我国航空物探无人飞行平台研究现状与发展趋势

摘 要：进入21世纪，随着我国经济的持续快速发展，现有矿产资源储量已无法满足其需求，需要更加快速的手段来寻找更多的矿产资源。无人机技术的快速发展，使得以无人机为飞行平台的航空物探在矿产资源快速勘探中发挥越来越重要的作用。文章详细介绍了固定翼无人机、旋翼无人机和无人飞艇这三类无人飞行器作为航空物探搭载平台的研究现状，并阐述了无人机航空物探发展趋势。

关键词：航空物探；无人机；发展趋势

中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：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

随着地表矿、浅部矿、易识别矿的逐渐减少，国家提出了深部资源勘探计划，这要求航空物探技术向更高分辨率、更大探测深度方向发展。而随着无人机技术的快速发展，使得能够解决大比例尺、高分辨率作业的航空物探技术有了一个新的发展方向——无人机航空物探。

与传统的有人机航空物探相比，无人机航空物探装备具有小型化、智能化、成本较低、续航能力强、夜间飞行等特点，特别是人员零伤亡具有突出的优势。此外，其运输和使用的便捷性，超低空飞行能力以及能够在复杂地形条件下进行飞行测量等特点，使无人机航空物探在地质调查、矿产资源勘探和环境监测等领域拥有广阔的应用前景。

目前，国际上一些发达国家已研发出了一些较为成熟的商用无人机物探系统，取得了比较显著的效果。国内无人机航空物探现在还处在起步阶段，无人机平台与国外相比还存在不少的差距，但是进步较快，部分自主技术已到达国际先进水平。笔者主要对此作简要介绍。

1 我国航空物探无人飞行平台研究现状

1.1 固定翼无人机航空物探

固定翼无人机作为目前发展无人机航空物探的主要飞行平台，具有飞行速度快、稳定性好、抗干扰能力强等优点，适用于大面积、地势平坦区域的矿产资源勘探。

2009年，中国科学院遥感所使用航模型无人机，翼展3.5m，起飞重量30kg，采用轮式自主起降。系统集成的氦光泵磁力仪（GB-10），静态噪声水平10PT；完成了4000km测线的应用测试。

2011年，国家深部探测技术与实验研究专项子项目固定翼無人机航磁勘探系统（SinoProbe-09-03）研制成功。该项目针对复杂地形条件和探测空域需求，攻克智能化无人机飞行平台研制的关键技术，研制出多种类型的航磁探测设备和高低空无人机搭载平台，并自主开发高精度、高稳定、高效的无人机自动飞行控制与导航系统，成功打破国外的技术垄断[1]。

2013年，中国地质科学院物化探所等单位联合研发了国内首套固定翼无人机平台的航空物探（磁/放）综合系统，该系统搭载在具有长航时的中型国产无人机彩虹3上，随后在多宝山和克拉玛依等地进行了应用试验和试生产测量。该系统的航磁、航放测量项指标满足规范要求，数据质量较好，基本实现实用化，具备了推广应用的基础。目前该系统已走出国门[2]。

2013年6月下旬，中国冶金地质总局矿产资源研究院于冀东司家营-马城沉积变质型铁矿带成功开展固定翼无人机航空磁测系统试验。航磁测量结果精确，与已知大比例尺地面磁测结果相吻合；此外还发现了两处次一级磁异常，对冀东地区深部找矿具有重要意义。

1.2 旋翼无人机航空物探

旋翼无人机，主要指无人直升机，无需要跑道便可以垂直起降，飞行速度可以很慢，起飞后可以在空中悬停，飞行速度一般在0～50km/h之间。因其强大的灵活性，一般适用于地形比较复杂、需随地形起伏飞行的勘探场合，是发展无人机航空物探的新方向。

2008年，中船重工715所开始了基于无人直升机平台的无人直升机航磁系统研究，采用V750无人直升机，最大起飞重量757kg，最大载荷80kg，巡航速度145km/h，续航时间4h，采用垂直起降，升限3000m；搭载RS-HGB10型无人机航磁测量系统，氦光泵磁力仪采样率为10Hz，静态噪声水平10PT。

2010年，中南大学研制出一种搭载超低空质子磁力仪的小型无人直升机磁测系统，该系统已成功在秘鲁西部沿海地区进行了大比例尺磁测飞行实验，其效率明显高于地面工作。

2011年，核工业二一六大队杨镜明等人研发了可以实现超低空高精度磁法测量装置。该装置将高精度磁力仪安装在航模直升机上，使用遥控设备实现遥控超低空飞行磁测[3]。

2013年，吉林大学承担了国家“863”计划项目重载荷智能化物探专用无人直升机研制。

2016年，江苏省地质勘查技术院与航空企业合作研发中型无人直升机航磁系统，并对整套航磁系统反复进行一系列的性能测试试验，从而进一步优化系统设计，目前已取得初步成果，即将在已知矿区开展试验飞行。

1.3 无人飞艇航空物探

无人飞艇是一种轻于空气的航空器，艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体（有氢气或氦气）借以产生浮力使飞艇升空，吊舱中安装发动机提供部分的升力，尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。大型无人飞艇适用于探测时间长和飞行速度慢的地球物理探测。

2011年，江苏省地质勘查技术院成功研制了无人飞艇式航磁测量系统。该系统在南京市溧水区开展了飞行试验，试验结果与地面测量基本一致，真实反映了试验区的地质-磁性特征，填补了国内利用无人飞艇作为飞行平台的航空物探技术空白。该院随后在西非和国内等地成功开展了多项无人飞艇航空磁测项目，其工作效率高、周期短、成本低等特点得到了充分的展示，验证了飞艇式航空磁测系统成果的可靠性、安全性，是矿产资源勘查、地质构造研究等领域的一种快捷高效的勘探手段，具有良好的发展前景和优势。

2012年，吉林大学成功研制无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统，并在内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验，证明了地空电磁探测方法的有效性[4]。

2 发展趋势

无人航空物探由于其灵活性、高效性、低风险等特征，在基础地质调查，能源、金属、非金属矿产地质勘查和水文、工程、环境地质勘查中的航空物探测量中，起到越来越重要的作用。

无人飞行平台是无人机航空物探的重要构成，根据测量环境和任务综合分析后选择一个合适的无人飞行平台，不仅可以提高航空物探勘查的精度和效率、节约飞行成本，而且还能确保生产飞行的安全，这对充分的发挥无人机航空物探勘查的技术优势起到至关重要的作用。所以，为了能够更好地服务于未来地质找矿的精细需要，针对不同的测量环境和勘查任务，航空物探无人飞行平台的发展将会向着两个主要方向进行发展。

2.1 稳定性好、载重大的大型無人飞行平台

这类飞行器主要有大型无人直升机、大型固定翼无人机以及其他飞行器，如V750无人直升机、TD220无人直升机、彩虹4无人机等。大型无人飞行平台能够搭载大型仪器设备，如航空超导全张量磁梯度测量系统、大功率长导线源时间域航空电磁测量系统、航空放射性测量系统、航空重力梯度测量系统以及集成两种以上航空物探方法的综合测量系统等，可应用在地质找矿的重点成矿区带和地质研究工作的重点区域开展进一步的勘探工作。

2.2 重量小、机动性强的小型无人飞行平台

这类飞行器主要有小型固定翼无人机、小型无人直升机、多旋翼无人机以及其他飞行器，如ASN-216、MD4-1000等。以小型无人飞行器为平台的航空物探主要以开展航空磁测工作为主，具有易于操控，起降场所不受限制等特点。可实现在中高山、高原、戈壁滩、沙漠等复杂危险地区开展大比例尺、高分辨率和高精度的地质详查工作。正是由于无人飞行器具有高效、快速、低风险的特点，以此为平台的航空物探，被越来越多地应用到UXO探测、地质勘查、环境治理等领域。如果能进一步提高此类小型无人飞行平台的续航时间、优化飞行操控和智能化管理，将进一步发挥该平台的优势。

3 结束语

随着我国低空空域的逐渐开放、通用航空业的蓬勃发展、导航定位系统精度的逐步提高以及航空物探仪器向小型化、智能化方向发展，具有低功耗、高效、灵活、低风险特性的无人机航空物探技术必将在我国资源勘探领域迎来广阔的应用前景。

参考文献：

[1]黄大年，于平，底青云，等.地球深部探测关键技术装备研发现状及趋势[J].吉林大学学报（地球科学版），2012，42（05）：1486-1495.

[2]李文杰，李军峰，刘世凯，等.自主技术无人机航空物探（磁/放）综合站研发进展[J].地球学报，2014，35（4）：399-403.

[3]杨镜明.遥控无人直升机搭载高精度磁力仪超低空磁测[J].中国地球物理，2013：689-690.

[4]嵇艳鞠，王远，徐江，等.无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用[J].地球物理学报，2013，56（11）：3640-3650.

[5]徐观来.地球物理勘探技术发展现状与实际应用研究[J].科技创新与应用，2014（08）：35.