有的是为了提高测量精度利用低温超导squid、质子磁力仪、三维空间磁场测量而进行了相关发明,有的是数据采集系统和装置,有的是关于有人飞机、无人飞机、飞艇等不同飞行平台的磁测量装置,有的是针对陆地、海洋、水下、井下等不同领域测量,有的是针对找矿、工件磁性等不同的探测目的,有的是关于发明装置其测量方法,这些专利的发明推动了磁场测量方面的快速发展,但是在这些发明中还存在着不足,针对地磁场长期测量观察装置的发明不多。此外,虽然现有地磁信息测量,但是对地磁信息测量不够详细。有三维地磁场的测量,但是对地球上各个位置的地磁偏角和地磁倾角测量的发明不多。有对航空地磁的测量发明,但是很少有对航空地磁测量和地球内部测量结合的全面的地磁场测量装置。对地球磁场的准确测量,对地球深部物理研究、地球内部活动变化、地震观测、矿产资源探测、核磁共振探测仪器等的使用具有非常重要研究和应用价值。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题在于提供一种地空结合多功能高精度快速地磁信息测量系统及测量方法,采用地空有机结合的地球磁场测量,可以更加全面的对地球表面和地球上空磁场进行准确测量,为地球物理磁场的测量和深入研究提供了一种高效精密装置和方法。

本发明通过以下技术方案实现的:

地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置,包括若干个地面地球磁场信息测量部分(1)和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2);沿着测线布置的若干个地面地球磁场信息测量部分(1)用于测量地球表面地球磁场信息,在飞行平台装载空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2),使其距离地面具有一定高度用于测量地球磁场信息;所述地面地球磁场信息测量部分(1)通过无线通信将测量的信息发送至空中悬挂式高精度地球磁场信息测量部分(2),地面和空中测量的整个信息数据通过卫星通信终端传输到卫星网络直到地面监测查询终端。

进一步地:所述地面地球磁场信息测量部分(1)至少包括地磁场强度测量单元(101)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(102)、gps定位授时单元(103)、装置位置调整单元(104)、mcu计算单元(105)、无线通信单元(106)、信息存储单元(108)和供电单元(111);

所述的地磁场强度测量单元(101)测量地球表面的磁场强度值,测量的数据传输给mcu计算单元(105)进行处理;

所述的地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(102)测量地球表面的地磁场偏角和地磁场倾角,测量的数据传输给mcu计算单元(105)进行处理;

所述的gps定位授时单元(103)为地面地球磁场信息测量部分(1)中的mcu计算单元(105)提供经纬度坐标、海拔高度和进行时间同步授时;

所述的装置位置调整单元(104)接收mcu计算单元(105)指令调整地面地球磁场信息测量部分(1)的水平垂直位置,使其满足测量位置要求;

所述的mcu计算单元(105)对来自地磁场强度测量单元(101)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(102)、gps定位授时单元(103)的数据运算并存储在信息存储单元(108);

所述的无线通信单元(106)使地面地球磁场信息测量部分(1)与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)中的无线通信单元(2-102)进行数据交互;

所述的信息存储单元(108)存储mcu计算单元(105)处理后的数据和预先下载备用数据;

所述的供电单元(111)通过电源线给地面地球磁场信息测量部分(1)其他功能单元供电。

进一步地:所述地面地球磁场信息测量部分(1)还包括参数设置单元(107)、显示单元(109)、装置投射缓冲单元(110)、回收辅助单元(112)和装置地面保护单元(113);

所述的参数设置单元(107)对地面地球磁场信息测量部分(1)进行参数设置;

所述的显示单元(109)为地面地球磁场信息测量部分(1)参数设置单元(107)操作时的显示;

所述的装置投射缓冲单元(110)为地面地球磁场信息测量部分(1)提供缓冲保护;

所述的回收辅助单元(112)和装置地面保护单元(113)采用非金属螺栓固定连接,分别提供装置回收辅助和保护装置作用。

进一步地:所述的空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)分三子部分,主体子部分(2-1)、辅助子部分(2-3)及其连接子部分(2-2),其中辅助子部分安装在飞行平台上,连接子部分连接主体子部分与辅助子部分,主体子部分被悬挂起来。

进一步地:所述的主体子部分(2-1)至少包括gps定位授时单元(2-101)、无线通信单元(2-102)、激光测高单元(2-109)、数据存储单元(2-110)、高速mcu计算单元(2-111)、地球磁场空间信息绘制单元(2-112)、全景拍摄单元(2-113)、高精度地磁场强度测量单元(2-114)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(2-115)以及地形扫描单元(2-116);

所述的gps定位授时单元(2-101)为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)中的高速mcu计算单元(2-111)定位和授时数据;

所述的无线通信单元(2-102)与地面地球磁场信息测量部分(1)中的无线通信单元(106)进行双向无线通信;

所述的激光测高单元(2-109)为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)测量距离地面高度,并将测量数据传输给高速mcu计算单元(2-111);

所述的数据存储单元(2-110)存储来自高速mcu计算单元(2-111)处理后的数据和存储预先下载的备用数据;

所述的高速mcu计算单元(2-111)对来自空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)其它单元传递来的数据进行运算;

所述的全景拍摄单元(2-113)同步进行对所测量位置进行半空间拍摄;

所述的高精度地磁场强度测量单元(2-114)进行空中地球磁场强度的精确测量;

所述的地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(2-115)进行空中地球磁场的地磁偏角和地磁倾角的准确测量;

所述的地形扫描单元(2-116)在空中飞行过程中对地形进行扫描测量;

所述的地球磁场空间信息绘制单元(2-112)根据激光测高单元(2-109)、高精度地磁场强度测量单元(2-114)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(2-115)和地形扫描单元(2-116)单元获取的测量数据进行地球磁场在空间地图中绘制,形成地球磁场空间信息地图。

进一步地:所述的主体子部分(2-1)还包括警告避障单元(2-103)、键盘操作单元(2-104)、装置动态平衡调整单元(2-105)、供电单元(2-106)、光纤通信单元(2-107)、显示单元(2-108)、和坠落保护单元(2-117)、以及装置机体单元(2-118);

所述的警告避障单元(2-103)给空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)进行障碍物预警避障;

所述的键盘操作单元(2-104)为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)提供输入功能;

所述的装置动态平衡调整单元(2-105)根据高速mcu计算单元(2-111)的指令对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)进行平衡调整;

所述的供电单元(2-106)为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)内部其他单元提供电能;

所述的光纤通信单元(2-107)与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)的辅助子部分(2-3)的光纤通信单元(2-307)进行光缆连接通信;

所述的显示单元(2-108)根据高速mcu计算单元(2-111)的控制提供参数显示;

所述的坠落保护单元(2-117)为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)提供坠落保护;

所述的装置机体单元(2-118)与坠落保护单元(2-117)非金属螺栓连接,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)提供基体和浮力。

进一步地:所述的辅助子部分(2-3)由卫星通信单元(2-301)、键盘操作单元(2-302)、显示单元(2-303)、外部接口单元(2-304)、辅助子部分控制单元(2-305)、数据存储单元(2-306)、光纤通信单元(2-307)、空压动力单元(2-308)和固定悬挂单元(2-309)构成;

所述的卫星通信单元(2-301)接收来自辅助子部分(2-3)中的光纤通信单元(2-307)数据实现与卫星网络连接;

所述的操作键盘单元(2-302)为辅助子部分提供输入功能;

所述的显示单元(2-303)为辅助子部分(2-3)提供显示测量状态;

所述的外部接口单元(2-304)为辅助子部分(2-3)电源接口和数据交换接口;

所述的辅助子部分控制单元(2-305)控制辅助子部分中的其他单元和主体子部分(2-1)中的部分单元;

所述的数据存储单元(2-306)对控制单元(2-305)操作的数据进行存储,对光纤通信单元(2-307)和卫星通信单元(2-301)的数据进行备份存储;

所述的光纤通信单元(2-307)与主体子部分(2-1)中的光纤通信单元(2-107)光缆连接进行双向通信;

所述的空压动力单元(2-308)产生空气压力能,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分的主体子部分(2-1)中的装置动态平衡调整单元(2-105)供应空气压力能;

所述的固定悬挂单元(2-309)通过碳纤维拉力绳(2-203)将空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分的辅助子部分(2-3)固定在飞行平台上,给主体子部分(2-1)提供向上的拉力。

进一步地:所述的连接子部分(2-2)主要由可传递气压的碳纤维管(2-201)、通信光缆(2-202和碳纤维拉力绳(2-203)构成;

所述的可传递空气压力的碳纤维管(2-201)传递由辅助子部分(2-3)中的空压动力单元(2-308)的空气压力达到主体子部分(2-1)的装置动态平衡调整单元(2-105);

所述的通信光缆(2-202)传递主体子部分(2-1)内的光纤通信单元(2-107)和辅助子部分(2-3)光纤通信单元(2-307的光源所产生的激光信号;

所述的碳纤维拉力绳(2-203)连接空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)的装置机体单元(2-118),提升整个主体子部分(2-1)。

采用上述的装置的地磁场信息测量方法,包括以下步骤:

根据需要长期测量地球表面磁场地区面积和地表磁场测量的点数,确定地面地球磁场信息测量部分(1)的数量,将确定好的地面地球磁场信息测量部分(1)检查良好后,装载在飞行平台中;

检查空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)各个单元是否良好,将辅助子部分(2-3)中的空压动力单元(2-308)安装在飞行平台内部,辅助子部分(2-3)中的固定悬挂单元(2-309)固定在飞行平台外部拉载着空中悬挂高精度快速地球信息测量部分(2)的连接子部分(2-2)和主体子部分(2-1);

飞行平台起飞,缓慢拉动碳纤维拉力绳(2-203)提起整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2),随着整个装置渐渐离开地面,辅助子部分(2-3)中固定悬挂单元(2-309)中拉力测量模块启动工作,根据该模块测得的拉力数值大于等于平衡悬挂时主体子部分(2-1)的重力时启动主体子部分(2-1)中的装置动态平衡调整单元(2-105),紧接着启动主体子部分(2-1)中的激光测高单元(2-109),根据激光测量的高度数值达到10m时启动主体子部分(2-1)中的gps定位授时单元(2-101)、数据存储单元(2-110)和高速mcu计算单元(2-111);

当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)都完成顺利起飞和启动工作后,根据预先设置好的测磁高度和测磁航线坐标位置来进行主体子部分(2-1)其他单元工作,当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)到达预设位置高度和位置时,开启主体子部分(2-1)中的警告避障单元(2-103)、装置动态平衡调整单元(2-105)、供电单元(2-106)、地球磁场空间信息绘制单元(2-112)、全景拍摄单元(2-113)、高精度地磁场强度测量单元(2-114)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(2-115)和地形扫描单元(2-116);

到达需要测量的地球表面上空,降低飞行平台飞行高度,将地面地球磁场信息测量部分(1)沿着能绳索以3m/s的速度匀速下降,下降到达地面2m高度时,地面地球磁场信息测量部分(1)自动脱离绳索,在装置投射缓冲单元(110)的保护下坠落到需要测量的地点;

以同样的方式完成剩余数量的地面地球磁场信息测量部分(1)分别准确地投落在预测量区域,在每一个地面地球磁场信息测量部分(1)投落完成后自动利用装置位置调整单元(104)进行位置方向调整,并分别利用gps定位授时单元(103)、地磁场强度测量单元(101)、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元(102)进行经纬度、海拔、磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角测量,并将测量到的信息数据经过mcu计算单元(105)存储到信息存储单元(108)中;

在降落地面地球磁场信息测量部分(1)的同时,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)开始对预定测线和高度开始对测量地区的地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角、地形扫描、地面全景照片进行信息采集存储在数据存储单元(2-110)中;

空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)在飞行平台的提拉作用下,沿着平行于投落地面地球磁场信息测量部分(1)轨迹偏离20m~200m返航飞行;

在这种偏离原轨迹返航式来回飞行过程中,一方面测量空中地球磁场信息情况,另一方面通过无线通信模块(2-102)接收地面地球磁场信息测量部分(1)提供的地面地磁场信息,并存储在数据存储单元(2-110);

完成预测量地区上空和地面地球磁场信息后,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)中的高速mcu计算单元(2-111)提取数据存储单元(2-110)中对测量到的经纬度坐标、高度位置、纬度地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息后再次存储在数据存储单元(2-110)中,地球磁场空间信息绘制单元(2-112)提取结构体数据结合地形扫描数据对测量的地区的磁场空间信息地图绘制。然后将经纬度坐标、高度位置、地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息和测量的地区的磁场空间信息地图以及地面地球磁场信息数据通过主体子部分(2-1)中光纤通信单元(2-107)传输到辅助子部分中光纤通信单元(2-307);

辅助子部分(2-3)中的光纤通信单元(2-307)将传递过来的数据转发到其卫星通信单元(2-301),卫星通信单元(2-301)继续将数据信息传递到卫星网络,直到地面网络客户端。

进一步地:如果地面地球磁场信息测量部分(1)需要对测量区域进行长期地磁信息测量和统计,则保留这些地面地球磁场信息测量部分(1),并定期通过飞行平台挂载空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)对该区域飞行地磁场信息测量;如果不需要对该地区进行长期地面地球磁场信息测量,则飞行平台沿着投落轨迹通过地面地球磁场信息测量部分(1)的回收辅助单元(112)进行依次回收。

本发明具有以下有益效果:

本发明具有对地球磁场测量的高精度、快速高效、多参数测量的有益效果,可以对地球磁场强度、地磁偏角、地磁倾角、经纬度信息、高度信息、地图信息同时测量。这种结合了地球磁场测量、地图信息和gis,具有良好的系统智能先进性。本发明相比现有单次地球磁场测量的装置具有很好的高效率。本发明可以通过多次地球磁场的测量绘制形成地球表面空间的地磁信息地图。

本发明采用地空有机结合的地球磁场测量,可以更加全面的对地球表面和地球上空磁场进行准确测量,可以对地磁异常地区和位置的进行特别标记记录和图像拍摄,为地球表面和空中异常磁区的发现,以及地球磁场的对比研究具有重要意义。本发明可根据地面地球磁场信息测量部分构成的测线,进行特定线路位置上的地磁场信息的测量,可以获取丰富准确地磁信息。

本发明中的地面地球磁场信息测量部分可方便空中投落部署,具有对复杂地形的测量优势,能满足特定位置地球地磁信息的长期观测优势,为人类不容易到达地区磁场测量提供了有力的技术支持。

本发明中空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分中的主体子部分,采用硬质韧性非金属材料的三角翼机体和空压动态平衡调整,使装置在空中快速测量时既可以达到良好的平稳可靠性测量,也可以减少装置本身的重力能量消耗。

附图说明

图1地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置结构图;

图2地理南北极与地磁南北极不重合示意图;

图3地面地球磁场信息测量部分构成框图;

图4地球磁场要素坐标分析图;

图5空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分中的主体子部分模型示意图;

图6空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分中的主体子部分构成框图;

图7空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分中的辅助子部分构成框图;

图8中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分中的连接子部分碳纤维管剖面图;

图9空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分构成框图;

图10空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分进行地球磁场空间信息生成过程图;

图11地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置的一种实际测量示意图;

图12地面地球磁场信息测量部分和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分相结合的地空式地磁场测量方法流程图;

图中,1地面地球磁场信息测量部分;2空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分;2-1主体子部分;2-2连接子部分;2-3辅助子部分;101地磁场强度测量单元;102地磁场偏角和地磁场倾角测量单元;103gps定位授时单元;104装置位置调整单元;105mcu计算单元;106无线通信单元;107参数设置单元;108信息存储单元;109显示单元;110装置投射缓冲单元;111供电单元;112回收辅助单元;113装置地面保护单元;2-101gps定位授时单元;2-102无线通信单元;2-103警告避障单元;2-104键盘操作单元;2-105装置动态平衡调整单元;2-106供电单元;2-107光纤通信单元;2-108显示单元;2-109激光测高单元;2-110数据存储单元;2-111高速mcu计算单元;2-112地球磁场空间信息绘制单元;2-113全景拍摄单元;2-114高精度地磁场强度测量单元;2-115地磁场偏角和地磁场倾角测量单元;2-116地形扫描单元;2-117坠落保护单元;2-118装置机体单元;2-201可传递气压的碳纤维管;2-202通信光缆2-203碳纤维拉力绳;2-301卫星通信单元;2-302键盘操作单元;2-303显示单元;2-304外部接口单元;2-305辅助子部分控制单元;2-306数据存储单元;2-307光纤通信单元;2-308空压动力单元;2-309固定悬挂单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

地球磁场的无处不在广泛影响着整个世界,研究地球磁场大小方向、测量仪器装置和测量方法对探测地球内部深层地质活动、地表磁场变化、地球上空磁暴现象、地球磁场强度缓慢衰减和铁磁性矿物发现等具有非常重要的意义。因此,本发明给出了涉及地球物理探测仪器技术领域,尤其涉及一种地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置与测量方法。

地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置,主要是由地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2等两大部分构成,如图1所示,给出了地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置结构图。

包括若干个地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2;沿着测线布置的若干个地面地球磁场信息测量部分1用于测量地球表面地球磁场信息,在飞行平台装载空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2,使其距离地面具有一定高度用于测量地球磁场信息;所述地面地球磁场信息测量部分1通过无线通信将测量的信息发送至空中悬挂式高精度地球磁场信息测量部分2,地面和空中测量的整个信息数据通过卫星通信终端传输到卫星网络直到地面监测查询终端。

地面地球磁场信息测量部分1由地磁场强度测量单元101、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102、gps定位授时单元103、装置位置调整单元104、mcu计算单元105、无线通信单元106、参数设置单元107、信息存储单元108、显示单元109、装置投射缓冲单元110、供电单元111、回收辅助单元112和装置地面保护单元113等构成。地面地球磁场信息测量部分1的主要作用是对需要测量地区的地球表面的进行地理位置测量、地磁场强度测量、地磁偏角测量、地磁倾角测量、给空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2提供各种信息等。

地磁场强度测量单元101,其作用是测量地球表面的磁场强度,其测量的参数值是地面地球磁场信息测量部分1的重要测量值之一,测量地球表面的磁场强度值后,测量的数据传输给mcu计算单元105进行处理。

地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102,测量地球表面的地磁场偏角和地磁场倾角,测量的数据传输给mcu计算单元105进行处理;其测量的两个角度参数是地磁场矢量的重要参数,同时这两个参数值也是地磁场强度测量单元101进行测量探头调整的重要参数。如图2,给出了地球磁场南北极方向和地理南北极存在地磁场偏角的问题,即地理南北极与地磁南北极并不重合。

gps定位授时单元103,其作用是为地面地球磁场信息测量部分1提供经纬度坐标、海拔高度和进行时间同步授时。

装置位置调整单元104,其作用是当地面地球磁场信息测量部分1投落到地面时,一般情况下地面地球磁场信息测量部分1在地面上时对于测量时的需要位置不适当,装置位置调整单元104可以调整整个地面地球磁场信息测量部分1的水平垂直位置,使其满足测量位置要求。

mcu计算单元105,其作用是对地面地球磁场信息测量部分1测量到的地磁场强度、地磁偏角、地磁倾角、经纬度位置和海拔信息的运算分析处理等,对来自地磁场强度测量单元101、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102、gps定位授时单元103的数据运算并存储在信息存储单元108。

无线通信单元106,其作用是使地面地球磁场信息测量部分1与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的无线通信单元2-102进行通信,主要完成将地面测量到的地球磁场信息、位置信息和海拔信息等无线传输到空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2。

参数设置单元107,对地面地球磁场信息测量部分1进行参数设置,对地面地球磁场信息测量部分1的工作方式进行设置,对测量到的数据进行查询、拷贝、删除等操作。

信息存储单元108,存储mcu计算单元105处理后的数据和预先下载备用数据;对地面地球磁场信息测量部分1测量到的地磁场强度、地磁偏角、地磁倾角、测量经纬度位置和海拔等信息的存储。

显示单元109,为地面地球磁场信息测量部分1参数设置单元107操作时的显示;显示地面地球磁场信息测量部分1的测量值以及方便参数设置单元107对该部分进行参数设置和查询的显示需要。

装置投射缓冲单元110,其作用是为地面地球磁场信息测量部分1在投落时候减小冲击力,提供缓冲效果保证装置可靠安全着地。

供电单元111,其作用是为地面地球磁场信息测量部分内部各功能单元提供电能。

回收辅助单元112,其作用是为地面地球磁场信息测量部分在测量任务完成后,方便飞行平台对地面地球磁场信息测量部分进行回收利用等。

装置地面保护单元113,其作用是为地面地球磁场信息测量部分1提供工作时的防雨防晒等保护,延迟装置的工作寿命。

回收辅助单元11和装置地面保护单元11采用非金属螺栓固定连接,分别提供装置回收辅助和保护装置作用。

地面地球磁场信息测量部分1中,地磁场强度测量单元101、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102、gps定位授时单元103、装置位置调整单元104、mcu计算单元105、无线通信单元106、参数设置单元107、信息存储单元108、显示单元109、装置投射缓冲单元110、供电单元111、回收辅助单元112和装置地面保护单元113之间通过通信总线相连接;供电单元111通过电源线给其他功能单元供电,如图3所示,给出了地面地球磁场信息测量部分1构成框图。

空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2又可以分三子部分,主体子部分2-1、辅助子部分2-3和连接子部分2-2。空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主要作用是进行快速地磁场强度测量、地磁偏角测量、地磁倾角测量、海拔位置测量、距地面的相对位置测量、空间位置拍照、形成地磁信息地图等。

主体子部分2-1由gps定位授时单元2-101、无线通信单元2-102、警告避障单元2-103、键盘操作单元2-104、装置动态平衡调整单元2-105、供电单元2-106、光纤通信单元2-107、显示单元2-108、激光测高单元2-109、数据存储单元2-110、高速mcu计算单元2-111、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115、地形扫描单元2-116、和坠落保护单元2-117、装置机体单元2-118等构成。

gps定位授时单元2-101,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的高速mcu计算单元2-111定位和授时数据,提供经纬度坐标、海拔高度和进行时间同步授时。

无线通信单元2-102,与地面地球磁场信息测量部分1中的无线通信单元106进行双向无线通信,其作用是使空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2与地面地球磁场信息测量部分1中的无线通信单元106进行通信,主要接收来自地面部分无线通信单元106转发的地面部分测量到的地球磁场信息、位置信息和海拔信息等。

警告避障单元2-103,给空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行飞行时当遇到障碍物时进行预报预警,在黑夜测量时提供飞行示廓灯。

键盘操作单元2-104,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2提供输入功能,对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行设置,对测量到的数据进行查询、拷贝、删除等操作。

装置动态平衡调整单元2-105,根据高速mcu计算单元2-111的指令对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行平衡调整,使其进行平稳地工作。装置动态平衡调整单元2-105采用两种平衡方式,一种是微平衡调整方式,一种是大平衡调整方式。微平衡调整方式通过空气动力控制滑块移动实现;大平衡调整方式通过控制空气动力的喷气冲力实现主体子部分的快速大方向平衡调整。

供电单元2-106,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2提供电能。

光纤通信单元2-107,使空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1和辅助子部分2-3的光纤通信单元2-307进行数据的传输,其主要完成将空中测到和地面测到的地球磁场信息、位置信息、海拔信息、地图信息和拍摄的全景图等通过光缆传输到辅助子部分2-3。

显示单元2-108,根据高速mcu计算单元2-111的控制提供参数显示,对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2工作时的参数显示,设置参数时提供显示窗口。

激光测高单元2-109,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2测量距离地面高度,并将测量数据传输给高速mcu计算单元2-111,同时为装置保持与地面的距离和地形扫描单元2-116测量地形提供参考数据。

数据存储单元2-110,存储来自高速mcu计算单元2-111处理后的数据和存储预先下载的备用数据,对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2测量到的空中地磁场强度、地磁偏角、地磁倾角、测量经纬度位置、海拔高度和扫描的地图等信息的存储。

高速mcu计算单元2-111,对来自空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的其它单元传递来的数据进行运算;对测量到空中地磁场强度、地磁偏角、地磁倾角、测量经纬度位置、海拔高度和扫描的地图等信息运算分析处理等。

地球磁场空间信息绘制单元2-112,根据激光测高单元2-109、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115和地形扫描单元2-116等单元获取的测量数据进行地球磁场在空间地图中绘制,形成地球磁场空间信息地图。

全景拍摄单元2-113,在激光测高单元2-109、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115和地形扫描单元2-116等测量时,同步进行对所测量位置进行半空间拍摄。

高精度地磁场强度测量单元2-114,在空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2被飞行平台在空中拖动飞行过程中,进行空中地球磁场强度的精确测量。

地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115,在空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2被飞行平台在空中拖动飞行过程中,进行空中地球磁场的地磁偏角和地磁倾角的准确测量。其测量的两个角度参数是空中地磁场矢量的重要参数,同时这两个参数值也是空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的高精度地磁场强度测量单元2-114进行测量探头调整的重要参数。如图4所示,给出需要测量的部分地磁要素,图中以地表某点的地磁场为研究对象,给出了其地磁场强度的矢量,用t表示。以研究点为原点建立直角坐标系,x轴指向地理北,y轴指向地理东,z轴垂直向下,指向地心。在此坐标系中矢量t在水平面的投影与x轴的夹角,称为磁偏角,用d表示。矢量t的倾角,称为磁倾角,用i表示。矢量t在坐标系的xoy水平面上及沿各坐标轴的投影h、x、y和z分别称为水平分量,北分量、东分量和垂直分量。

地形扫描单元2-116,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2在空中飞行过程中,对依其重力方向轴锥角为30°范围内地形进行扫描测量。

坠落保护单元2-117,其作用是当空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2发生意外而坠落时,缓冲一部分坠落时产生的巨大冲击力,对装置起到一定的保护效果。

装置机体单元2-118,一方面是给空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1内部各个单元提供安装位置和保护,另一方面装置机体单元2-118采用非铁磁性非金属低密度硬质材料而设计的双垂尾三角翼机体,该机体既可以有良好的平衡作用,还可以在测量飞行过程中机翼产生具有一定的升力减少飞行平台的拉力,减少重力产生的能耗,如图5所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的主体子部分2-1模型示意图。

主体子部分2-1中,gps定位授时单元2-101、无线通信单元2-102、警告避障单元2-103、键盘操作单元2-104、装置动态平衡调整单元2-105、供电单元2-106、光纤通信单元2-107、显示单元2-108、激光测高单元2-109、数据存储单元2-110、高速mcu计算单元2-111、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115、地形扫描单元2-116和坠落保护单元2-117之间通过通信总线相连接;供电单元2-106通过电源线给其他功能单元供能,如图6所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的主体子部分2-1构成框图。

警告避障单元2-103给空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行障碍物预警避障;

键盘操作单元2-104为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2提供输入功能;

装置动态平衡调整单元2-105根据高速mcu计算单元2-111的指令对空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行平衡调整;

供电单元2-106为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2内部其他单元提供电能;

光纤通信单元2-107与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的辅助子部分2-3的光纤通信单元2-307进行光缆连接通信;

显示单元2-108根据高速mcu计算单元2-111的控制提供参数显示;

坠落保护单元2-117为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分(2)提供坠落保护;

装置机体单元2-118与坠落保护单元2-117非金属螺栓连接,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2提供基体和浮力。

辅助子部分2-3由卫星通信单元2-301、键盘操作单元2-302、显示单元2-303、外部接口单元2-304、辅助子部分控制单元2-305、数据存储单元2-306、光纤通信单元2-307、空压动力单元2-308和固定悬挂单元2-309构成。

卫星通信单元2-301,对从光纤通信单元2-307传输过来的地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2测量的地球地磁信息进行转发,转发到卫星通信链路中,最后到达远端地面观测客户端。

操作键盘单元2-302为辅助子部分提供输入功能,在飞行平台上的辅助子部分2-3进行对整个地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置进行参数设置等操作。

显示单元2-303为辅助子部分2-3提供显示测量状态,在飞行平台上的辅助子部分2-3显示测量状态、显示查询数据、显示各个单元工作状态等信息。

外部接口单元2-304为辅助子部分2-3电源接口和数据交换接口;其作用一是连接飞行平台上的电源,从而对辅助子部分2-3内各个需要电能的单元提供电能;作用二是提供外部数据交换接口,便于对辅助子部分2-3进行数据读取、调试维修等操作。

辅助子部分控制单元2-305,一方面控制辅助子部分2-3内的空压动力单元2-308等,另一方面从飞行平台上控制主体子部分2-1中的激光测高单元2-109、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115、地形扫描单元2-116等。

数据存储单元2-306,对辅助子部分控制单元2-305操作的数据进行存储,对光纤通信单元2-307和卫星通信单元2-301的数据进行备份存储。

光纤通信单元2-307,建立与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1中的光纤通信单元2-107的通信,实现对测量后的数据进行接收。

空压动力单元2-308,借助飞行平台电能产生空气压力能,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1中的装置动态平衡调整单元2-105供应空气压力能。

固定悬挂单元2-309,其作用是通过碳纤维拉力绳2-203将空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2辅助子部分2-3固定在飞行平台上,给主体子部分2-1提供向上的拉力。同时在固定悬挂单元2-309中有拉力测量模块,可以对碳纤维拉力绳2-203上的拉力进行实时测量,为整个装置的飞行工作过程中提供重要参数之一。拉力测量模块的工作启动取决于碳纤维拉力绳2-203上的拉力,当碳纤维拉力绳2-203上负载拉力时,拉力测量模块启动工作。

辅助子部分2-3中,卫星通信单元2-301、键盘操作单元2-302、显示单元2-303、外部接口单元2-304、辅助子部分控制单元2-305、数据存储单元2-306、光纤通信单元2-307、空压动力单元2-308和固定悬挂单元2-309之间通过通信总线相连接;外部接口单元2-304通过电源线和通信总线与辅助子部分2-3中各个功能单元连接,实现从外部供电和与外部通信,如图7所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的辅助子部分2-3结构框图。

连接子部分2-2主要由可传递气压的碳纤维管2-201、通信光缆2-202和碳纤维拉力绳2-203构成。

可传递空气压力的碳纤维管2-201,传递由辅助子部分2-3中的空压动力单元2-308的空气压力达到主体子部分2-1的装置动态平衡调整单元2-105,便于主体子部分2-1的机体平衡可靠。

通信光缆2-202,传递主体子部分2-1内的光纤通信单元2-107和辅助子部分2-3光纤通信单元2-307的光源所产生的激光信号。传递空气压力的碳纤维管2-201和通信光缆2-202采用镶嵌式设计,设计在一个碳纤维管上,如图8所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中连接子部分2-2碳纤维管剖面图。

碳纤维拉力绳2-203,连接空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的装置机体单元2-118,通过绳索的将整个主体子部分2-1提升。

连接子部分2-2中,可传递气压的碳纤维管2-201和通信光缆2-202采用嵌入组合,3根碳纤维拉力绳2-203承受拉力。连接子部分2-2内部中的可传递气压的碳纤维管2-201、通信光缆2-202和碳纤维拉力绳2-203共同连接着主体子部分2-1与辅助子部分2-3,如图9所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2三个子部分构成框图。

实施例一:

下面以地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置为具体实例,说明本发明的工作过程与原理:

1.选用的具体硬件如下

地面地球磁场信息测量部分1

地面地球磁场信息测量部分1由地磁场强度测量单元101、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102、gps定位授时单元103、装置位置调整单元104、mcu计算单元105、无线通信单元106、参数设置单元107、信息存储单元108、显示单元109、装置投射缓冲单元110、供电单元111、回收辅助单元112和装置地面保护单元113等构成。地面地球磁场信息测量部分1内各个单元通过lxi总线技术进行设计,将各个单元紧密连接在一起。

地磁场强度测量单元101其核心部件采用可测量微弱磁场的高度灵敏的磁通门磁力仪,其精确测量从1nt到200μt,分辨率0.1nt,采用低通滤波开关,带宽0到1kz,精度0.5%,偏移±5nt,该单元通过lxi总线与地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102等连接。

地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102,该单元包括基准角度模块、地磁场偏角和地磁场倾角三个测量模块。其中地磁场偏角测量模块由电子罗盘和光学电子真北传感器构成。电子罗盘进行磁北方向测量,光学电子真北传感器进行地理北向的测量。光学电子真北传感器主要由两平行平面反射镜、微米级悬丝、激光光源、双平行悬梁、悬丝投影光敏位置编码板、数据采集电路、日中时间和日变数据存储器和stc89c52单片机以及算法程序。电子罗盘将测量的磁北方向数据和光学电子真北传感器测的真北方向数据传递给基准角度模块测出地磁偏角。其中地磁场倾角测量模块主要采用磁阻传感器测量实现,该模块主要由八个磁阻传感器形成的两组相互垂直的惠斯登电桥、放大电路、两组亥姆霍兹线圈、高精度小范围角度调整程控步进电机、λ/d转换电路以及微处理器等构成。通过地磁场倾角测量模块可以测出地磁磁场的水平分量、垂直分量并解算出地磁场倾角。

gps定位授时单元103选用m32moncorc时间同步定位模块,该模块带有32路跟踪通道,2路快速采集通道,l1波段,采用c/λ码,接收灵敏度接收-148dbm,水平精确度1.5m,计时精确度小于10ns,-40~+85℃,内置可编程的1pps精准度的脉冲频率输出。gps定位授时单元103将获得的时间和位置信息,传输给mcu计算单元105进行时间同步,同步后的时间以便地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102中的光学电子真北传感器进行地理北向的测量确定。

装置位置调整单元104采用四组抗腐蚀滚珠丝杠机构、四个步进电机、齿轮变速机构、双轴水平传感器、水平度控制比较电路构成。双轴水平传感器以非常严格的位置公差要求与地面地球磁场信息测量部分1内部各个单元形成高精度的位置关系,以此来保证整个系统的测量准确度。在双轴水平传感器测量下,水平控制比较电路的控制步进电机的带动齿轮变速机构转动滚珠丝杠调整四组支撑脚完成整个地面地球磁场信息测量部分1的水平度和位置调整。

mcu计算单元105采用λrmcortcxm4核心,lqfp-64封装,32bit数据总线,512kb程序存储器空间,128kb数据rλm空间,180mhz最大时钟频率,16个λdc通道,12位dλc分辨率,工作温度范围-40℃~85℃。

无线通信单元106采用低功耗低传输速率的zigbcc无线模块和较高功耗的高传输速率的wifi模块,其中zigbcc无线模块用于与空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的无线通信单元2-102之间传输数据量小的控制指令,以便及时启动无线通信单元106中的wifi模块能传输测量好的数据。wifi模块主要进行测量好的大量数据的快速地向空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的无线通信单元2-102传输。在zigbcc无线模块与wifi模块之间通过rs232串口线进行数据传输。

参数设置单元107采用带有数字、字母和其他特殊功能键的小型完全密封的塑料薄膜式全编码键盘,该单元采用ps/2接口方式接入到该部分电路。

信息存储单元108采用microsd卡,容量64gb,读写速度class10。

显示单元109采用表面式电容触摸式led显示屏,可以直接在显示屏上操作进行数据查询或功能设置等。

装置投射缓冲单元110采用塑性弹簧缓冲和高气压反冲缓冲,该单元安装在地面地球磁场信息测量部分1周围。当地面地球磁场信息测量部分1自动脱离绳索时,装置投射缓冲单元110中的高气压反冲减速,同时再在塑性弹簧的缓冲作用下安全着地。

供电单元111采用胶体铅酸储能蓄电池和太阳能相结合的供电方式。该单元主要包括胶体铅酸储能蓄电池、太阳能光能接收板、电压转化电路等构成。采用该供电单元设计可以为地面地球磁场信息测量部分1提供长时效可循环和宽温度范围的放电要求,对复杂恶劣环境具有良好的适应性。选用的蓄电池额定电压为12v,此外该供电单元111中还有降压模块可以对12v电压将为9v、5v、3.3v共四个档位,为地面地球磁场信息测量部分1内部各个单元提供需要的电压。

回收辅助单元112采用带有程控继电器的硬质非金属挂钩和定位传感器构成。当在回收地面地球磁场信息测量部分1时,飞行平台上下落的绳索将和回收辅助单元112结合将地面地球磁场信息测量部分1拉升回收。

装置地面保护单元113采用硬质有机玻璃压克力板形成地面地球磁场信息测量部分1外壳,并使用聚氨酯橡胶密封防水防尘。

空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2

空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2又可以分三子部分,主体子部分2-1、辅助子部分2-3和连接子部分2-3。主体子部分2-1和辅助子部分2-3内各个单元同样采用lxi总线技术进行设计,将各个单元紧密连接在一起。所述的主体子部分2-1由gps定位授时单元2-101、无线通信单元2-102、警告避障单元2-103、键盘操作单元2-104、装置动态平衡调整单元2-105、供电单元2-106、光纤通信单元2-107、显示单元2-108、激光测高单元2-109、数据存储单元2-110、高速mcu计算单元2-111、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115、地形扫描单元2-116、和坠落保护单元2-117、装置机体单元2-118等构成。所述的辅助子部分2-3由卫星通信单元2-301、键盘操作单元2-302、显示单元2-303、外部接口单元2-304、辅助子部分控制单元2-305、数据存储单元2-306、光纤通信单元2-307、空压动力单元2-308和固定悬挂单元2-309构成。所述的连接子部分2-2主要由可传递气压的碳纤维管2-201、通信光缆2-202和碳纤维拉力绳2-203构成。

主体子部分2-1

gps定位授时单元2-101选用m32moncorc时间同步定位模块,该模块带有32路跟踪通道,2路快速采集通道,l1波段,采用c/λ码,接收灵敏度接收-148dbm,水平精确度1.5m,计时精确度小于10ns,-40~+85℃,内置可编程的1pps精准度的脉冲频率输出。gps定位授时单元2-101将获得的时间和位置信息,传输给高速mcu计算单元2-111进行时间同步,同步后的时间以便地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115中的电子罗盘和电子陀螺仪进行地理北向的测量确定。

无线通信单元2-102采用低功耗低传输速率的zigbcc无线模块和较高功耗的高传输速率的wifi模块,其中zigbcc无线模块用于与地面地球磁场信息测量部分1中的无线通信单元106之间传输数据量小的控制指令,以便及时启动无线通信单元2-102中的wifi模块能接收地面测量好的数据。wifi模块主要接收来自地面地球磁场信息测量部分1的无线通信单元106传输过来的测量好的大量数据。在zigbcc无线模块与wifi模块之间通过rs232串行线进行数据传输。

警告避障单元2-103安装在空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1的四个侧面,该单元包括雷达测距模块、报警电路、蜂鸣器、红色防撞灯和灯光开启控制电路等构成。雷达测距模块用于测量空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分周围阻挡物所处的距离,为飞行平台提供空中状况信息。蜂鸣器与报警电路在主体子部分2-1前方遇到障碍物时进行声响报警提醒飞行平台注意前方。红色防撞灯和灯光开启电路用于空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2在夜间工作时的空中信标灯,防止发生被撞。

键盘操作单元2-104采用带有数字、字母和其他特殊功能键的小型完全密封的塑料薄膜式全编码键盘,该单元采用ps/2接口方式接入到该部分电路。

装置动态平衡调整单元2-105采用空气压力控制非金属滑块调整平衡、喷气式调整和碳纤维拉力绳调整三种方式。该单元包括空压式非金属滑块调整平衡部件、喷气式平衡调整部件、碳纤维拉力绳调整部件、双轴水平传感器和水平度控制比较电路构成。非金属滑块调整平衡部件用于微小平衡度的调整,喷气式平衡调整部件和碳纤维拉力绳平衡调整部件用于大角度快速的空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1的水平度调整。空压式非金属滑块调整平衡部件和喷气式平衡调整部件是通过辅助子部分2-3的空压动力单元2-308提供的空气动力来实现主体子部分2-1平衡滑块的移动和喷气反冲力实现装置的水平度调整,碳纤维拉力绳2-203调整是通过控制三个碳纤维拉力绳2-203长短实现水平调整。

供电单元2-106采用大容量300λh锂电池,该单元主要包括大容量锂电池、过流保护电路、降压电路等构成。选用的锂电池额定电压为12v,该电池最大工作稳定输出电流80λ,过流电流120λ,此外该供电单元中还有降压模块可以对12v电压将为9v、5v、3.3v共四个档位,为空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1内各个单元提供需要的电压。

光纤通信单元2-107采用单模单纤光模块,接口单lc接口,速率1.25gb/s,波长1310nm,工作电压3.3v,工作温度-10℃~70℃。光纤通信单元2-107高速的传输速度,以及传输过程微弱的电磁干扰有利于其他磁测量单元的高精度测量。光纤通信单元2-107主要是将空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分的主体子部分2-1和辅助子部分2-3进行数据的进行高速数据链的连接。

显示单元2-108采用表面式电容触摸式led显示屏,可以直接在显示屏上操作进行数据查询或功能设置等。

激光测高单元2-109采用激光测距模块,该模块测距范围5~1000m,分辨率0.5m,工作电流50mλ,工作温度-20℃~60℃,输入电压9v~12v,发射光束为脉冲激光,激光脉冲频率1hz。

数据存储单元2-110采用8tb硬盘存储,缓存128m,转速7200rpm,外部传输速率205mb/s,内部传输速率195mb/s,平均寻道时间读取/写入8.5ms/9ms。该数据存储单元具有超大容量,快速传输的特点,满足了激光测高单元2-109、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115和地形扫描单元2-116测量产生的大量数据存储需求,同时适应接收地面地球磁场信息测量部分1传输过来的大量数据。

高速mcu计算单元2-111采用64位λmdryzcn7cpu,主频3ghz,动态加速频率3.7ghz,8核心,16线程,二级缓存4mb,三级缓存16mb,内存类型ddr4。高速mcu计算单元2-111对整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2内部各个单元进行数据的统一协调运算,数据压缩、转发、存储等,如图10所示,给出了空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行地球磁场空间信息生成过程图。

地球磁场空间信息绘制单元2-112采用图形处理器gpu和高速缓存器构成,根据gps定位授时单元2-101、激光测高单元2-109、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115、地形扫描单元2-116等对数据进行预处理、几何模型重建和模型可视化。各个单元采集的数据是地球磁场空间信息重建的前提,对数据的预处理为信息重建提供可靠精选的点云数据,降低复杂度,提高重构的精确度和速度。地球磁场空间信息绘制单元2-112将运算生成好的数据最终传递到高速mcu计算单元2-111再处理并储备到数据存储单元中。

全景拍摄单元2-113采用工业级全景相机,该单元由5个侧面和1个底面镜头构成,具有170°超广角视距,超低色散多层镀膜镜片。该单元在工作时结合gps定位授时单元2-101、激光测高单元2-109、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115等同步从6个方向同时采集图像,自动校准拍摄的全景图像。

高精度地磁场强度测量单元2-114采用感应式光泵核磁共振磁力仪,该单元包括射频振荡器、氦灯源、透镜、偏振片、1/4波长片、偏磁场线圈、接收线圈探头、放大器电路、频率计、mcu模块、数据缓存模块等构成。该单元利用3he基态原子核激化产生的磁化强度在地磁场中进动,在接收线圈中感应出进动频率的核磁共振信号,利用进动频率与地磁场成正比的关系,将信号放大,用频率计测出磁共振信号的频率,用mcu计算模块计算得到地磁场的强度值。

地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115,该单元包括基准角度模块、地磁场偏角和地磁场倾角三个测量模块。其中地磁场偏角测量模块由电子罗盘和电子陀螺仪构成。电子罗盘进行磁北方向测量,电子陀螺仪进行地理北向的测量。电子陀螺仪对地理北向的测量是通过在整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2运动过程中gps定位授时单元2-101测量的位置信息以及航向,再结合电子陀螺仪测量的方向得到最终的地理北向信息。使用陀螺仪可以对gps定位授时单元2-101信号进行有效补偿,保证在gps信号失锁后也能不失方向并正常工作。电子罗盘将测量的磁北方向数据和电子陀螺仪结合gps定位授时定位单元2-101得到的真北方向数据传递给基准角度模块测出地磁偏角。其中地磁场倾角测量模块主要采用磁阻传感器测量实现,该模块主要由八个磁阻传感器形成的两组相互垂直的惠斯登电桥、放大电路、两组亥姆霍兹线圈、高精度小范围角度调整程控步进电机、λ/d转换电路以及微处理器等构成。通过地磁场倾角测量模块可以测出地磁磁场的水平分量、垂直分量并解算出地磁场倾角。

地形扫描单元2-116采用三维激光地形扫描模块,该模块通过激光高速扫描测量的方法,高分辨率地获取空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2下方的被测地球表面的三维坐标数据,以逐点扫描的方式,再现所测地球表面的三维立体形状。包括:外业数据采集,获取具有影像真实感的高精度点云数据;点云数据配准,将同名控制标靶的扫描点云数据统一在同一个坐标系下;地貌数据获取、非地貌数据的剔除、等高线的生成和地物与地貌的叠加运算。

坠落保护单元2-117采用安全气囊和安全降落伞两种形式,该单元包括安全气囊、安全降落伞、加速度传感器和控制电路及其附属部分。该单元在空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2发生坠落时,加速度传感器测量到相应的坠落加速度,控制电路及其附属部分操作安全气囊和安全降落伞打开,在坠落时起到保护整个测量装置的作用。

装置机体单元2-118采用三角翼飞行器模型设计,使用硬质韧性非金属材料,该机体具有良好的飞行曲线效果,能够减少飞行平台对主体子部分2-1的拉升力,减少能量消耗。空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2其他单元通过合理安装或镶嵌形式固定在机体单元2-118中。

辅助子部分2-3

卫星通信单元2-301采用全球宽带网络卫星通讯终端,该卫星通讯终端通过inmλrsλt-4卫星建立宽带卫星链路传输语音及数据,最高384kbps的传输速率,支持语音、intcrnct、voip、foip以及视频图像实时传输,卫星通信单元2-301安装在飞行平台的外部,带有旋转轴可以准确地调整内置天线对准卫星方向,建立卫星通讯链路简单快捷。

键盘操作单元2-302采用带有数字、字母和其他特殊功能键的小型完全密封的塑料薄膜式全编码键盘,该单元采用ps/2接口方式接入到该部分电路。

显示单元2-303采用表面式电容触摸式led显示屏,可以直接在显示屏上操作进行数据查询或功能设置等。

外部接口单元2-304包括电源接口和通信接口两大类。电源接口采用三脚梅花接口,其作用是连接飞行平台的电源和辅助子部分,实现对辅助子部分2-3提供电能。通信接口采用rs232、usb和rj45三种传输数据的接口,实现飞行平台与辅助子部分2-3的数据传输和控制指令传输等。

辅助子部分控制单元2-305采用酷睿m5代cpu,主频0.8ghz,最大睿频2ghz双核心,四线程,三级缓存4m,两通道内存,支持最大内存16g。辅助子部分控制单元2-305对整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的辅助子部分2-3内部各个单元进行数据处理,对来自光纤通信单元2-307的数据进行压缩存储,并转发给卫星通信单元2-301等。

数据存储单元2-306采用8tb硬盘存储,缓存128m,转速7200rpm,外部传输速率205mb/s,内部传输速率195mb/s,平均寻道时间读取/写入8.5ms/9ms。此部分的数据存储单元2-306主要进行整个装置数据的备份。

光纤通信单元2-307采用单模单纤光模块,接口单lc接口,速率1.25gb/s,波长1310nm,工作电压3.3v,工作温度-10℃~70℃。光纤通信单元2-307高速的传输速度,以及传输过程微弱的电磁干扰有利于其他磁测量单元的高精度测量。光纤通信单元2-307主要是将空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分的主体子部分2-1和辅助子部分2-3进行数据的进行高速数据链的连接。

空压动力单元2-308采用无油空气压缩机供应空气动力,所选用的空气压缩机额定工作压力100kpa,输入额定功率35w,额定电压dc12v,额定电流3.5λ,额定转速1600-1700r/min。

固定悬挂单元2-309主要由螺栓螺母、飞行平台固定板、拉力应变传感器以及检测电路构成。固定悬挂单元2-309采用螺栓、螺母、橡胶垫片和飞行平台固定板将连接子部分的可传递气压的碳纤维管2-201、通信光缆2-202和碳纤维拉力绳2-203进行固定,以满足空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的安装固定要求。

连接子部分2-2

可传递气压的碳纤维管2-201采用35m~50m长的碳纤维管,该碳纤维管在加工时中间既留有可传递空气压力的通孔,也镶嵌有通信光缆2-202。该碳纤维管起到了传递空气动力的功能,也对通信光纤有保护作用。

通信光缆2-202采用单模光纤,该通信光缆2-202被镶嵌在可传递气压的碳纤维管2-201中。

碳纤维拉力绳2-203采用3根碳纤维拉力绳2-203将空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2的主体子部分2-1牵引起来。

2.工作过程与原理

首先将装置的所需要的多个地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2装载到飞行平台上,然后飞行平台起飞后,飞向需要测量的地面区域,将多个地面地球磁场信息测量部分1相隔一定距离下落在地面,地面地球磁场信息测量部分1到达地面后开始调整随后开始工作,开始对所降落区域的地磁场强度、地磁场偏角、地磁场倾角、经度纬度、海拔高度等信息进行测量并保存。同时,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2在飞行过程中开始对准备测量的地面上空沿着测线进行测量,测量地面上空的信息有地磁场强度、地磁场偏角、地磁场倾角、经度纬度、海拔高度、地形地图和全景照片图等。接着,当地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2完成测量的信息后,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2在沿着测量飞行路线飞行过程中接收各个地面地球磁场信息测量部分1通过无线通信单元106传输的测量的信息后,通过空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的地球磁场空间信息绘制单元2-112形成地球空间三维矢量地磁信息地图,并将其存储在数据存储单元2-110,同时,将地球空间三维矢量地磁信息等数据通过光纤通信单元2-107传输到辅助子部分2-3的光纤通信单元2-307,然后再传输到辅助单元2-3中卫星通信单元2-301,最后通过卫星通信链路传输到地面监测查询终端。通过整个过程的对地球磁场信息的全面测量,实现了地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置的测量过程。如图11,给出了地空结合多功能高精度快速地磁信息测量装置的一种实际测量示意图。

然后,进一步对本发明的测量方法进行阐述,本发明的测量方法是通过以下技术方案实现的:

本发明的测量方法有两种:一种是只采用空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行测量形成的测量方法,该方法可以快速对需要探测区域的地球空中磁场进行测量,形成被探测区域的空间磁场信息地图,适合于快速地球磁场探测;另一种的测量方法是同时采用地面地球磁场信息测量部分1和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2紧密有序结合共同进行测量而形成的方法,该方法既可以快速对需要测量区域的地球空中磁场进行测量,形成被测量区域的空间磁场信息地图,也可以进行地球表面被测量区域的长时期磁测量磁观测以及地磁信息收集。

一种是只采用空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2进行测量形成的测量方法,其步骤如下:

步骤1、检查空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2各个单元是否良好,将辅助子部分2-3中的空压动力单元2-308等安装在飞行平台内部,辅助子部分2-3中的固定悬挂单元2-309固定在飞行平台外部拉载着空中悬挂高精度快速地球信息测量部分2的连接子部分2-2和主体子部分2-1;

步骤2、飞行平台起飞,缓慢拉动碳纤维拉力绳2-203提起整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2,随着整个装置渐渐离开地面,辅助子部分2-3中固定悬挂单元2-309中拉力测量模块启动工作,根据该模块测得的拉力数值大于等于平衡悬挂时主体子部分2-1的重力时启动主体子部分中2-1的装置动态平衡调整单元2-105,紧接着启动主体子部分2-1中的激光测高单元2-109,根据激光测量的高度数值达到10m时启动主体子部分2-1中的gps定位授时单元2-101、数据存储单元2-110和高速mcu计算单元2-111;

步骤3、当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2都完成顺利起飞和启动工作后,根据预先设置好的测磁高度和测磁航线坐标位置来进行主体子部分2-1其他单元工作,当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2到达预设位置高度和位置时,开启主体子部分2-1中的警告避障单元2-103、装置动态平衡调整单元2-105、供电单元2-106、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115和地形扫描单元2-116等;

步骤4、到达预定地点和上空,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2开始对预定测线和高度开始对测量地区的地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角、地形扫描、地面全景照片等进行信息采集存储在数据存储单元2-110中;

步骤5、空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的高速mcu计算单元2-111提取数据存储单元2-110中对测量到的经纬度坐标、高度位置、纬度地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息后再次存储在数据存储单元2-110中,地球磁场空间信息绘制单元2-112提取结构体数据结合地形扫描数据对测量的地区的磁场空间信息地图绘制。然后将经纬度坐标、高度位置、地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息和测量的地区的磁场空间信息地图通过主体子部分2-1中光纤通信单元2-107传输到辅助子部分2-3中光纤通信部分2-307;

步骤6、辅助子部分2-3中的光纤通信单元2-307将传递过来的数据转发到其卫星通信单元2-301,卫星通信单元2-301继续将数据信息传递到卫星网络,直到地面网络客户端。

另一种是同时采用空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2和地面地球磁场信息测量部分1相结合的地空式测量形成的测量方法,如图12所示,其具体步骤如下:

步骤1、根据需要长期测量地球表面磁场地区面积和地表磁场测量的点数,确定地面地球磁场信息测量部分1的数量,将这些确定好的地面地球磁场信息测量部分1检查良好后,装载在飞行平台中;

步骤2、检查空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2各个单元是否良好,将辅助子部分2-3中的空压动力单元2-308等安装在飞行平台内部,辅助子部分2-3中的固定悬挂单元2-309固定在飞行平台外部拉载着空中悬挂高精度快速地球信息测量部分2的连接子部分2-2和主体子部分2-1;

步骤3、飞行平台起飞,缓慢拉动碳纤维拉力绳2-203提起整个空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2,随着整个装置渐渐离开地面,辅助子部分2-3中固定悬挂单元2-309中拉力测量模块启动工作,根据该模块测得的拉力数值大于等于平衡悬挂时主体子部分2-1的重力时启动主体子部分2-1中的装置动态平衡调整单元2-105,紧接着启动主体子部分2-1中的激光测高单元2-109,根据激光测量的高度数值达到10m时启动主体子部分2-1中的gps定位授时单元2-101、数据存储单元2-110和高速mcu计算单元2-111;

步骤4、当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2都完成顺利起飞和启动工作后,根据预先设置好的测磁高度和测磁航线坐标位置来进行主体子部分2-1其他单元工作,当飞行平台和空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2到达预设位置高度和位置时,开启主体子部分2-1中的警告避障单元2-103、装置动态平衡调整单元2-105、供电单元2-106、地球磁场空间信息绘制单元2-112、全景拍摄单元2-113、高精度地磁场强度测量单元2-114、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元2-115和地形扫描单元2-116等;

步骤5、到达需要测量的地球表面上空,降低飞行平台飞行高度,将地面地球磁场信息测量部分1沿着能绳索以3m/s的速度匀速下降,下降到达地面2m高度时,地面地球磁场信息测量部分1自动脱离绳索,在装置投射缓冲单元110的保护下坠落到需要测量的地点;

步骤6、以同样的方式完成剩余数量的地面地球磁场信息测量部分1分别准确地投落在预测量区域,在每一个地面地球磁场信息测量部分1投落完成后自动利用装置位置调整单元104进行位置方向调整,并分别利用gps定位授时单元103、地磁场强度测量单元101、地磁场偏角和地磁场倾角测量单元102进行经纬度、海拔、磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角测量,并将测量到的信息数据经过mcu计算单元105存储到信息存储单元108中;

步骤7、在降落地面地球磁场信息测量部分1的同时,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2开始对预定测线和高度开始对测量地区的地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角、地形扫描、地面全景照片等进行信息采集存储在数据存储单元2-110中;

步骤8、空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2在飞行平台的提拉作用下,沿着平行于投落地面地球磁场信息测量部分1轨迹偏离20m~200m返航飞行;

步骤9、在这种偏离原轨迹返航式来回飞行过程中,一方面测量空中地球磁场信息情况,另一方面通过无线通信模块2-102接收地面地球磁场信息测量部分1提供的地面地磁场信息,并存储在数据存储单元2-110;

步骤10、完成预测量地区上空和地面地球磁场信息后,空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2中的高速mcu计算单元2-111提取数据存储单元2-110中对测量到的经纬度坐标、高度位置、纬度地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息后再次存储在数据存储单元2-110中,地球磁场空间信息绘制单元2-112提取结构体数据结合地形扫描数据对测量的地区的磁场空间信息地图绘制。然后将经纬度坐标、高度位置、地球磁场强度、地磁场偏角和地磁场倾角运算处理形成结构体数据信息和测量的地区的磁场空间信息地图以及地面地球磁场信息数据通过主体子部分2-1中光纤通信单元2-107传输到辅助子部分中光纤通信单元2-307;

步骤11、辅助子部分2-3中的光纤通信单元2-307将传递过来的数据转发到其卫星通信单元2-301,卫星通信单元2-301继续将数据信息传递到卫星网络,直到地面网络客户端。

步骤12、如果地面地球磁场信息测量部分1需要对测量区域进行长期地磁信息测量和统计,则保留这些地面地球磁场信息测量部分1,并定期通过飞行平台挂载空中悬挂式高精度快速地球磁场信息测量部分2对该区域飞行地磁场等信息测量;如果不需要对该地区进行长期地面地球磁场信息测量,则飞行平台沿着投落轨迹通过地面地球磁场信息测量部分1的回收辅助单元112进行依次回收。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。

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