我國航空物探無人飛行平臺研究現狀與發展趨勢

陳偉，陳浩峰

摘 要：進入21世紀，隨著我國經濟的持續快速發展，現有礦產資源儲量已無法滿足其需求，需要更加快速的手段來尋找更多的礦產資源。無人機技術的快速發展，使得以無人機為飛行平臺的航空物探在礦產資源快速勘探中發揮越來越重要的作用。文章詳細介紹了固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇這三類無人飛行器作為航空物探搭載平臺的研究現狀，并闡述了無人機航空物探發展趨勢。

關鍵詞：航空物探；無人機；發展趨勢

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0191-02

Abstract： In 21th century， with the sustained and rapid development of China's economy， the existing reserves of mineral resources can no longer meet its needs， need more rapid means to find more mineral resources. With the rapid development of UAV technology， aerial geophysical exploration with UAV as flight platform plays an increasingly important role in the rapid exploration of mineral resources. In this paper， the research status of fixed wing UAV， rotor UAV and unmanned airship as aeronautical geophysical platform is introduced in detail， and the development trend of UAV aerogeophysical exploration is described.

Keywords： aeronautical geophysical exploration； UAV； development trend

引言

隨著地表礦、淺部礦、易識別礦的逐漸減少，國家提出了深部資源勘探計劃，這要求航空物探技術向更高分辨率、更大探測深度方向發展。而隨著無人機技術的快速發展，使得能夠解決大比例尺、高分辨率作業的航空物探技術有了一個新的發展方向——無人機航空物探。

與傳統的有人機航空物探相比，無人機航空物探裝備具有小型化、智能化、成本較低、續航能力強、夜間飛行等特點，特別是人員零傷亡具有突出的優勢。此外，其運輸和使用的便捷性，超低空飛行能力以及能夠在復雜地形條件下進行飛行測量等特點，使無人機航空物探在地質調查、礦產資源勘探和環境監測等領域擁有廣闊的應用前景。

目前，國際上一些發達國家已研發出了一些較為成熟的商用無人機物探系統，取得了比較顯著的效果。國內無人機航空物探現在還處在起步階段，無人機平臺與國外相比還存在不少的差距，但是進步較快，部分自主技術已到達國際先進水平。筆者主要對此作簡要介紹。

1 我國航空物探無人飛行平臺研究現狀

1.1 固定翼無人機航空物探

固定翼無人機作為目前發展無人機航空物探的主要飛行平臺，具有飛行速度快、穩定性好、抗干擾能力強等優點，適用于大面積、地勢平坦區域的礦產資源勘探。

2009年，中國科學院遙感所使用航模型無人機，翼展3.5m，起飛重量30kg，采用輪式自主起降。系統集成的氦光泵磁力儀（GB-10），靜態噪聲水平10PT；完成了4000km測線的應用測試。

2011年，國家深部探測技術與實驗研究專項子項目固定翼無人機航磁勘探系統（SinoProbe-09-03）研制成功。該項目針對復雜地形條件和探測空域需求，攻克智能化無人機飛行平臺研制的關鍵技術，研制出多種類型的航磁探測設備和高低空無人機搭載平臺，并自主開發高精度、高穩定、高效的無人機自動飛行控制與導航系統，成功打破國外的技術壟斷[1]。

2013年，中國地質科學院物化探所等單位聯合研發了國內首套固定翼無人機平臺的航空物探（磁/放）綜合系統，該系統搭載在具有長航時的中型國產無人機彩虹3上，隨后在多寶山和克拉瑪依等地進行了應用試驗和試生產測量。該系統的航磁、航放測量項指標滿足規范要求，數據質量較好，基本實現實用化，具備了推廣應用的基礎。目前該系統已走出國門[2]。

2013年6月下旬，中國冶金地質總局礦產資源研究院于冀東司家營-馬城沉積變質型鐵礦帶成功開展固定翼無人機航空磁測系統試驗。航磁測量結果精確，與已知大比例尺地面磁測結果相吻合；此外還發現了兩處次一級磁異常，對冀東地區深部找礦具有重要意義。

1.2 旋翼無人機航空物探

旋翼無人機，主要指無人直升機，無需要跑道便可以垂直起降，飛行速度可以很慢，起飛后可以在空中懸停，飛行速度一般在0～50km/h之間。因其強大的靈活性，一般適用于地形比較復雜、需隨地形起伏飛行的勘探場合，是發展無人機航空物探的新方向。

2008年，中船重工715所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V750無人直升機，最大起飛重量757kg，最大載荷80kg，巡航速度145km/h，續航時間4h，采用垂直起降，升限3000m；搭載RS-HGB10型無人機航磁測量系統，氦光泵磁力儀采樣率為10Hz，靜態噪聲水平10PT。

2010年，中南大學研制出一種搭載超低空質子磁力儀的小型無人直升機磁測系統，該系統已成功在秘魯西部沿海地區進行了大比例尺磁測飛行實驗，其效率明顯高于地面工作。

2011年，核工業二一六大隊楊鏡明等人研發了可以實現超低空高精度磁法測量裝置。該裝置將高精度磁力儀安裝在航模直升機上，使用遙控設備實現遙控超低空飛行磁測[3]。

2013年，吉林大學承擔了國家“863”計劃項目重載荷智能化物探專用無人直升機研制。

2016年，江蘇省地質勘查技術院與航空企業合作研發中型無人直升機航磁系統，并對整套航磁系統反復進行一系列的性能測試試驗，從而進一步優化系統設計，目前已取得初步成果，即將在已知礦區開展試驗飛行。

1.3 無人飛艇航空物探

無人飛艇是一種輕于空氣的航空器，艇體的氣囊內充以密度比空氣小的浮升氣體（有氫氣或氦氣）借以產生浮力使飛艇升空，吊艙中安裝發動機提供部分的升力，尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩定。大型無人飛艇適用于探測時間長和飛行速度慢的地球物理探測。

2011年，江蘇省地質勘查技術院成功研制了無人飛艇式航磁測量系統。該系統在南京市溧水區開展了飛行試驗，試驗結果與地面測量基本一致，真實反映了試驗區的地質-磁性特征，填補了國內利用無人飛艇作為飛行平臺的航空物探技術空白。該院隨后在西非和國內等地成功開展了多項無人飛艇航空磁測項目，其工作效率高、周期短、成本低等特點得到了充分的展示，驗證了飛艇式航空磁測系統成果的可靠性、安全性，是礦產資源勘查、地質構造研究等領域的一種快捷高效的勘探手段，具有良好的發展前景和優勢。

2012年，吉林大學成功研制無人飛艇長導線源時域地空電磁勘探系統，并在內蒙古巴彥寶力格地區進行了電磁探測實驗，證明了地空電磁探測方法的有效性[4]。

2 發展趨勢

無人航空物探由于其靈活性、高效性、低風險等特征，在基礎地質調查，能源、金屬、非金屬礦產地質勘查和水文、工程、環境地質勘查中的航空物探測量中，起到越來越重要的作用。

無人飛行平臺是無人機航空物探的重要構成，根據測量環境和任務綜合分析后選擇一個合適的無人飛行平臺，不僅可以提高航空物探勘查的精度和效率、節約飛行成本，而且還能確保生產飛行的安全，這對充分的發揮無人機航空物探勘查的技術優勢起到至關重要的作用。所以，為了能夠更好地服務于未來地質找礦的精細需要，針對不同的測量環境和勘查任務，航空物探無人飛行平臺的發展將會向著兩個主要方向進行發展。

2.1 穩定性好、載重大的大型無人飛行平臺

這類飛行器主要有大型無人直升機、大型固定翼無人機以及其他飛行器，如V750無人直升機、TD220無人直升機、彩虹4無人機等。大型無人飛行平臺能夠搭載大型儀器設備，如航空超導全張量磁梯度測量系統、大功率長導線源時間域航空電磁測量系統、航空放射性測量系統、航空重力梯度測量系統以及集成兩種以上航空物探方法的綜合測量系統等，可應用在地質找礦的重點成礦區帶和地質研究工作的重點區域開展進一步的勘探工作。

2.2 重量小、機動性強的小型無人飛行平臺

這類飛行器主要有小型固定翼無人機、小型無人直升機、多旋翼無人機以及其他飛行器，如ASN-216、MD4-1000等。以小型無人飛行器為平臺的航空物探主要以開展航空磁測工作為主，具有易于操控，起降場所不受限制等特點。可實現在中高山、高原、戈壁灘、沙漠等復雜危險地區開展大比例尺、高分辨率和高精度的地質詳查工作。正是由于無人飛行器具有高效、快速、低風險的特點，以此為平臺的航空物探，被越來越多地應用到UXO探測、地質勘查、環境治理等領域。如果能進一步提高此類小型無人飛行平臺的續航時間、優化飛行操控和智能化管理，將進一步發揮該平臺的優勢。

3 結束語

隨著我國低空空域的逐漸開放、通用航空業的蓬勃發展、導航定位系統精度的逐步提高以及航空物探儀器向小型化、智能化方向發展，具有低功耗、高效、靈活、低風險特性的無人機航空物探技術必將在我國資源勘探領域迎來廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測關鍵技術裝備研發現狀及趨勢[J].吉林大學學報（地球科學版），2012，42（05）：1486-1495.

[2]李文杰，李軍峰，劉世凱，等.自主技術無人機航空物探（磁/放）綜合站研發進展[J].地球學報，2014，35（4）：399-403.

[3]楊鏡明.遙控無人直升機搭載高精度磁力儀超低空磁測[J].中國地球物理，2013：689-690.

[4]嵇艷鞠，王遠，徐江，等.無人飛艇長導線源時域地空電磁勘探系統及其應用[J].地球物理學報，2013，56（11）：3640-3650.

[5]徐觀來.地球物理勘探技術發展現狀與實際應用研究[J].科技創新與應用，2014（08）：35.