几种航磁探测无人系统

于显利

吉林大学

随着经济持续快速增长，我国对矿产资源的需求越来越大。现有资源已无法满足实际需要，我国迫切须要寻找新的矿产资源。无人空中系统作为一种低成本、操控灵活、无人员伤亡的探测平台，可满足高效率资源勘查的需求。本文介绍用于地球磁场探测的各型无人空中系统，包括“十三五”国家重点研发计划课题的研究成果，并对各种系统的优缺点进行分析。

航空地球磁场探测是以飞行器为载体，飞行器在飞行过程中搭载磁场探测仪器，探测地球磁场信息，并据此信息研究地球内部结构、物质组成，为解决地质探矿与环境等问题提供勘查方法。该方法具有快速、高效、综合、经济、环保、便于大面积作业等突出优点，适用于沙漠、戈壁、雪域、高山、沼泽、海洋、极地等复杂环境下的作业。

航磁探测是一种重要的现代化地质矿产勘查技术，是国家公益性基础地质矿产调查技术的重要组成部分，也是地球系统科学观测的重要组成部分，主要应用于铁及多种金属矿产勘查、油气勘查、地质填图、工程稳定性评价、军事、深部探测、深海探测与地球内部结构探测等诸多领域。

按采集的参量类型划分，航磁探测可分为标量(总场、总场梯度)和矢量(三分量、张量梯度)测量。

国内外发展现状

航磁探测始于20世纪30年代，是应用最广泛的航空物探方法。1935年，苏联开始研制旋转线圈感应式航空磁力仪，并于1936年开展第一次航磁探测试验。中国于1953年开展航磁探测试验，航磁探测技术是国内航空物探的传统优势技术。

航磁探测系统分为有人航磁探测系统和无人航磁探测系统。有人机在航磁探测中发挥了重要作用，但是有人机开展低空航磁作业存在较大风险，曾多次出现机毁人亡的重大安全事故。相比于有人机，无人空中系统具有成本低、操作灵活、无人员伤亡等特点，可弥补有人机航磁作业的不足，在高效率资源勘查中发挥重要作用。

按无人空中系统的构型划分，无人航磁探测系统分为固定翼无人机航磁探测系统、无人直升机航磁探测系统、无人飞艇航磁探测系统和多旋翼无人机航磁探测系统。这四种系统具有不同的飞行特点和航磁作业优势。

固定翼无人机航磁探测系统

2003年，英国磁场探 测（Magsurey）公司研制了“普里昂”（Prion）无人机航磁系统。该型无人机可搭载1台或2台铯光泵磁力仪，1台3轴磁通门磁力仪。

2004年，加拿大辉固（Fugro）公司推出高精度无人机航磁探测系统“地理漫游者” I（Georanger I），为沿海和远离机场地区的数据采集提供一种安全有效的测量手段。2005年，辉固公司对技术进行了升级，使该系统具备地球物理数据和无人机飞行姿态参数获取、三维精确导航或沿地形起伏飞行等能力，并能利用一台地面控制站控制多架无人机飞行。

2012年，中国深部探测技术与实验研究专项“Sinoprobe-09-03固定翼无人机航磁探测系统研制”课题组完成固定翼无人机航磁系统试飞和测线飞行，取得良好试验数据。

2013年，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所启动无人机航磁探测系统研究。在中国航天空气动力技术研究院的协助下，技术人员在较短时间内突破了无人机改装、系统集成、超低空自主导航及飞行控制、航磁仪远程测控、无人机磁补偿等关键技术，成功将CS-VL高精度铯光泵磁力仪和AARC510航磁数据收录及补偿器装载于“彩虹”3（CH-3）国产无人机平台，集成了一套基于中型无人机的航磁探测系统。

“彩虹”4（CH-4）无人机是一种中空长航时无人机，由中国航天空气动力技术研究院在“彩虹”3无人机基础上研制而成。该型无人机具有任务载荷重量大、续航时间长、使用半径大、可扩展性强等特点。

2020年4月28日～5月24日，在国家重点研发计划课题“航磁多参数测量处理解释方法技术研究”支撑下，“CH-4无人机航磁梯度、三分量改装集成及试验飞行”野外工作组顺利完成既定工作目标，实现了物探专用CH-4固定翼无人机航磁总场、梯度（横向水平梯度和垂向梯度）及三分量的测量。本次野外作业顺利完成，表明CH-4无人机具备了航磁总场、梯度（横向水平梯度和垂向梯度）及三分量的测量能力。

固定翼无人机具有飞行速度快、飞行稳定性好、续航时间长等优点，一般适用于平坦区域的地球资源快速勘探。由于固定翼无人机存在失速问题，最小飞行速度一般都较大，不适用低速飞行的探测作业，也不适用复杂地形下的低空飞行作业。

无人直升机航磁探测系统

2011年，日本东京大学使用搭载了G-858铯光泵磁力仪的雅马哈（YAMAHA）公司RMAX-G1无人直升机，对活火山进行航磁探测。

2011年，瑞士空 中巡逻(Aeroscout)公司采用搭载了磁力仪的“侦察兵”(Scout)B1-100无人直升机，在煤矿上空进行航磁探测作业。

2015年，吉林大学研发的重载荷智能化物探专用无人直升机系统搭载航磁梯度探测仪器进行试飞，飞行效果良好，仪器工作正常。目前该系统任务载荷重量100kg，续航时间2～3h，机身采用大量低磁抗静电材料制成。

2016年，劳雷公司研发的小型无人直升机航磁探测系统“飞行-凸轮”(Flying-Cam) SARAH 4.0搭 载RMS公司AARC51航磁补偿器、先达利(Scintrex)公司CS-VL高精度铯光泵磁力仪等航磁探测设备开展航磁作业。该机最大任务载荷重量10kg，最长续航时间60min。

山西省煤炭地质物探测绘院使用WH-110A无人直升机及机载轻量化航磁总场探测仪开展低空航磁探测作业。

无人直升机具备低速飞行、空中悬停甚至后退飞行等能力，一般适用于较复杂地形、飞行速度要求慢、地形跟随飞行等作业场景，比如山区等地形变化较大的区域。其缺点是续航时间较固定翼无人机短，机身振动较大，机械结构复杂，对探测仪器的抗振性能要求较高。

无人飞艇航磁探测系统

图1 磁场探测公司“普里昂”无人机。

图2 辉固公司“地理漫游者” I无人机。

图3 Sinoprobe-09-03固定翼无人机航磁探测系统。

图4 CH-3无人机航磁探测系统。

图5 RMAX-G1无人直升机。

图6 “侦察兵”B1-100无人直升机搭载磁力仪作业。

图7 “飞行-凸轮” SARAH 4.0无人直升机航磁探测系统。

无人飞艇具有飞行速度低、飞行稳定、使用便捷、安全等特点，无须跑道，可夜间飞行，可低空飞行，维护维修简单，适合搭载轻型地球物理探测仪器进行野外作业。2011年，江苏省地质勘查技术院成功完成无人飞艇航磁探测系统试验，现已在平原、丘陵和中低山地形条件下开展航磁探测，取得了较好勘查效果。

无人飞艇因自身浮力较大，使用很小的动力就可以实现空中悬停和飞行。当环境风速较低时，无人飞艇可以非常平稳地飞行。由于耗能少，无人飞艇的续航时间一般较长，所以适合长时间探测作业和飞行速度要求低的地球物理探测应用。其缺点是体积大，受环境气流影响较大，抗风能力较差，机动性不好，航迹控制精度不高。

多旋翼无人机航磁探测系统

2010年，德国MGT公司在MD4-1000四旋翼无人机上安装小型磁通门磁力仪，并开展测试。MD4-1000无人机最大起飞重量4.8kg，最大续航时间超过1h，主要对未爆炸弹药（UXO）和滑坡进行探测。

2014年，加拿大先锋勘探咨询有限公司（Pioneer Exploration Consultants Ltd）开发了一种无人机航磁探测（UAV-MAG）系统。该系统采用多旋翼无人机和机载钾光泵磁力仪进行航磁探测，并采用吊舱式（Towed bird）配置，降低了无人机的电磁干扰。其他部件包括超轻型激光高度计、全球定位系统（GPS）和惯性测量单元（IMU）。

电动多旋翼无人机的电池能量密度较低，续航时间短。电池存在的死重问题导致任务载荷重量较小，限制了该型无人机在地球物理探测中的广泛应用。但是，电动多旋翼无人机具有体积小、重量轻、操控灵活、可以悬停和低速飞行等优点，适用于小区域、小载荷、短航时、低成本地球磁场探测应用。

图8 搭载航磁探测仪的WH-110A无人直升机。

图9 无人飞艇航磁探测系统。

图10 MD4-1000四旋翼无人机搭载磁通门磁力仪作业。

图11 先锋勘探咨询有限公司研制的多旋翼无人机航磁探测系统。

研究成果

在上面介绍的无人直升机航磁探测系统中，无人直升机的最大任务载荷重量一般不超过100kg，无法搭载更重、更复杂的航磁探测仪器，比如航磁全轴梯度和航磁全张量梯度探测仪器，限制了无人直升机航磁作业的范围。而吉林大学承担了“十三五”国家重点研发计划课题“智能化物探专用旋翼无人机系统研发”，并成功研制出任务载荷重量≥200kg，续航时间≥3h，具备三维精确导航和自主避障，航磁总场、航磁全轴梯度和航磁全张量梯度传感器搭载能力的无人直升机航磁探测系统。

图12 无人直升机航磁总场探测系统飞行测试。

图13 无人直升机航磁全轴梯度飞行测试。

图14 无人直升机航磁全张量梯度探测系统飞行测试。

图15 航磁吊挂装置。

结论

作为一种高效航磁探测平台，无人空中系统拥有诸多优势，是有人航磁探测系统的有效补充。航空地球物理探测正在向高效率、多任务探测方向发展，任务载荷重量较小的无人机已无法胜任高效率、多任务探测作业。因此，大重载、多任务智能化无人机地球物理探测系统将是未来发展的热点方向，一定程度上将替代有人机在危险区域的物探作业，在我国资源勘探任务中发挥更重要的作用。