自主技術無人機航空物探(磁/放)綜合站研發進展

李文杰, 李軍峰, 劉世凱, 周乃恩

1)中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 河北廊坊 065000; 2)核工業航測遙感中心, 河北石家莊 050002; 3)中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074

自主技術無人機航空物探(磁/放)綜合站研發進展

李文杰1), 李軍峰1), 劉世凱2), 周乃恩3)

1)中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 河北廊坊 065000; 2)核工業航測遙感中心, 河北石家莊 050002; 3)中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074

無人機航空物探技術是航空物探技術的一個新興分支。文章首先闡述了無人機航空物探技術的國內外研發情況, 然后介紹了基于國產彩虹 3無人機的國內首套應用于地球物理勘查的無人機航空物探(磁/放)綜合站的研究進展。基于國產彩虹3無人機平臺, 開展了專用飛機改裝、超低空地形跟隨飛控、遠距離遙控遙測等關鍵技術攻關, 集成研發了自主知識產權的無人機航空物探(磁/放)綜合站樣機, 成功開展了面積性應用試驗, 綜合站樣機功能、性能等達到了世界先進水平。無人機航空物探(磁/放)綜合站研發取得關鍵進展。

無人機; 航磁; 航放; 超低空; 地形跟隨

無人機航空物探是航空物探技術的新興分支,在部署便捷性、應用成本、測量效率和質量、人員安全性等方面具有優勢, 在地質調查和環境監測等領域具有廣闊的應用前景, 國內外的相關研究方興未艾。為占領這一新興技術領域的制高點, 研發自主技術的無人機航空物探裝備和應用技術, 滿足我國地質普查和礦產勘查的需要, 中國地質調查局于2013年立項啟動了無人機航空物探(磁/放)綜合站研發及應用試驗研究項目, 由中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所(簡稱物化探所)牽頭, 核工業航測遙感中心(簡稱核航遙中心)和航天空氣動力技術研究院(航天十一院)等單位聯合承擔實施。至2013年年底, 項目組在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、無人機磁補償等核心和關鍵技術領域取得了突破, 集成研發了一套基于國產彩虹3長航時中型無人機平臺的航空物探(磁/放)綜合站, 并在國內首次開展了1∶5萬無人機航空物探(磁/放)綜合勘查面積性應用試驗, 綜合站的穩定性、可靠性、探測性能得到了全面驗證, 填補了我國在這一領域的技術空白(中國地質科學院, 2014)。

1 國內外進展

與傳統的有人駕駛飛機航空物探相比較, 基于無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicles, 簡稱UAVs)的航空物探技術存在如下潛在優勢: 在遠離陸地的海上開展航空測量, 或以低于100 m的超低空測量時, 可降低人員安全風險; 一組控制人員可以同時操作多架無人機協同測量, 提高測量效率; 無人機大多具有較長的續航時間(通常可大于10小時), 靈活的起降方式有利于快速部署, 因而具有更高的測量效率和靈活性; 無人機能夠在飛控電腦的控制下,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飛控精度遠高于傳統飛機, 可在干擾較小的夜間實施測量, 物探測量數據的質量可大幅提高。

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, 先后有英國 Magsurvey公司的PrionUAV無人機航磁系統(2003年)(張洪瑞等, 2007)、荷蘭 Fugro輝固公司 Georanger(2004年)(Lum et al., 2005; Partner, 2006; Barnard, 2010)、芬蘭 STUK赫爾辛基的放射及核能安全委員會Patria mini-UAV 無人機放射性監測系統(2005年)(Kurvinen et al., 2005; Pollanen et al., 2009)、加拿大卡爾頓大學 Geosurv無人機航磁系統(2009年)(Laliberte, 2013)、日本無人直升機航磁系統(2012年)(Hitoshi et al., 2013; Shin’ya et al., 2013)、德國公司研發的MGT-UAS(磁/電)系統(Stoll, 2013)等無人機航空物探設備問世, 部分系統在礦產勘查、UXO探測、環境監測等領域開展了試驗或應用。總體而言, 國外應用于航空物探的無人機航磁技術較成熟,多采用高精度銫光泵磁力儀搭載在固定翼無人機上;無人機航空放射性技術主要用于環境監測, 地質調查領域未見報導; 無人機航空(磁/放)綜合勘查技術是空白。

表1 國內外典型無人機航空物探系統主要參數統計Table 1 The specifications of the typical foreign and domestic UAVs airborne geophyscial system

限于無人機的載荷較小、飛行控制較復雜、飛機的安全性較有人機低等因素, 國內外的無人機航空物探技術的成熟度遠未達到廣泛應用, 相關研究的技術水平大致相當。在國內, 中國國土資源航空物探遙感中心、中國地質科學院及中國科學院遙感與數字地球研究所、中船重工第七一五研究所等單位也在 2010年前后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, 但均未進入實際應用(表1)。

2 研究進展

無人機航空物探技術的實用化, 主要受到無人機平臺能力的限制, 超低空自主飛控是限制無人機資源探測技術成熟度的關鍵和瓶頸。無人機探測技術的研發應首先考慮安全性, 其次注重提升技術指標, 然后考慮降低運行成本。

2012年, 項目組開展了關鍵技術研究和驗證工作, 在航天十一院研制的國產彩虹3中型無人機上安裝了銫光泵磁力儀及航空伽瑪能譜儀。彩虹3無人機起飛重量640 kg, 在180 km/h巡航速度時續航時間可達10小時。銫光泵磁探頭暫時安裝在彩虹3無人機機翼靠近機身1/3處的掛架下, 在機艙內安裝了一條(4 L)碘化鈉晶體, 以及航磁數據補償器、航磁數據收錄器、航放數據收錄器等設備(圖 1)。在寧夏中衛機場開展了試驗試飛, 測試了改裝后低空不同飛行高度條件下無人機的航線保持、高度保持及磁補償機動能力, 驗證了無人機磁/放綜合勘查技術的可行性。

2013年項目組在關鍵技術取得驗證的基礎上,在無人機物探勘查改裝技術等方面取得了關鍵突破,集成了國內外首套無人機航空物探(磁/放)綜合站,并在多寶山礦區實施了國內首次無人機綜合測量應用試驗。應用試驗完成了7個飛行架次共3000測線千米, 取得了滿足航磁、航放工作規范要求的高質量試驗數據, 無人機航空物探(磁/放)綜合站研制取得初步成功(圖2)。

3 主要創新成果

3.1 無人機物探勘查改裝技術取得關鍵突破

基于國產彩虹 3長航時固定翼無人機平臺, 在理論計算、數值模擬和氣動特性分析的基礎上, 設計了綜合測量系統的初始氣動布局及氣動外形, 在確保飛行安全和氣動穩定性的同時, 滿足了航磁和航放設備搭載的需求。

解決了低空飛行控制律建模和仿真問題, 研發了基于高精度 DEM 數據的三維航跡規劃技術, 掌握了高精度飛行控制技術, 成功實現超低空地形跟隨飛行, 突破了無人機在航空物探應用中超低空飛行測量的技術瓶頸。

圖1 彩虹3無人機改裝航空物探(磁/放)綜合測量系統Fig. 1 The modified Rainbow-3 UAVs integrated airborne geophysical (magnetic and gamma-ray) system

圖2 無人機航空物探(磁/放)綜合站實測數據Fig. 2 The survey data of the Rainbow-3 UAVs integrated airborne geophysical (magnetic and gamma-ray) system

首次成功實現了航空物探的夜間測量作業, 極大程度地提高了飛行效率, 降低了飛行成本。夜間測量磁日變及干擾小與白天, 非常有利于獲取高質量的航磁數據。

3.2 集成了國內外首套無人機航空物探(磁/放)綜合站

集成研發了適于無人機搭載的航磁儀器系統。研發了數據鏈路接口轉換軟硬件及測控軟件, 解決了航磁儀的遙測遙控問題; 針對無人機與有人機機動控制的差異, 制定了一套基于無人機的磁補償方法, 解決了無人機磁補償機動動作不規范等難題。

集成研發了高度集成化的航放測量儀器系統。針對無人機商載有限的問題, 突破了無源自動穩譜技術, 去除了晶體恒溫裝置, 大大降低商載和供電需求; 研發了高度集成化航空伽瑪數據采集模塊和遙測遙控軟件, 成功集成了國內首套適用于無人機的無源自動穩譜航空伽瑪能譜儀, 具有完全自主的知識產權。

3.3 首次在國內成功實施了無人機綜合測量應用試驗

在多寶山試驗區成功開展了面積性的無人機磁放綜合測量試驗。不同氣象條件下共完成7架次40多小時無故障飛行, 完成1:1萬(飛高 180 m)和1:5萬(飛高120 m)大比例尺測量工作2980測線千米。

無人機實施了晝、夜飛行, 嚴格按照設定飛控參數沿地形起伏飛行測量, 不會產生有人駕駛飛機因飛行員疲勞注意力下降造成飛行質量下降的情況。系統的高精度飛行控制及地形跟蹤能力得到有效驗證, 平均偏航距小于±10 m, 高度偏差小于±20 m, 為高質量航磁、航放數據的獲取提供了可靠保障。

基于高精度磁測數據繪制的基礎圖件與有人機航磁相比具有較好的一致性, 磁測總精度不足導致的條帶狀分布現象得以改善, 微弱異常的細節更加清晰連貫, 凸顯了高精度大比例尺勘查的優點。

對多寶山地區航空放射性測量數據進行了初步處理, 獲得了總道(TC)、K、U、Th四種等值線平面圖。和有人機飛行數據進行了對比, 兩者飛行測線方向不同, 搭載晶體數量不同, 但反應出該地區的放射性分布狀況基本吻合, 無人機測量數據能夠反映出已知K異常的存在。

綜合站研發雖然取得了重要進展, 但在無人機飛控及維護程序的便捷性、無人機飛行安全性、銫光泵磁力儀國產化等方面尚需開展進一步的實用化研究, 以簡化操作程序、降低應用成本、提高可靠性。

4 總結

無人機航空物探(磁/放)綜合站研發項目在中國地質調查局資助下, 突破了氣動外形設計、電磁兼容、遙測遙控、高精度磁測、高精度地形跟隨飛控技術等關鍵技術, 解決了無人機航空物探超低空飛行測量的技術瓶頸, 在國產彩虹3無人機平臺上成功集成研發了首套無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統, 成功開展面積性的無人機航空磁/放綜合測量應用試驗, 獲得高質量的航磁和航放數據,全面驗證了樣機的穩定型、可靠性和適應性, 整體性能達到國內領先水平, 為研制實用化的地質調查和礦產勘查無人機(磁/放)勘查技術裝備奠定了堅實基礎。

張洪瑞, 范正國. 2007. 2000年來西方國家航空物探技術的若干進展[J]. 物探與化探, 31(1): 1-8.

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The Progress in the Development of the Integrated UAV Magnetic & Radiation Survey System

LI Wen-jie1), LI Jun-feng1), LIU Shi-kai2), ZHOU Nai-en3)
1) Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang, Hebei 065000; 2) Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry, Shijiazhuang, Hebei 050002; 3) China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074

UAVs airborne geophysical technology is a new branch of airborne geophysical techniques. This paper first describes the status of the development of UAVs airborne geophysical technology both in China and abroad, and then recounts the progress in the development of the UAV airborne integrated geophysical system based on domestic Rainbow-3 UAV, which carried out the first UAVs geophysical trial survey in China. This paper expounds the progress in the development of a novel prototype Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) aeromagnetic and aeroradiometric integrated system, which includes the research progress in the aircraft modification, extremely low altitude terrain following survey technic and remote control technic. A field trail survey was carried out to test the performance of the prototype system. It is proved that some of the key features of the FTEM system prototype have reached world advanced levels.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs); aeromagnetic survey; aeroradiometric; low altitude survey; terrain following

P631.222; P631.63

A

10.3975/cagsb.2014.04.01

本文由中國地質調查局地質調查項目“基于無人機的航空物探(電、磁、放)綜合站測量技術研發與應用示范”(編號: 12120113099400)資助。獲中國地質科學院2013年度十大科技進展第二名。

2014-04-14; 改回日期: 2014-05-19。責任編輯: 閆立娟。

李文杰, 男, 1971年生。博士, 教授級高工。主要從事航空地球物理儀器研發及數據處理技術研究。通訊地址: 065000, 河北省廊坊市金光道84號。E-mail: liwenjie@igge.cn。