幾種航磁探測無人系統

于顯利

吉林大學

隨著經濟持續快速增長，我國對礦產資源的需求越來越大。現有資源已無法滿足實際需要，我國迫切須要尋找新的礦產資源。無人空中系統作為一種低成本、操控靈活、無人員傷亡的探測平臺，可滿足高效率資源勘查的需求。本文介紹用于地球磁場探測的各型無人空中系統，包括“十三五”國家重點研發計劃課題的研究成果，并對各種系統的優缺點進行分析。

航空地球磁場探測是以飛行器為載體，飛行器在飛行過程中搭載磁場探測儀器，探測地球磁場信息，并據此信息研究地球內部結構、物質組成，為解決地質探礦與環境等問題提供勘查方法。該方法具有快速、高效、綜合、經濟、環保、便于大面積作業等突出優點，適用于沙漠、戈壁、雪域、高山、沼澤、海洋、極地等復雜環境下的作業。

航磁探測是一種重要的現代化地質礦產勘查技術，是國家公益性基礎地質礦產調查技術的重要組成部分，也是地球系統科學觀測的重要組成部分，主要應用于鐵及多種金屬礦產勘查、油氣勘查、地質填圖、工程穩定性評價、軍事、深部探測、深海探測與地球內部結構探測等諸多領域。

按采集的參量類型劃分，航磁探測可分為標量(總場、總場梯度)和矢量(三分量、張量梯度)測量。

國內外發展現狀

航磁探測始于20世紀30年代，是應用最廣泛的航空物探方法。1935年，蘇聯開始研制旋轉線圈感應式航空磁力儀，并于1936年開展第一次航磁探測試驗。中國于1953年開展航磁探測試驗，航磁探測技術是國內航空物探的傳統優勢技術。

航磁探測系統分為有人航磁探測系統和無人航磁探測系統。有人機在航磁探測中發揮了重要作用，但是有人機開展低空航磁作業存在較大風險，曾多次出現機毀人亡的重大安全事故。相比于有人機，無人空中系統具有成本低、操作靈活、無人員傷亡等特點，可彌補有人機航磁作業的不足，在高效率資源勘查中發揮重要作用。

按無人空中系統的構型劃分，無人航磁探測系統分為固定翼無人機航磁探測系統、無人直升機航磁探測系統、無人飛艇航磁探測系統和多旋翼無人機航磁探測系統。這四種系統具有不同的飛行特點和航磁作業優勢。

固定翼無人機航磁探測系統

2003年，英國磁場探 測（Magsurey）公司研制了“普里昂”（Prion）無人機航磁系統。該型無人機可搭載1臺或2臺銫光泵磁力儀，1臺3軸磁通門磁力儀。

2004年，加拿大輝固（Fugro）公司推出高精度無人機航磁探測系統“地理漫游者” I（Georanger I），為沿海和遠離機場地區的數據采集提供一種安全有效的測量手段。2005年，輝固公司對技術進行了升級，使該系統具備地球物理數據和無人機飛行姿態參數獲取、三維精確導航或沿地形起伏飛行等能力，并能利用一臺地面控制站控制多架無人機飛行。

2012年，中國深部探測技術與實驗研究專項“Sinoprobe-09-03固定翼無人機航磁探測系統研制”課題組完成固定翼無人機航磁系統試飛和測線飛行，取得良好試驗數據。

2013年，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所啟動無人機航磁探測系統研究。在中國航天空氣動力技術研究院的協助下，技術人員在較短時間內突破了無人機改裝、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裝載于“彩虹”3（CH-3）國產無人機平臺，集成了一套基于中型無人機的航磁探測系統。

“彩虹”4（CH-4）無人機是一種中空長航時無人機，由中國航天空氣動力技術研究院在“彩虹”3無人機基礎上研制而成。該型無人機具有任務載荷重量大、續航時間長、使用半徑大、可擴展性強等特點。

2020年4月28日～5月24日，在國家重點研發計劃課題“航磁多參數測量處理解釋方法技術研究”支撐下，“CH-4無人機航磁梯度、三分量改裝集成及試驗飛行”野外工作組順利完成既定工作目標，實現了物探專用CH-4固定翼無人機航磁總場、梯度（橫向水平梯度和垂向梯度）及三分量的測量。本次野外作業順利完成，表明CH-4無人機具備了航磁總場、梯度（橫向水平梯度和垂向梯度）及三分量的測量能力。

固定翼無人機具有飛行速度快、飛行穩定性好、續航時間長等優點，一般適用于平坦區域的地球資源快速勘探。由于固定翼無人機存在失速問題，最小飛行速度一般都較大，不適用低速飛行的探測作業，也不適用復雜地形下的低空飛行作業。

無人直升機航磁探測系統

2011年，日本東京大學使用搭載了G-858銫光泵磁力儀的雅馬哈（YAMAHA）公司RMAX-G1無人直升機，對活火山進行航磁探測。

2011年，瑞士空 中巡邏(Aeroscout)公司采用搭載了磁力儀的“偵察兵”(Scout)B1-100無人直升機，在煤礦上空進行航磁探測作業。

2015年，吉林大學研發的重載荷智能化物探專用無人直升機系統搭載航磁梯度探測儀器進行試飛，飛行效果良好，儀器工作正常。目前該系統任務載荷重量100kg，續航時間2～3h，機身采用大量低磁抗靜電材料制成。

2016年，勞雷公司研發的小型無人直升機航磁探測系統“飛行-凸輪”(Flying-Cam) SARAH 4.0搭 載RMS公司AARC51航磁補償器、先達利(Scintrex)公司CS-VL高精度銫光泵磁力儀等航磁探測設備開展航磁作業。該機最大任務載荷重量10kg，最長續航時間60min。

山西省煤炭地質物探測繪院使用WH-110A無人直升機及機載輕量化航磁總場探測儀開展低空航磁探測作業。

無人直升機具備低速飛行、空中懸停甚至后退飛行等能力，一般適用于較復雜地形、飛行速度要求慢、地形跟隨飛行等作業場景，比如山區等地形變化較大的區域。其缺點是續航時間較固定翼無人機短，機身振動較大，機械結構復雜，對探測儀器的抗振性能要求較高。

無人飛艇航磁探測系統

圖1 磁場探測公司“普里昂”無人機。

圖2 輝固公司“地理漫游者” I無人機。

圖3 Sinoprobe-09-03固定翼無人機航磁探測系統。

圖4 CH-3無人機航磁探測系統。

圖5 RMAX-G1無人直升機。

圖6 “偵察兵”B1-100無人直升機搭載磁力儀作業。

圖7 “飛行-凸輪” SARAH 4.0無人直升機航磁探測系統。

無人飛艇具有飛行速度低、飛行穩定、使用便捷、安全等特點，無須跑道，可夜間飛行，可低空飛行，維護維修簡單，適合搭載輕型地球物理探測儀器進行野外作業。2011年，江蘇省地質勘查技術院成功完成無人飛艇航磁探測系統試驗，現已在平原、丘陵和中低山地形條件下開展航磁探測，取得了較好勘查效果。

無人飛艇因自身浮力較大，使用很小的動力就可以實現空中懸停和飛行。當環境風速較低時，無人飛艇可以非常平穩地飛行。由于耗能少，無人飛艇的續航時間一般較長，所以適合長時間探測作業和飛行速度要求低的地球物理探測應用。其缺點是體積大，受環境氣流影響較大，抗風能力較差，機動性不好，航跡控制精度不高。

多旋翼無人機航磁探測系統

2010年，德國MGT公司在MD4-1000四旋翼無人機上安裝小型磁通門磁力儀，并開展測試。MD4-1000無人機最大起飛重量4.8kg，最大續航時間超過1h，主要對未爆炸彈藥（UXO）和滑坡進行探測。

2014年，加拿大先鋒勘探咨詢有限公司（Pioneer Exploration Consultants Ltd）開發了一種無人機航磁探測（UAV-MAG）系統。該系統采用多旋翼無人機和機載鉀光泵磁力儀進行航磁探測，并采用吊艙式（Towed bird）配置，降低了無人機的電磁干擾。其他部件包括超輕型激光高度計、全球定位系統（GPS）和慣性測量單元（IMU）。

電動多旋翼無人機的電池能量密度較低，續航時間短。電池存在的死重問題導致任務載荷重量較小，限制了該型無人機在地球物理探測中的廣泛應用。但是，電動多旋翼無人機具有體積小、重量輕、操控靈活、可以懸停和低速飛行等優點，適用于小區域、小載荷、短航時、低成本地球磁場探測應用。

圖8 搭載航磁探測儀的WH-110A無人直升機。

圖9 無人飛艇航磁探測系統。

圖10 MD4-1000四旋翼無人機搭載磁通門磁力儀作業。

圖11 先鋒勘探咨詢有限公司研制的多旋翼無人機航磁探測系統。

研究成果

在上面介紹的無人直升機航磁探測系統中，無人直升機的最大任務載荷重量一般不超過100kg，無法搭載更重、更復雜的航磁探測儀器，比如航磁全軸梯度和航磁全張量梯度探測儀器，限制了無人直升機航磁作業的范圍。而吉林大學承擔了“十三五”國家重點研發計劃課題“智能化物探專用旋翼無人機系統研發”，并成功研制出任務載荷重量≥200kg，續航時間≥3h，具備三維精確導航和自主避障，航磁總場、航磁全軸梯度和航磁全張量梯度傳感器搭載能力的無人直升機航磁探測系統。

圖12 無人直升機航磁總場探測系統飛行測試。

圖13 無人直升機航磁全軸梯度飛行測試。

圖14 無人直升機航磁全張量梯度探測系統飛行測試。

圖15 航磁吊掛裝置。

結論

作為一種高效航磁探測平臺，無人空中系統擁有諸多優勢，是有人航磁探測系統的有效補充。航空地球物理探測正在向高效率、多任務探測方向發展，任務載荷重量較小的無人機已無法勝任高效率、多任務探測作業。因此，大重載、多任務智能化無人機地球物理探測系統將是未來發展的熱點方向，一定程度上將替代有人機在危險區域的物探作業，在我國資源勘探任務中發揮更重要的作用。