無人機航空物探技術研發應用現狀與展望

崔志強，胥值禮，李軍峰，李 飛，高衛東

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

無人機航空物探技術研發應用現狀與展望

崔志強，胥值禮，李軍峰，李 飛，高衛東

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

缺少飛行平臺是目前我國進行復雜地形條件下物探數據獲取的主要瓶頸之一，而無人機作為一種成本低、操作靈活、無人員傷亡危險的空中移動探測平臺，正好滿足高效率資源勘查的需要。近年來，國內、外航空物探飛行平臺從傳統的有人機向無人機發展已經取得了一定成果。這里分別介紹了國內、外無人機航空物探研發及應用現狀，以及國內自主技術的無人機航空物探應用成果，分析了目前無人機航空物探存在的主要優勢及不足，并對無人機航空物探的發展前景進行了分析與展望。

無人機； 航空物探； 發展現狀

0 前言

“無人機”是“無人駕駛飛機(UAV)”的簡稱，是利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱的、不載操作人員的空中飛行器，采用空氣動力為飛行器提供所需的升力，能夠自動飛行或遠程控制引導。隨著無人機技術的不斷發展成熟，出現了多種類型，如固定翼無人機、旋翼無人機、飛艇及撲翼無人機。通過整合這些無人機平臺及各種專業儀器設備，形成新型的探測或測量技術，已廣泛應用到自然災害預防與處理、農業資源監測、林業資源監測、科學觀測、公安邊防、海事、電力等多個領域[1-3]，其中應用最為廣泛成熟的是無人機航拍技術。

無人機航空物探是無人機與航空物探儀器設備有機結合形成的航空物探技術的一個新興分支，國內、外對此的研究均處于起步階段。由于無人機航空物探系統體積小、重量輕、生產成本低、多種起降方式等特點，可以在復雜地形環境執行繁瑣的、重復性很高的飛行測量工作，最重要的是不會因超低空飛行事故造成人員傷亡[4-5]。因此無人機航空物探技術的研發與應用，日益受到世界各航空地球物理廠商或單位的廣泛關注。

1 國外進展

著眼于無人機航空物探技術的上述優勢，進入21世紀后，國際上多個發達國家開展了無人機航空物探裝備技術的研發工作,部分已進行10余年，取得了顯著的成果[6-10]。依照時間先后順序，國外大致有以下幾個主要系統。

1)2003年，英國Magsurvey公司最早開展此方面研究，研發的PrionUAV航空磁測系統，采用的無人機為Prion型，翼展3 m，起飛重量30 kg，采取彈射起飛，撞網收回，巡航速度90 km/h；攜帶1個銫光泵磁力儀(Cs-3)、1個激光高度計、實時DGPS和1個3軸磁通門磁力儀，系統采樣率10 Hz，靜態噪聲水平2 pT，開展過小范圍的航磁測量。

2)2004年，荷蘭Fugro公司在Insitu公司的協助下，改裝了掃描鷹無人機Georanger-I型，翼展3 m，起飛重量近18 kg，巡航速度100 km/h，續航時間最大15 h，測控范圍200 km，最低飛行高度100 m，采取彈射起飛，撞網收回；推出了集成銫光泵磁力儀(Cs-3)的高精度無人機航空磁力測量系統，系統采樣率10 Hz，靜態噪聲水平2 pT，并在2004年-2005年在渥太華附近進行了地質勘查，共完成了約14 000 km的測量工作，實測總精度1.5 nT。

3)2005年，加拿大萬能翼地球物理公司，利用Venturer型無人機，翼展4 m，巡航速度70 km/h，續航時間10 h，測控范圍100 km，采用輪式自主起飛降落；集成銫光泵磁力儀(Cs-3)形成無人機航磁系統，系統采樣率10 Hz，靜態噪聲水平2 pT，該無人機航磁系統在加拿大北極地區開展了油氣勘探為目的的多次測量，隨后礦產勘探公司應用該系統在溫哥華島進行了4 000 km的調查。同年芬蘭STUK 赫爾辛基的放射及核能安全委員會成功研發了Patria mini UAV 無人機放射性監測系統，采用的ADS 95型無人機，翼展5.7 m，起飛重量285 kg，巡航速度240 km/h，續航時間6 h，采用氣動彈射起飛、輪滑自主降落；搭載的是GM NaI CZT航空伽瑪能譜儀，主要用于核污染監測。

4)2009年-2012年，加拿大卡爾頓大學研發了Geosurv無人機航磁系統，2013年開展了測量飛行試驗。2010年德國MGT公司利用無人直升機MD4-1000型，起飛重量4.8 kg，搭載小型化磁通門磁力儀，最低飛行高度5 m，用于UXO及滑坡探測。2012年，日本發展了多款基于無人直升機平臺的航磁系統，應用靈活，特別適用于小區域大比例尺航磁精細測量。2013年德國公司研發的無人機航空物探MGT.UAS(磁/電)系統問世。

總體而言，國外的無人機航磁技術較成熟，在固定翼飛機上搭載并集成高精度磁力儀，少數采用了無人直升機，多為小型無人機平臺的航磁系統，起飛重量多在幾～幾十公斤之間，系統噪聲水平達2 pT。僅芬蘭進行了無人機航空放射性技術的研究，尚未有用于地質勘查的相關報道。這些無人機航空物探系統在礦產勘查、UXO探測、環境監測等領域開展了試驗或應用，取得了較好的效果。

2 國內研究進展

國內的無人機航空物探研究雖起步較晚，但進步很快。先后有中船重工第七一五研究所(中船重工715所)、中國科學院遙感與數字地球研究所(中科院遙感所)、中國國土資源航空物探遙感中心(航遙中心)、中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所(物化探所)等單位開展了基于固定翼或直升機的無人機航磁測量技術的研究工作，部分自主技術的無人機航磁系統各項指標已達到國際水平[11-13]。

1)2008年，中船重工715所最早開始了基于無人直升機平臺的無人直升機航磁系統研究，采用的是V750無人直升機，最大起飛重量757 kg，最大載荷80 kg，巡航速度145 km/h，續航時間4 h，垂直起降，升限3 000 m；搭載氦光泵磁力儀(GB-10)，采樣率10 Hz，靜態噪聲水平10 pT，尚未見應用測量工作。

2)2009年，中科院遙感所利用航模型無人機，翼展3.5 m，起飛重量30 kg，采用輪式自主起降。集成氦光泵磁力儀(GB-10)，采樣率10 Hz，靜態噪聲水平10 pT；完成了4 000 km的應用測試。

3)2011年，航遙中心采用愛生ASN-216型無人機(圖1)，該無人機翼展3.2 m，起飛重量25 kg，巡航速度60 km/h～90 km/h，續航時間6 h，測控范圍40 km、任務載荷4 kg，最大升限5 000 m，采用輪式自主起降方式；搭載氦光泵磁力儀(HC2000)，該航磁系統為高空無人機航磁探測系統，已完成高空試飛，尚未開展測量工作，目標是著力為深部地質構造研究和高海拔地區航磁地質調查工作服務。

4)2013年，受中國地質調查局委托，物化探所啟動了無人機航磁測量系統的研究工作。在中國航天空氣動力技術研究院(簡稱航天院)的協助下，基于航天院自主研發的彩虹-3型中型無人機平臺(國產CH-3中型無人機)，翼展8 m，商載160 kg，續航能力達12 h，巡航速度180 km/h，低空飛行高度100 m，測控范圍200 km，測控精度±5 m，采用輪式滑跑起降，是一款商載能力較強且兼顧靈活性的平臺。物化探所在較短的時間內，突破了無人機改裝與系統集成、超低空自主導航及飛行控制、航磁儀遠程測控、無人機磁補償等多項關鍵技術。成功將CS-VL高精度銫光泵磁力儀和AARC510航磁數據收錄及補償器搭載于CH-3國產無人機平臺上，集成了國內首套基于長航時中型無人機的航空磁測系統，系統采樣率10 Hz，靜態噪聲水平2 pT。同時，在該CH-3型無人機航磁平臺的基礎上，核工業航測遙感中心(簡稱核航遙)與物化探所進一步對平臺進行優化，成功集成了NaI(Tl)晶體，體積：4″×4″×16″，分辨 率8.5%，峰飄小于±1道，通道256、512道可選，測量范圍20 KeV～3 000 KeV，采樣率1 Hz。至此，形成了國內外首套無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統，并在我國東北、西北地區分別完成了應用試驗和試生產測量，累計完成測線13 000 km，航磁實測補償精度1.65 nT，取得了滿足現行航磁、航放工作技術規范要求的高質量試驗數據，標志著國內自主技術的無人機航空物探(磁/放)綜合站研制取得初步成功。并且物化探所在現有固定翼時間域航空電磁系統技術的基礎上，正開展基于大型無人機平臺的無人機航空電磁系統(時間域)預研究工作，提出了操作性強的設計方案，預示不久自主技術的無人機航空電磁系統將問世，進一步拓展和完善了無人機航空物探綜合勘查技術。

圖1 ASN-216型無人機航磁系統(來自網絡)Fig.1 The ASN-2016 UAV-brone aeromagneticsurvey system(from internet)

圖2 國產CH-3型無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統Fig.2 The home-made CH-3 UAV-brone aerogeophysics(magnetic and radiometric)survey system

3 自主技術無人機航空磁測系統應用效果

由物化探所牽頭，協同航天院和核工業聯合研制的彩虹CH-3型無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統(圖2)分別在黑龍江多寶山地區和新疆克拉瑪依完成了面積性綜合勘查測量任務，取得了高質量的測量數據資料。

2013年運用該系統在多寶山礦區完成了200 km2的飛行測量工作，完成測線2 000 km，平均飛行高度120 m，飛行速度160 km/h。航磁補償精度為0.054 nT，航測數據調平前總精度2.5 nT，調平后總精度1.77 nT。圖3為在該礦區CH-3無人機與Y12固定翼航磁△T渲染對比圖，從圖件顯示的細節來看，本次CH-3型無人機航磁測量資料與同期開展的Y12型固定翼航測成果相當。在本次試驗中僅用3個架次就完成了全部測量任務，并且首次成功實現了航空物探的夜間測量作業，這是國內航空物探首次嘗試，極大程度地提高了飛行效率，降低了飛行成本[14]。夜間測量磁日變及地面干擾小，非常有利于獲取高質量的航磁測量原始數據。并且從導航定位情況來看，無人機系統由計算機程序控制，能夠嚴格的按設計測線飛行，大大提高了導航定位能力，飛行姿態更穩定。此次試驗取得了良好的應用效果，標志著我國首次實現無人機航空物探面積性測量工作取得圓滿成功。

圖3 多寶山Y12固定翼與彩虹-3無人機航磁測量成果對比圖Fig.3 The comparsion of result data between Y12 fixed wing and Ch-3 UAV-borne aeromagnetic survey system at DBS(a)固定翼航磁；(b)彩虹-3無人機航磁勘查

2014年進一步對該無人機航磁系統進行了優化設計，并在新疆克拉瑪依完成了2 500 km2的測量任務，僅用了13個飛行架次，共實際完成測線11 600 km。該區地形復雜，屬中—低山區，海拔最低400 m，最高1 500 m，相對落差達到1 100 m，地形切割較劇烈。為了克服惡劣地形對無人機飛行的影響，物化探所研發了基于高精度DEM數據的三維航跡規劃模塊，掌握了復雜地形條件下的飛行控制技術，成功實現超低空地形跟隨飛行和人機交換控制飛行，有效地克服了復雜地形的影響，降低了飛行高度，提高了數據質量，突破了無人機在航空物探應用在復雜山區中的超低空飛行測量的技術瓶頸。最終航磁補償精度達到了0.02 nT，實際測量總精度為1.2 nT，大大優于現行航空磁測技術規范中補償精度≤0.08 nT，總精度≤3 nT的要求。數據質量明顯優于同期Y12型固定翼航磁系統的數據質量(圖4)。

圖4 克拉瑪依Y12固定翼與彩虹-3無人機航磁測量成果對比圖Fig.4 The comparsion of result data between Y12 fixed wing and Ch-3 UAV-borne aeromagnetic survey system at KLMY(a)固定翼航磁；(b)彩虹-3無人機航磁勘查

目前，該套自主技術的中型無人機航磁系統在新疆塔里木盆地開始了新的應用示范工作—無人機航磁油氣資源調查示范。測區位于盆山結合地帶，既有沙漠復雜的氣候環境和基本無地形圖參考的變化沙漠地形，也有相對高差達3 000 m的盆緣高山。為了能順利的完成測量覆蓋任務，并獲取高質量的測量數據，項目組在充分利用無人機自主導航飛行的基礎上，優化了三維航跡規劃和飛行仿真模塊，通過計算并添加飛行關鍵控制點的方式，解決了無人機在飛行過程中超視距預判斷能力不足的問題，使每架次飛行都能在保證安全的前提下，盡可能獲取更高質量的測量數據。目前該系統在測區已完成數萬公里的測線任務，原始數據質量能夠達到規范要求。該示范工作預期將完成200 000 km，在項目實施過程中不斷發現和解決無人機航磁系統存在的問題，為無人機航空物探技術未來廣泛應用奠定堅實的基礎。

4 現有無人機航空物探系統的優勢與不足

4.1 主要優勢

與傳統的有人駕駛飛機的航空物探系統相比較，基于無人機平臺的航空物探技術優勢主要表現在以下幾方面：

1)能最大限度地保障人員安全。由于無人機在飛行過程中沒有搭載控制飛行員，不會因復雜地形、惡劣氣候環境、飛控人員疲勞、機械故障等因素造成人員傷亡的情況，降低了作業風險。

2)大大提高了工作效率，一組地面飛控人員可以同時控制、操作多架無人機協同工作，無人機一個架次最長可飛行10 h以上，提高了工作效率。而有人機往往每架飛機需要2名飛行員，多名地面保障人員，才能順利開展工作，一個架次最長飛行4 h左右。

3)生產成本更低。無人機大多使用普通汽油即可工作，并且燃油經濟性很高，以彩虹Ⅲ無人機為例，使用普通97#汽油，平均油耗約為15 L/100 km，而無論是有人駕駛的固定翼或直升機，必須使用航空煤油，小松鼠B3型直升機平均油耗多在80 L/100 km以上，Y12固定翼飛機更是高達120 L/100 km以上，成本高昂。

4)更精準地飛行控制。有人駕駛飛機長時間超低空飛行作業的勞動強度非常大，飛行員很難保持高精度航跡、航向和飛行高度。同時，因不同飛行員的飛行技能、經驗不同，在開展作業時其飛控質量也存在很大差異，這就造成航空物探的數據質量很差，給后期數據處理和資料解釋造成影響。而無人機能夠在飛控電腦和飛控人員的控制下，按照事先規劃好的航線自主飛行測量，偏航及飛行高度保持能力等遠高于傳統有人駕駛飛機，不會因疲勞或駕駛經驗不足造成飛行質量下降。

5)可在夜間工作。相比有人駕駛的飛機靠飛行員目視駕駛，無人機使用無線電設備完成自主飛行。因此，無人機航磁系統可在夜間實施測量，獲取的物探測量數據質量可大幅提高。

4.2 尚不完善之處

無人機航空物探作為一類新型的航空物探應用技術，航空物探設備與無人機的整合、集成尚不成熟，無人機航空物探系統在飛行試驗、試生產、應用示范中還存在以下一些問題：

1)無人機及飛控技術方興未艾。目前歐美等部分發達國家的無人機技術較為先進，特別是用于軍事技術的無人機及飛控技術。而我國無人機技術雖然發展較早，但由于歷史及政策原因，在國際上還屬于第二梯隊，尤其與美國、以色列等無人機發展先進國家相比，至少還存在20年的差距。現今國內先進的中、大型無人機的部分關鍵技術或零部件仍然依賴進口，使制造和維護成本過高，大大影響了無人機的廣泛應用。

2)地形適應性能尚需提高。目前較先進的無人機系統能夠在地形條件較好的情況下沿地形自主低空飛行(200 m以內)，但在切割深較大的中、高山區，無人機尚不完全具備超視距預判斷和預操作能力，特別是在超出雷達高度測量范圍時，無人機的飛行就變得非常危險，嚴重影響無人機在復雜地形條件下的應用，特別是固定翼型無人機。

3)運營成本較高。目前無人機航空物探的作業成本現在約為載人機航空物探的80%左右，主要是由于無人機的操作、維護人員相對較多，配件昂貴，不利于運行成本的控制。以國內彩虹-3無人機為例，地面飛控，維護、綜保等人員約15人左右，雖然不需要花費高價聘請飛行員，但眾多的地面人員也提高了運營成本。

4)安全飛行有待進一步提高。無人機起降有多種，中大型無人機主要采用成功率較高的輪式自主起降(如彩虹-3無人機)，而一些中小型無人機多采用彈射起飛撞網或傘降回收，成功率太低，一旦回收失敗，無人機將硬著陸，不僅會造成無人機本身的損壞，機載的昂貴航空物探設備也難以保障，不可預期的風險成本大大增加。

5 無人機航空物探技術展望

隨著經濟持續快速發展，我國現有資源已經很難滿足經濟建設發展的需求，所以迫切需要尋找新的礦產資源。我國地域遼闊，地質條件復雜，很多有用的礦產資源大多分布在人跡罕至的山區、峽谷、荒漠等區域。由于山區地形復雜，交通不便甚至沒有交通，導致地面物探工作往往很難開展。而無人機作為一種成本低、操作靈活、無人員傷亡危險的高效空中移動探測平臺，正好滿足高效率資源勘查的需要，正越來越受到重視，無人機航空物探技術在技術水平與調查能力等方面將得到快速的發展。

1)無人機本身就是一個非常復雜的系統，任何一部分出現問題，都會影響無人機航空物探的應用效果。因此提高無人機續航時間、飛行控制和任務管理智能化、任務載荷重量等，特別是提高先進無人機的國產化、降低使用維護成本，是無人機能否成為廣泛應用于地球物理探測平臺的一個重要因素。

2)適合極端復雜地形的無人機航空物探系統將得到快速發展。現應用較成熟的飛行平臺是固定翼無人機，以輪式自主起降居多，地形適應性差，對起降場地要求高，適合開展大面積的物探掃描工作。隨著中大型無人直升機技術的不斷成熟和成功試飛，由于其具有直升機的慢速、懸停、大角度轉彎、對起降場地要求低等特性，特別適合在地形復雜的山區開展小面積大比例尺航空物探精細測量，更適應我國礦產資源主產區的地形環境特點。與有人直升機相比，也能大大降低勘查成本、提高效率，必將得到快速發展。

3)隨著民用中大型先進無人機平臺的成熟，無人機航空物探也將向著多參數的綜合系統發展。基于大型無人機的航空電磁測量系統即將走向應用，通過不斷的集成、整合，將形成無人機航空物探多參數綜合勘查系統。隨著技術的不斷成熟，甚至無人機航空重力勘查系統也有可能得到發展，這將大大推動相應技術在找礦和地學研究中的應用。

4)無人機航空物探作為航空物探的一個特殊分支，有其特殊性，隨著應用示范的不斷成功，正逐步走向廣泛應用，但無人機航空物探尚缺乏相應的技術指南或規范可依。加快制定并發布有針對性的行業規范或技術指南成為緊迫工作。

無人機航空物探技術必將得到廣泛地應用，應用領域將不斷擴大。在礦產調查、資源潛力評價、油氣資源調查、危機礦山找礦、環境監測等領域中將發揮重要作用，為基礎地學研究及資源環境調查提供高精度航空物探數據資料及解釋成果。

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The R&D application of UAV airborne geophysical survey and its development trend

CUI Zhi-qiang,XU Zhi-li,LI Jun-feng,LI Fei,GAO Wei-dong

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

The lack of flight platform is one of the main bottlenecks in the acquisition of geophysical prospecting data in complex terrain conditions in China.As a low-cost,flexible operation,and no casualties of the air mobile detection platform,the UAV just to meet the needs of high efficiency resource exploration.In recent years,domestic and international geophysical prospecting flight platform had made some achievements from the traditional man-plane to unmanned aerial vehicle.In this paper,the authors introduce the R&D application of UAV airborne geophysical exploration at home and abroad firstly.And then,the main advantages and disadvantages of the UAV-airborne geophysical exploration currently are analyzed.Finally,the paper analysis and forecast of the development of UAV airborne geophysical prospecting.

anmanned aerial vehicle(UAV); airborne geophysical survey; R&D application

2015-09-14 改回日期：2016-09-13

中國地質調查局項目(12120115039501)

崔志強(1981-),男，碩士，工程師，從事航空物探資料綜合解釋及研究工作，E-mail：cuizhiqiang@igge.cn。

1001-1749(2016)06-0740-06

P 631.2