于顯利

吉林大學(xué)

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來(lái)越大?，F(xiàn)有資源已無(wú)法滿足實(shí)際需要，我國(guó)迫切須要尋找新的礦產(chǎn)資源。無(wú)人空中系統(tǒng)作為一種低成本、操控靈活、無(wú)人員傷亡的探測(cè)平臺(tái)，可滿足高效率資源勘查的需求。本文介紹用于地球磁場(chǎng)探測(cè)的各型無(wú)人空中系統(tǒng)，包括“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題的研究成果，并對(duì)各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

航空地球磁場(chǎng)探測(cè)是以飛行器為載體，飛行器在飛行過(guò)程中搭載磁場(chǎng)探測(cè)儀器，探測(cè)地球磁場(chǎng)信息，并據(jù)此信息研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成，為解決地質(zhì)探礦與環(huán)境等問(wèn)題提供勘查方法。該方法具有快速、高效、綜合、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便于大面積作業(yè)等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于沙漠、戈壁、雪域、高山、沼澤、海洋、極地等復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)。

航磁探測(cè)是一種重要的現(xiàn)代化地質(zhì)礦產(chǎn)勘查技術(shù)，是國(guó)家公益性基礎(chǔ)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查技術(shù)的重要組成部分，也是地球系統(tǒng)科學(xué)觀測(cè)的重要組成部分，主要應(yīng)用于鐵及多種金屬礦產(chǎn)勘查、油氣勘查、地質(zhì)填圖、工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、軍事、深部探測(cè)、深海探測(cè)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)等諸多領(lǐng)域。

按采集的參量類型劃分，航磁探測(cè)可分為標(biāo)量(總場(chǎng)、總場(chǎng)梯度)和矢量(三分量、張量梯度)測(cè)量。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

航磁探測(cè)始于20世紀(jì)30年代，是應(yīng)用最廣泛的航空物探方法。1935年，蘇聯(lián)開(kāi)始研制旋轉(zhuǎn)線圈感應(yīng)式航空磁力儀，并于1936年開(kāi)展第一次航磁探測(cè)試驗(yàn)。中國(guó)于1953年開(kāi)展航磁探測(cè)試驗(yàn)，航磁探測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)航空物探的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)。

航磁探測(cè)系統(tǒng)分為有人航磁探測(cè)系統(tǒng)和無(wú)人航磁探測(cè)系統(tǒng)。有人機(jī)在航磁探測(cè)中發(fā)揮了重要作用，但是有人機(jī)開(kāi)展低空航磁作業(yè)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，曾多次出現(xiàn)機(jī)毀人亡的重大安全事故。相比于有人機(jī)，無(wú)人空中系統(tǒng)具有成本低、操作靈活、無(wú)人員傷亡等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)有人機(jī)航磁作業(yè)的不足，在高效率資源勘查中發(fā)揮重要作用。

按無(wú)人空中系統(tǒng)的構(gòu)型劃分，無(wú)人航磁探測(cè)系統(tǒng)分為固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)、無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)、無(wú)人飛艇航磁探測(cè)系統(tǒng)和多旋翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。這四種系統(tǒng)具有不同的飛行特點(diǎn)和航磁作業(yè)優(yōu)勢(shì)。

固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)

2003年，英國(guó)磁場(chǎng)探 測(cè)（Magsurey）公司研制了“普里昂”（Prion）無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)。該型無(wú)人機(jī)可搭載1臺(tái)或2臺(tái)銫光泵磁力儀，1臺(tái)3軸磁通門磁力儀。

2004年，加拿大輝固（Fugro）公司推出高精度無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)“地理漫游者” I（Georanger I），為沿海和遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)地區(qū)的數(shù)據(jù)采集提供一種安全有效的測(cè)量手段。2005年，輝固公司對(duì)技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)，使該系統(tǒng)具備地球物理數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)參數(shù)獲取、三維精確導(dǎo)航或沿地形起伏飛行等能力，并能利用一臺(tái)地面控制站控制多架無(wú)人機(jī)飛行。

2012年，中國(guó)深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)“Sinoprobe-09-03固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)研制”課題組完成固定翼無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)試飛和測(cè)線飛行，取得良好試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2013年，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所啟動(dòng)無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)研究。在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的協(xié)助下，技術(shù)人員在較短時(shí)間內(nèi)突破了無(wú)人機(jī)改裝、系統(tǒng)集成、超低空自主導(dǎo)航及飛行控制、航磁儀遠(yuǎn)程測(cè)控、無(wú)人機(jī)磁補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，成功將CS-VL高精度銫光泵磁力儀和AARC510航磁數(shù)據(jù)收錄及補(bǔ)償器裝載于“彩虹”3（CH-3）國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，集成了一套基于中型無(wú)人機(jī)的航磁探測(cè)系統(tǒng)。

“彩虹”4（CH-4）無(wú)人機(jī)是一種中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，由中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院在“彩虹”3無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)上研制而成。該型無(wú)人機(jī)具有任務(wù)載荷重量大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、使用半徑大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2020年4月28日～5月24日，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“航磁多參數(shù)測(cè)量處理解釋方法技術(shù)研究”支撐下，“CH-4無(wú)人機(jī)航磁梯度、三分量改裝集成及試驗(yàn)飛行”野外工作組順利完成既定工作目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了物探專用CH-4固定翼無(wú)人機(jī)航磁總場(chǎng)、梯度（橫向水平梯度和垂向梯度）及三分量的測(cè)量。本次野外作業(yè)順利完成，表明CH-4無(wú)人機(jī)具備了航磁總場(chǎng)、梯度（橫向水平梯度和垂向梯度）及三分量的測(cè)量能力。

固定翼無(wú)人機(jī)具有飛行速度快、飛行穩(wěn)定性好、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于平坦區(qū)域的地球資源快速勘探。由于固定翼無(wú)人機(jī)存在失速問(wèn)題，最小飛行速度一般都較大，不適用低速飛行的探測(cè)作業(yè)，也不適用復(fù)雜地形下的低空飛行作業(yè)。

無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)

2011年，日本東京大學(xué)使用搭載了G-858銫光泵磁力儀的雅馬哈（YAMAHA）公司RMAX-G1無(wú)人直升機(jī)，對(duì)活火山進(jìn)行航磁探測(cè)。

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(wú)人直升機(jī)，在煤礦上空進(jìn)行航磁探測(cè)作業(yè)。

2015年，吉林大學(xué)研發(fā)的重載荷智能化物探專用無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)搭載航磁梯度探測(cè)儀器進(jìn)行試飛，飛行效果良好，儀器工作正常。目前該系統(tǒng)任務(wù)載荷重量100kg，續(xù)航時(shí)間2～3h，機(jī)身采用大量低磁抗靜電材料制成。

2016年，勞雷公司研發(fā)的小型無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)“飛行-凸輪”(Flying-Cam) SARAH 4.0搭 載RMS公司AARC51航磁補(bǔ)償器、先達(dá)利(Scintrex)公司CS-VL高精度銫光泵磁力儀等航磁探測(cè)設(shè)備開(kāi)展航磁作業(yè)。該機(jī)最大任務(wù)載荷重量10kg，最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間60min。

山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院使用WH-110A無(wú)人直升機(jī)及機(jī)載輕量化航磁總場(chǎng)探測(cè)儀開(kāi)展低空航磁探測(cè)作業(yè)。

無(wú)人直升機(jī)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(fù)雜地形、飛行速度要求慢、地形跟隨飛行等作業(yè)場(chǎng)景，比如山區(qū)等地形變化較大的區(qū)域。其缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間較固定翼無(wú)人機(jī)短，機(jī)身振動(dòng)較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)探測(cè)儀器的抗振性能要求較高。

無(wú)人飛艇航磁探測(cè)系統(tǒng)

圖1 磁場(chǎng)探測(cè)公司“普里昂”無(wú)人機(jī)。

圖2 輝固公司“地理漫游者” I無(wú)人機(jī)。

圖3 Sinoprobe-09-03固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。

圖4 CH-3無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。

圖5 RMAX-G1無(wú)人直升機(jī)。

圖6 “偵察兵”B1-100無(wú)人直升機(jī)搭載磁力儀作業(yè)。

圖7 “飛行-凸輪” SARAH 4.0無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。

無(wú)人飛艇具有飛行速度低、飛行穩(wěn)定、使用便捷、安全等特點(diǎn)，無(wú)須跑道，可夜間飛行，可低空飛行，維護(hù)維修簡(jiǎn)單，適合搭載輕型地球物理探測(cè)儀器進(jìn)行野外作業(yè)。2011年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院成功完成無(wú)人飛艇航磁探測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)，現(xiàn)已在平原、丘陵和中低山地形條件下開(kāi)展航磁探測(cè)，取得了較好勘查效果。

無(wú)人飛艇因自身浮力較大，使用很小的動(dòng)力就可以實(shí)現(xiàn)空中懸停和飛行。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較低時(shí)，無(wú)人飛艇可以非常平穩(wěn)地飛行。由于耗能少，無(wú)人飛艇的續(xù)航時(shí)間一般較長(zhǎng)，所以適合長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)作業(yè)和飛行速度要求低的地球物理探測(cè)應(yīng)用。其缺點(diǎn)是體積大，受環(huán)境氣流影響較大，抗風(fēng)能力較差，機(jī)動(dòng)性不好，航跡控制精度不高。

多旋翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)

2010年，德國(guó)MGT公司在MD4-1000四旋翼無(wú)人機(jī)上安裝小型磁通門磁力儀，并開(kāi)展測(cè)試。MD4-1000無(wú)人機(jī)最大起飛重量4.8kg，最大續(xù)航時(shí)間超過(guò)1h，主要對(duì)未爆炸彈藥（UXO）和滑坡進(jìn)行探測(cè)。

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

電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)的電池能量密度較低，續(xù)航時(shí)間短。電池存在的死重問(wèn)題導(dǎo)致任務(wù)載荷重量較小，限制了該型無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)中的廣泛應(yīng)用。但是，電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)具有體積小、重量輕、操控靈活、可以懸停和低速飛行等優(yōu)點(diǎn)，適用于小區(qū)域、小載荷、短航時(shí)、低成本地球磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用。

圖8 搭載航磁探測(cè)儀的WH-110A無(wú)人直升機(jī)。

圖9 無(wú)人飛艇航磁探測(cè)系統(tǒng)。

圖10 MD4-1000四旋翼無(wú)人機(jī)搭載磁通門磁力儀作業(yè)。

圖11 先鋒勘探咨詢有限公司研制的多旋翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。

研究成果

在上面介紹的無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)中，無(wú)人直升機(jī)的最大任務(wù)載荷重量一般不超過(guò)100kg，無(wú)法搭載更重、更復(fù)雜的航磁探測(cè)儀器，比如航磁全軸梯度和航磁全張量梯度探測(cè)儀器，限制了無(wú)人直升機(jī)航磁作業(yè)的范圍。而吉林大學(xué)承擔(dān)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“智能化物探專用旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)”，并成功研制出任務(wù)載荷重量≥200kg，續(xù)航時(shí)間≥3h，具備三維精確導(dǎo)航和自主避障，航磁總場(chǎng)、航磁全軸梯度和航磁全張量梯度傳感器搭載能力的無(wú)人直升機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。

圖12 無(wú)人直升機(jī)航磁總場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)飛行測(cè)試。

圖13 無(wú)人直升機(jī)航磁全軸梯度飛行測(cè)試。

圖14 無(wú)人直升機(jī)航磁全張量梯度探測(cè)系統(tǒng)飛行測(cè)試。

圖15 航磁吊掛裝置。

結(jié)論

作為一種高效航磁探測(cè)平臺(tái)，無(wú)人空中系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，是有人航磁探測(cè)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。航空地球物理探測(cè)正在向高效率、多任務(wù)探測(cè)方向發(fā)展，任務(wù)載荷重量較小的無(wú)人機(jī)已無(wú)法勝任高效率、多任務(wù)探測(cè)作業(yè)。因此，大重載、多任務(wù)智能化無(wú)人機(jī)地球物理探測(cè)系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)方向，一定程度上將替代有人機(jī)在危險(xiǎn)區(qū)域的物探作業(yè)，在我國(guó)資源勘探任務(wù)中發(fā)揮更重要的作用。