一种三轴磁通门航磁测量系统及矫正补偿方法与流程

本发明涉及一种无人机航空地球物理探测技术，特别是涉及一种磁的勘探或探测
技术领域：
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背景技术：
：目前市场上主要商用的磁力仪有磁通门磁力仪，质子磁力仪，overhauser磁力仪，光泵磁力仪和超导量子干涉磁力仪。受制于探测原理、探头物质、体积、重量、采样速率、价格等多方面因素制约，商用航空磁测以光泵磁力仪为主，磁通门磁力仪作为补偿或者三分量测量为辅。航空磁测最早用于海军针对潜艇引起的磁异常进行探测，后用于民用的航空物理勘探工作。在物理勘探领域，航空磁测具有速度快、精度高、不受地表干扰等特点，在地质制图、大区域地质构造研究、铁矿和其他金属矿矿藏资源的评价、石油天然气成矿远景区的预测、工程地质和环境监测时广泛使用。以往的航磁测量都是在固定翼飞机或直升机上进行设备搭载测量，但航空勘察成本高昂，为获得高质量数据，低空飞行有巨大风险，而飞行高度过高，反映的地质效果分辨率较低、无法开展大比例尺工作。其次由于飞行器材料多为金属，或多或少都有弱磁性。飞行中发动机转子运动产生的磁场，以及飞机内航电系统通电后产生的感应磁场都会对磁力仪造成干扰。为了让飞行器能搭载光泵磁力仪并获得有效数据，1944年由美国海军部门的tolles和lawson(1944)给出了和飞机机动有关的干扰场的工作模型。他们将与飞机机动有关的飞机磁场分为恒定磁场hp(permanentfield)、感应磁场hi(inducedfield)和涡流磁场hc(eddy-currentfield)。恒定磁场是指飞机上的磁性零部件和铁磁性材料剩磁所产生。感应磁场主要是由飞行器机体上的软磁性材料在地磁场中被磁化而产生的，该磁场的大小与引起它的外加磁场成正比，因此在三轴磁通门传感器坐标系下，感应磁场的大小与方向将随着无人机的姿态变化而变化。涡流磁场是金属机体飞行中切割地磁场而产生的，其各分量与投影到各坐标轴上的地磁场变化率成正比。leliak在1961年对该模型进行了理论上的论证，将光泵航磁补偿方法表达为理论公式如下：ht＝c1cosx+c2cosy+c3cosz+he{c4cos2x+c5cosxcosy+c6cosxcosz+c7cos2y+c8cosycosz+c9cos2z}+he{c10cosx(cosx)′+c11cosx(cosy)′+c12cosx(cosz)′+c13cosy(cosx)′+c14cosy(cosy)′+c15cosy(cosz)′+c16cosz(cosx)′+c17cosz(cosy)′+c18cosz(cosz)′}公式1ht指干扰磁总场，he指地球磁场，(cosx，cosy，cosz)是与飞行器位置固定的三轴磁通门的三份量对应其轴向的方向余弦，()’指投影到各坐标轴磁场方向余弦的变化率。c1-c18是18个估计参数。其中c1-c3与恒定磁场干扰hp有关，c4-c9与感应磁场干扰有关，c4-c9与涡流磁场干扰有关。1980年leach通过进一步研究，将模型补偿系数求解过程看作解线性方程组，提高了求解出系数的稳定性。随着计算机的发展和高精度航磁探测工作的推进，磁补偿从硬件反馈线圈模式发展到了软件实时、飞行后补偿的成熟商用产品。载人飞行器航磁测量方法一般使用光泵磁力仪作为总场磁力仪来进行数据采集工作。如果是磁力仪与飞行器采用硬连接方案，需要使用三轴磁通门磁力仪来记录飞行姿态。先进行高空四边带机动飞行以获得光泵磁力仪总场和三轴磁通门矢量磁场数据生成的方向余弦参数，通过滤波和解线性方程来获得补偿估计参数，再以该系列估计参数对实际工作测量中的数据进行补偿计算，以去除飞行器对光泵磁力仪产生的磁干扰。在光泵航磁补偿系统中，三轴磁通门磁力仪的作用仅用来记录飞行姿态也获得方向余弦参数，并不用来计算地磁总场数据。由于不考虑三轴磁通门自身的零偏误差、灵敏度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应以及三轴非正交误差，同时公式1中三轴磁通门数据产生的方向余弦与自身三轴矢量磁场计算出的地磁总场的多元线性回归方程求解会有严重的多重共线性的问题，所以使用光泵磁补偿公式1是无法有效的运用在三轴磁通门磁力仪的矢量磁场和地磁总场数据矫正和补偿算法模型上的。伴随着应用技术的成熟，无人机在航空磁测中应用显著增加，无人机搭载航磁测量设备能够快速部署，高效、高精度的采集数据，开展大比例尺航磁作业不仅能够消除地面地表等干扰物和起伏地形产生的影响，充分节省成本，而且也能够在地质环境和安全标准禁止有人驾驶飞机磁测系统的环境中，可以根据最佳的地形空间来承担探测任务甚至能比载人飞行器航磁系统提供更好质量的探测数据。由于对磁性部件特别敏感的特性，航磁系统对于无人机的平台选择有比较特殊的要求，无人机的低磁性，飞行特性和续航时间，是实际航磁作业的关键因素之一。目前市场上，无人机种类大致可分为单旋翼，多旋翼和固定翼无人机。单旋翼无人机结构复杂，零部件繁多，研发成本非常高，周期非常长，维修不便，对操作手的要求很高。多旋翼无人机容易操控和生产，但最大的问题是续航能力比较差，飞行距离和范围也受到了很大的限制。普通固定翼无人机虽然续航能力强速度也更快，但起飞和降落都是需要平坦的地形或者专用的跑道，对于需要野外作业的矿藏勘查等物探业务显然不是合适的选择。目前市场上和
技术领域：
出现了垂直起降固定翼无人机形式，以常规固定翼飞行器为基础，增加多轴动力单元，在起降及低速状态下按照多轴模式飞行或盘旋，而在平飞状态下，按照固定翼模式飞行，通过气动升力克服重力，大大提高了飞行时间和速度。但由于需要增加多个磁性器件如马达，电调等设备。垂直起降固定翼无人机搭载航磁需要一定的布局设计、选择及改装来满足要求，目前市场上也并无专门针对航磁系统设计的垂直起降固定翼无人机。以往的航磁系统中需要包含gps，光泵磁力仪，三轴磁通门磁力仪，采集器等装置，其体积较大，总重量一般在5kg以上。因此对于无人机平台的载重能力要求较高，市场上采用的多是昂贵的千万/百万级别大型固定翼无人机平台，或无人直升机平台来搭载。其次很多商用光泵磁力仪和航磁补偿设备均依赖进口，价格非常昂贵，同时市场上主流的高精度光泵磁力仪属于敏感设备，进口受制于人。再者根据目前国家相关法律法规，空机重量大于4kg，起飞重量(包含电池)大于7kg的无人机属于ii类以上的无人机，无论是否在视距内飞行，都需要事先申请空域。而低于此重量要求的内，在适飞空域内，视距内飞行，不需要预先申请空域，只需实时上报到监管平台。上述条件大大限制了光泵磁力仪航磁测量系统的推广和应用，目前主要研究和技术都集中在高校和国家级科研院所等国家项目中，真正市场化的产品还未出现。而三轴磁通门磁力仪应用广泛，可以做到体积小，重量轻，同时测得空间某点处的所有磁场分量，三轴磁通门传感器固定在无人机任务仓内和无人机无相对运动。获得的航磁数据经过计算也可以获得总场、矢量及各个角度参数，但受机械加工与安装水平的限制，其自身固有的零偏误差、灵敏度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应以及三轴非正交误差对其磁场测量精度有着非常大的影响。即使在三轴正交度调校很精确的探头中，其原始总场数据随无人机机动很容易达到100～300nt或之上。如果叠加上无人机机体等系统的磁干扰，三轴磁通门总场数据是无法直接使用在航磁测量后的地磁有效成图作业中的。技术实现要素：本发明针对上述现有的问题，提出一种三轴磁通门航磁测量系统及矫正补偿方法，特别是提供一种基于垂直起降固定翼飞行器的三轴磁通门航磁测量系统及矫正补偿方法。为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：一种三轴磁通门航磁测量系统的矫正补偿方法，由搭载于飞行器上的航磁测量系统执行，其特征在于，包括以下步骤：(1)装载于航测飞行器上的数据采集及矫正补偿装置加载矩阵运算和函数库；(2)通过模拟输出三轴磁通门采集一系列飞行中原始磁场三分量数据h随磁通门探头姿态变化产生的三轴磁通门三个分量数字输出数据f1，f2，f3并存储；(3)将采集的一系列飞行中随姿态变化产生的三轴磁通门数字输出读数f作为数值输入，在计算机地面站系统中计算总磁场均值，求解非线性最小二乘方程组，获得对三轴磁通门磁力仪具有共同影响的矫正补偿参数；(4)将获得的补偿参数通过无线/有线数据实时传输模块写入到数据采集及矫正补偿装置，利用补偿算法对航磁飞行工作测线获得的矢量磁场和总场数据进行实时和/或飞行后矫正补偿，和/或飞行后通过计算机地面站系统软件进行飞行后补偿。在一些实施方式中，所述对三轴磁通门磁力仪具有共同影响的矫正补偿参数包括：三轴磁通门自身固有偏差参数、飞行器的恒定磁场参数和感应磁场参数；其中，所述三轴磁通门自身固有偏差包括零偏误差、灵敏度误差、正交度误差、探头自身的硬铁效应和软铁效应。在一些实施方式中，所述对三轴磁通门磁力仪具有共同影响的矫正补偿参数为o1，o2，o3，s1，s2，s3，α，β，rxy,rxz,ryz，对上述补偿参数建立数学模型为：f＝s·r·p·h+o其中，o为零偏误差，硬铁效应和飞行器的恒定磁场累积误差的轴向干扰综合3*1矩阵：s为灵敏度系数误差3*3对角矩阵:p为3*3正交度误差系数矩阵，是从三轴正交坐标系到磁通门线圈坐标系的矩阵转换而来r为3*3磁通门自身软铁效应和飞行器感应磁场累积误差综合系数矩阵:f为三轴磁通门数字输出读数h为未受干扰的实际地磁场原始磁场三分量数据根据三轴磁通门数字输出读数f为输入，通过补偿算法方程推算出原始磁场三分量数据h，所述补偿算法方程为h＝p-1·r-1·s-1·(f-o)。在一些实施方式中，所述求解非线性最小二乘方程组采用levenberg-marquardt算法，判断公式为其中，h′1，h′2，h′3为原始磁场三分量数据h随着磁通门探头姿态的变化的三个分量，为总磁场均值，地磁总场b为:其中，h1，h2，h3为飞行中实际磁场三分量。所述方法可应用于垂直起降固定翼无人机、固定连接的普通固定翼飞行器和单、多旋翼飞行器。一种三轴磁通门航磁测量系统，包括模拟输出三轴磁通门、gps天线、九轴惯性测量单元、数据采集及矫正补偿装置、数据采集存储装置、无线/有线数据实时传输模块、无线/有线数据实时传输模块以及计算机地面站系统，其特征在于，装载于航测飞行器上，将采集的一系列飞行中随姿态变化产生的三轴磁通门数字输出读数f作为数值输入，在计算机地面站系统中求解非线性最小二乘方程组，获得对三轴磁通门磁力仪具有共同影响的矫正补偿参数；所述对三轴磁通门磁力仪具有共同影响的矫正补偿参数包括：三轴磁通门自身固有偏差参数、飞行器的恒定磁场参数和感应磁场参数；其中，所述三轴磁通门自身固有偏差包括零偏误差、灵敏度误差、正交度误差、探头自身的硬铁效应和软铁效应。在一些实施方式中，所述模拟输出三轴磁通门、gps天线、九轴惯性测量单元、数据采集及矫正补偿装置、数据采集存储装置和数据实时传输模块安装在飞行器仓内；模拟输出三轴磁通门、gps天线和九轴惯性测量单元分别与数据采集及矫正补偿装置实现数据传输，数据采集及矫正补偿装置将计算结果传输至数据存储装置和数据实时传输模块，计算机地面站系统计算收集到的数据获得矫正补偿参数。在一些实施方式中，所述数据采集及矫正补偿装置包括：高速adc采样模块、gps接收机/pps信号模块、多数据同步采集及矫正补偿系统、嵌入式操作系统；通过pps信号，将gps接收机输出数据，三轴磁通门数据，九轴惯性测量单元数据串联结合后，对数据进行实时输出和存储。一种采用上述航磁测量系统及矫正补偿方法的飞行器，其特征在于，所述飞行器材质为无磁材料；用于平飞状态下工作的电机采用前拉电机，磁力仪置于下沉的任务舱内远离前拉电机的轴向位置处。所述无磁材料为聚合物泡沫塑料或者碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料；内部承载框架采用碳纤材料；固定连接件连接件采用无磁性的金属材质；优选的，所述飞行器主要制造材料使用聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料；内部承载框架采用碳纤材料；固定连接件连接件采用无磁性的钛合金、纯铜或者纯铝材质。一种航磁测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)预设十字线解算飞行航线；(2)开始启动飞行，采集数据；(3)将采集数据导入计算机地面站系统，进行数据检查和地磁日变修正计算获得矫正补偿参数；(4)判断获得的矫正补偿参数是否合理有效，当判断结果为是时将获得的矫正补偿参数写入采集器，对航磁测量系统数据进行实时矫正和补偿，当判断结果为否时，返回预设十字线解算飞行航线的步骤；(5)开始航磁测线飞行工作，进行数据采集、实时矫正和补偿计算测量。本发明的有益效果是：1.轻小型磁通门航磁系统，磁力仪只需要三轴磁通门磁力仪，无需光泵磁力仪，即可获得补偿矫正后的磁场总场强度数据，适用于轻小型无人机平台，整套系统体积和价格大大下降，易于携带和野外工作。空域使用要求大大降低，非常利于无人机航磁系统的推广和应用。2.我国有成熟的商用三轴磁通门产品，相对可用精度的商用航磁系统不再依赖进口。3.垂直起降，固定翼飞行，航时长，效率高，成本低，精度高，没有地面干扰，地形影响因素少，可单人操作维护，适用于野外航磁测量，全自动飞行可以进入人不便到达的区域。4.航磁测量数据无线实时传输回地面站实时显示，或存储于usb内用于飞行后处理；5.磁力仪集成于无人机任务仓内，保护到位，拆装方便，加上自研补偿算法，极大的提高了三轴矢量高精度磁力仪的精度，大大降低了系统噪声。附图说明图1为本发明的航磁测量系统模块框图。图2为本发明的矫正补偿系数估计计算关键程序流程图。图3为本发明的航磁测线工作实施矫正补偿关键程序流程图。图4为本发明的三轴正交坐标系中偏离的角度示意图图5为本发明的航磁测量系统矫正补偿操作流程。图6为本发明的航磁测量系统十字线飞行方案示意图。图7为本发明的航磁测量系统十字线飞行方案磁通门总场读数和矫正补偿后地磁总场数据对比。图8a为本发明的航磁测量系统用于垂直起降固定翼无人机航磁测量原始总场地磁数据成图。图8b为本发明的航磁测量系统用于垂直起降固定翼无人机航磁测量实施矫正补偿后10条测线形成的地磁总场地磁图。图8c为本发明航磁测量系统生成的航磁10条测线测线卫星航拍合并图。图9为本发明的三轴磁通门航磁测量系统实物图。图10为本发明的航磁测量系统用于垂直起降固定翼无人机包装箱及三轴磁通门安装位置图。图11为本发明选型的垂直起降固定翼无人机及任务仓图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。图1-11示意性地给出了本发明的一种实施方式。该系统包括两大功能部分，垂直起降固定翼无人机和航磁测量系统(图1)。航磁测量系统包括模拟三轴磁通门磁力仪，gps天线及接收机，九轴惯性测量单元，数据采集及矫正补偿装置，无线或有线数据实时传输模块，数据存储u盘和将上述装置安装在内的垂起起降固定翼无人机的任务仓内，以及矫正补偿参数计算及收集处、理数据的计算机地面站系统。而三轴磁通门磁力仪数据采集及矫正补偿算法及其实现，和针对航磁测量的垂直起降固定翼无人机的选型及安装要求是整个系统实现的关键核心技术。1)航磁测量系统模块详细介绍a.模拟输出三轴磁通门三轴磁通门是对x轴、y轴、z轴方向相互正交的时变磁场进行高精度、低噪音的测量设备，是专业用于地磁勘探测量的精密便携式磁力仪。磁通门输出是模拟输出，磁场分量的大小和电压信号相关，将磁通门磁力仪测量的三分量做平方和开根号可得总场数值。b.gps天线gps天线采用无磁性安装的gps+北斗双频有源天线，将gps/北斗导航系统信号发送到位于数据采集及矫正补偿装置内的gps接收机。c.九轴惯性测量单元串口九轴加速度计陀螺仪姿态倾角角度测量传感器，集成了高精度的三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴欧拉角，三轴磁场，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法。d.数据采集及矫正补偿装置数据采集及矫正补偿装置是系统实现的关键设备，系统硬件采用arm嵌入式系统，结合高速adc采样模块以及gps接收机。软件平台基于嵌入式实时linux操作系统，开发了多数据同步采集及矫正补偿软件系统，实现了三轴磁通门数据实时采集和转换计算，采用算法，提高高速adc采样数据的精度和数据实时输出。通过pps信号，将gps接收机输出数据，三轴磁通门数据，九轴惯性测量单元数据同步串联结合后，对数据进行实时输出和存储。以下对该装置内部组件进行具体描述：a.高速adc采样模块由ti公司ads1256芯片为核心制作的高速adc采样模块将磁通门输出电压转换为数字信息，经过spi接口传输到armlinux嵌入式操作系统。b.gps接收机/pps信号gps采用小型ubloxgpsm8n模块，接收gps/北斗系统信号对经纬高度信息进行计算，结果实时通过uart接口传输到armlinux嵌入式操作系统。ubloxgpsm8n模块pps信号经过gpio接口传输到armlinux嵌入式操作系统，系统总采样通过pps信号进行同步，保证所有数据的实时和一致有效性。c.多数据同步采集及矫正补偿系统本软件系统通过c++实现，多线程体制，实现了三轴磁通门数据实时采集和转换计算，采用算法，提高高速adc采样数据的精度和数据实时输出。通过pps信号，将gps接收机输出数据，三轴磁通门数据，9轴惯性测量单元数据串联结合后，12参数数字矫正补偿算法通过预先存储系数，可对磁通门磁力仪输出的总场进行实时补偿及输出和存储。将无法直接使用的磁通门航磁原始总场数据矫正补偿，去除掉三轴磁通门和无人机本身磁性元器件带来的磁性干扰零偏误差、灵敏度误差、正交度误差、探头自身的硬铁和软铁效应以及飞行器的恒定磁场和感应磁场对三轴磁通门磁力仪的共同影响。d.armlinux嵌入式操作系统armlinux嵌入式操作系统作为底层系统软件平台，及相应的配置文件，通过驱动利用spi接口，gpio接口，uart接口，usb接口，以太网口接口获得数据，支撑多数据同步采集及矫正补偿系统软件的运行e.数据存储u盘数据存储u盘将每次运行期间的飞行测量的数据存储于文件内。数据包括gpsutc时间，经纬度坐标，gps高度，wgs84utm坐标，utmzone，有效gps卫星个数，gps信号质量，gps坐标水平精度，gps坐标系起伏信息，9轴惯性测量单元翻滚，俯仰，偏航角度数据，三轴磁通门x，y，z轴及总场原始数据，矫正补偿后的三轴磁通门x，y，z轴及总场数据。f.无线/有线数据实时传输模块无线传输模块采用xbee900hps3b，900mhz频段，如果该频段与无人机平台频段冲突，可替换为有线数据传输模块，但只能在起飞前，降落后进行连接。飞行阶段数据存储于数据存储u盘内。g.矫正补偿参数计算及收集处、理数据的计算机地面站系统计算机地面站系统采用windows强固式平板或者适合野外作业的windows笔记本，通过无线/有线数据实时传输模块与数据采集及矫正补偿装置连接。通过自研航磁数据记录处理软件，将参数计算需用到的飞行后数据导入到软件中，做地磁日变修正，清理无效数据，对有效数据进行数据分析，通过本软件进行参数计算以获得轴向干扰，比例系数，正交度误差和软铁效应，以及综合了飞行器的恒定磁场干扰参数和感应磁场干扰参数的12个修正参数。将获得的修正参数通过无线/有线数据实时传输模块写入到数据采集及矫正补偿装置，对之后航磁测线调查作业的数据进行实时矫正补偿。本地面站也可对航磁测线调查作业的数据做飞行后补偿矫正处理。该地面站软件使用c++，vb.net，matlab软件语言进行具体实现。2)无人机航磁测量及矫正补偿关键算法本算法不仅适用于垂直起降固定翼无人机搭载三轴磁通门进行航空磁测，也可用于固定连接的普通固定翼飞行器和单、多旋翼飞行器，其原理是相同的。如图2-3，本算法利用三轴磁通门的矢量磁场数据对其总场进行矫正和补偿，同时修正三轴磁通门的矢量磁场数据。通过建立数学模型，将磁通门的零偏误差、灵敏度误差，正交度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应以及飞行器的恒定磁场和感应磁场对三轴磁通门磁力仪的共同影响的参数转化为系数o1，o2，o3，s1，s2，s3，α，β，rxy,rxz,ryz该算法数学模型为：f＝s·r·p·h+o公式(2)其中，h为未受干扰的实际地磁场原始磁场三分量数据矩阵:r为3*3磁通门自身软铁效应和飞行器感应磁场累积误差综合系数矩阵:p为3*3正交度误差系数矩阵，该矩阵是从三轴正交坐标系到磁通门线圈坐标系的矩阵转换而来:上式中角度表示为三轴正交坐标系中偏离的角度(如图4所示)s为灵敏度系数误差3*3对角矩阵:o零偏误差，硬铁效应和飞行器的恒定磁场累积误差的轴向干扰综合3*1矩阵：f为三轴磁通门数字输出读数该模型中一共有o1，o2，o3，s1，s2，s3，α，β，rxy,rxz,ryz，12个参数，如果能估计出该12个参数。通过下列计算可从三轴磁通门数字输出读数f推算出原始磁场三分量数据h。h＝p-1·r-1·s-1·(f-o)公式(3)从上式可看出，如何获得12个相关参数估计以及准确性是矫正补偿准确性的关键。地磁总场b为:原始磁场三分量数据h的三个分量是随着磁通门探头姿态变化而变化的，表示为h1′，h′2，h′3，但是实际磁场总场值在远离磁干扰的某一固定空间上，去除掉日变影响后，在相对长的时间上是保持不变的。如果能获得12个相关参数估计使得上式成立，即可认为对磁干扰的矫正补偿是合理及有效的。故参数估计转换为非线性最小二乘法，以误差的平方和最小为准则来求解非线性方程的参数。通过预先采集一系列磁通门探头姿态变化产生的f，作为数值输入，本算法求解使用比较成熟的levenberg-marquardt算法来解非线性最小二乘方程组。levenberg-marquardt算法又称莱文贝格－马夸特方法(levenberg–marquardtalgorithm)，该算法能快速提供非线性最小化(局部最小)的数值解。此算法能借由执行时修改参数达到结合高斯-牛顿算法以及梯度下降法的优点，并对两者之不足作改善(比如高斯-牛顿算法之反矩阵不存在或是初始值离局部极小值太远)。经过测试，使用该算法能有效和快速获得轴向干扰，灵敏度系数，正交度误差和软铁效应等12参数的估计值。该算法的有效性在于该数学模型将三轴磁通门自身矫正和补偿与无人机平台磁干扰的补偿结合在一起，估计出的12个修正参数，包含了对三轴磁通门自身固有的零偏误差、灵敏度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应的修正。与tolles和lawson(1944)的光泵磁补偿模型不同的是，光泵磁补偿是利用磁通门对飞行器姿态的高敏感度的感知，利用矢量磁场计算方向余弦，估计出模型系数，再计算出飞行器对光泵磁力仪的影响，包括剩余磁场，感应磁场和涡流磁场，并将其从总场中减去。在光泵航磁补偿系统中，三轴磁通门磁力仪的作用仅用来记录飞行姿态也获得方向余弦参数，并不用来计算地磁总场数据。由于不考虑三轴磁通门自身的零偏误差、灵敏度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应以及三轴非正交误差，同时公式1中三轴磁通门数据产生的方向余弦与自身三轴矢量磁场计算出的地磁总场的多元线性回归方程求解会有严重的多重共线性的问题，所以使用光泵磁补偿公式1是无法有效的运用在三轴磁通门磁力仪的矢量磁场和地磁总场数据矫正和补偿算法模型上的。而本发明的矫正补偿方法是用三轴磁通门的矢量数据，通过数学模型系数矩阵矫正磁通门的零偏误差、灵敏度误差，正交度误差，探头自身的硬铁(hard-iron)和软铁(soft-iron)效应以及飞行器的恒定磁场和感应磁场对三轴磁通门磁力仪的共同影响。因为飞行器与三轴磁通门传感器位置固定，无相对运动，对恒定磁场hp的补偿包含在o矩阵的参数估计中。据公式(2)中|s·r·h|展开式分析，对感应磁场hi的补偿包含在软铁效应，灵敏度系数的综合矩阵的参数估计中。而涡流磁场是金属机体飞行中切割地磁场而产生的，无人机选用的材料是聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料或者玻璃纤维等复合材料，不良导体，故该涡流磁场的影响十分微小，可在本算法矫正补偿系统中予以忽略。3)针对航磁测量的垂直起降固定翼无人机的选型及安装要求垂直起降固定翼以简单可靠的方式成功解决了固定翼无人机垂直起降的难题。既有固定翼无人机航时长、速度高、距离远等有点，又具备旋翼无人机垂直起降对场地要求小的优点。故本系统选用的无人机平台为垂直起降固定翼无人机。虽然本系统有针对垂直起降固定翼无人机航磁测量及矫正补偿的功能，但是为了符合航磁系统对无人机平台磁性要求严格的需求，为了进一步减少补偿后的剩余磁干扰，提高数据质量，应该对垂直起降固定翼和其任务仓的磁性元器从布局设计，选材及安装等多方面需要满足以下要求：a.用于航磁测量的垂直起降固定翼无人机的布局设计，选材要求垂直起降固定翼无人机的选材使用无磁性的聚苯乙烯聚乙烯混合泡沫塑料材质或者碳纤维、玻璃纤维复合材料。内部承载框架采用碳纤材料。螺钉等连接件采用低磁性的钛合金，铜螺钉或铝螺钉。由于矫正补偿系统无法补偿掉马达旋转，舵机运动带来的磁干扰，所以要求磁力仪在安装位置时必须不受到马达旋转，舵机运动的干扰。由于垂直起降固定翼无人机，在工作飞行的过程中，用于起降的多旋翼电机是不参与工作的，故磁力仪对安装位置的要求可以不考虑用于起降的多旋翼电机造成的影响。用于平飞状态下工作的电机放置位置主要为前拉，两翼中部，腰推，尾推。通过与多种布局无人机的大量磁性测试发现，电机旋转时，根据法拉第电磁定律和实际测试结果，位于电机转轴方向上的磁力变化是最强烈。由于无人机体积一般都大大小于载人飞行器，同时考虑到无人机重量轻小，磁力仪系统放置位置会对重心平衡等因素的影响，我们发现让磁力仪远离马达电机的比较好的方案有两个，一是采用前拉电机，磁力仪置于无人机中后部。另一个是尾推电机，磁力仪放置于无人机头部。但是目前采取尾推方案固定翼无人机非常少，市场上主要为前拉和腰推方案为主，而且磁力仪如果放置在头部，会造成头部任务仓过大过大，不利于机身的空气动力学优化。故我们选用方案一采用前拉电机，磁力仪置于无人机中后部，下沉的任务仓内，使磁力仪位置远离前拉电机的轴向位置。b.磁力仪安装位置的选定后测试垂直起降固定翼无人机完成初步的设计和模型制造后，需要对磁力仪选定的安装位置进行磁性干扰测试。务必保证前拉电机以及舵机的运动不会对磁力仪测量结果有影响。选取磁环境干净的地方，架设磁力仪或者梯度磁力仪。磁力仪读数稳定，通过将无人机各部件接近磁力仪，观察磁力仪反应，寻找合适的安装位置，使无人机的运动尽可能对磁力仪的读数影响小，同时考虑磁力仪安装位置对飞机重心和气动外形的影响。初步寻找到合适安装位置后，将磁力仪固定在安装位置处。将螺旋桨从马达上拆下。无人机和磁力仪处于静止状态，加电使能无人机，测量马达旋转，舵机行动时，磁力仪受到的干扰情况。根据以上选型和安装要求，本系统选择成都纵横自动化技术股份有限公司的垂直起降固定翼无人机，型号cw-10作为平台。4)无人机航磁测量参数估计及作业流程一种传统载人固定翼飞机光泵磁补偿作业流程，要求在获得补偿系数时，做四边机动飞行以收集数据。要求在3000米以上离地的高空，对南北东西四个航向上，进行包括3个俯仰(±5度)、3个滚动(±10度)和3个偏航(±5度)的机动，每种机动间隔2秒，为配合滤波器参数，每种机动时间不超过5秒。另一种传统矢量磁力仪做系数估计作业流程时，在地面无磁转台上做六面多姿态机动，以获取的数据用于补偿系数解算。但是这两种方法都有不适合无人机航磁矫正补偿系数的数据收集的不利之处。第一种方法在载人飞行器上通过人为操作比较容易实现，但无人机操作基本是按预先规划的测线飞行，为了能远离地面磁场干扰，需要尽可能在高空飞行，地面的飞手无法看到固定翼无人机的飞行情况，很难同时通过遥控器既做到标准的包括3个俯仰(±5度)、3个滚动(±10度)和3个偏航(±5度)的机动，也很难做到完美的四边飞行。而在地面进行的姿态是不启动马达和舵机等电子设备，由于接近大地，在地面上模仿的机动，很容易受地磁梯度的影响，而无法获得准确的数据。基于无人机的最高飞行高度和航磁干扰最大的表现在航向误差上，我们设计和实施了十字线飞行作为无人机航磁矫正补偿系数的数据收集的方案(图5-6)。无人机在地磁变化微小的区域，在至少高于地表200米的高空，按照预先设定的十字线轨迹飞行。十字线轨迹必须包含掉头转向等的机动飞行的航磁数据记录。如果可能，插入机动操作进行每个飞行方向上3个俯仰(±5度)、3个滚动(±10度)和3个偏航(±5度)的机动则更好。空速按照巡航速度，本方案采用20m/s，朝南朝北测线重合，朝东朝西测线重合，测线长度2km，固定翼无人机掉头半径200米。这种测线布置，首先非常易于固定翼无人机做航线规划，在做矫正补偿后即可检验朝向误差的补偿情况，也可检验航磁系统延迟参数，还可获取俯仰，滚动，偏航等机动用于参数估计的数据。在进行十字线飞行的同时，设置地面地磁日变观测站，记录每秒地磁日变数据，以消除太阳离子等环境磁干扰。在获得十字线飞行数据后，将其导入地面站计算软件经过地磁日变修正，数据分析，裁剪后，计算出12个矫正补偿参数和十字线数据的矫正补偿结果。如果矫正补偿结果达到要求，将这些参数设置进无人机航磁采集器中，进行航磁工作测线飞行。200米离地高度航磁十字线飞行补偿矫正结果参见图7。图7显示了垂直起降固定翼无人机航磁测试数据原始总场和矫正补偿后总场值对比图，由于三轴磁通门自身误差和无人机平台的磁干扰，原始总场值在不同方向上的磁场变化有300nt，是无法做出有效地磁图的，经过实时12参数数字矫正补偿后，将无法直接使用的磁通门航磁原始总场矫正补偿至总场值在30nt的有效成图区间。图8a垂直起降固定翼无人机航磁测量原始总场地磁数据成图，由于三轴磁通门自身磁干扰和无人机磁干扰，无法提取任何有效信息。图8b为垂直起降固定翼无人机航磁测量实时矫正补偿后，10条测线形成的地磁总场地磁图。在自动飞行测线下方，经过与航磁测线卫星航拍合并图8c比对，可轻易比对和分辨由地面建筑物在120米离地高度上产生的<30nt的磁异常。三轴磁通门航磁采集子系统，总重量485g，由磁通门磁力仪，24位数字采集器，无线通信模块，gps天线，九轴惯性测量单元等组成见图9。垂直起降无人机智能化操作，适用于单人作业，"零工具"拆装，连接结构全部采用快锁装置，电气和机械连接一次同步拆解后可装入1080*550*550mm包装箱(图10)。本实施方式中选择成都纵横自动化技术股份有限公司的垂直起降固定翼无人机(型号cw-10)作为平台，技术指标参数参见表3。本发明的系统对航磁调查测线的原始数据矫正补偿有两种实施方式。一种是在多数据同步采集矫正补偿系统中随垂直起降无人机做实时补偿。另一种方式是在航磁调查测线飞行获取原始矢量磁通门数据后，在地面计算系统中对采集到的数据进行飞行后处理。两种实施方式获得数据是相同一致的。系统技术指标表1三轴磁通门技术指标磁通门轴数3(右手xyz坐标系)测量范围±100μt内部噪声：低噪在1hz时，≤10ptrms/√hz预热时间15分钟偏移误差在零场中±100nt比例误差直流时，±0.5％偏移误差的温度系数1nt/℃正交误差轴间误差小于1°数字输出静态噪声水平≦0.2nt，5hz数字输出速率数字采样率10hz-1hz磁通门航磁测量系统重量485g高精度姿态测量角度精度静态0.05°，动态0.1°gps精度2.5m/0.02m(rtk)表2采集器和地面站技术指标表3垂直起降固定翼无人机技术指标以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。当前第1页12