无人机航空物探技术研发应用现状与展望

崔志强，胥值礼，李军峰，李 飞，高卫东

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

无人机航空物探技术研发应用现状与展望

崔志强，胥值礼，李军峰，李 飞，高卫东

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

缺少飞行平台是目前我国进行复杂地形条件下物探数据获取的主要瓶颈之一，而无人机作为一种成本低、操作灵活、无人员伤亡危险的空中移动探测平台，正好满足高效率资源勘查的需要。近年来，国内、外航空物探飞行平台从传统的有人机向无人机发展已经取得了一定成果。这里分别介绍了国内、外无人机航空物探研发及应用现状，以及国内自主技术的无人机航空物探应用成果，分析了目前无人机航空物探存在的主要优势及不足，并对无人机航空物探的发展前景进行了分析与展望。

无人机； 航空物探； 发展现状

0 前言

“无人机”是“无人驾驶飞机(UAV)”的简称，是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的、不载操作人员的空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程控制引导。随着无人机技术的不断发展成熟，出现了多种类型，如固定翼无人机、旋翼无人机、飞艇及扑翼无人机。通过整合这些无人机平台及各种专业仪器设备，形成新型的探测或测量技术，已广泛应用到自然灾害预防与处理、农业资源监测、林业资源监测、科学观测、公安边防、海事、电力等多个领域[1-3]，其中应用最为广泛成熟的是无人机航拍技术。

无人机航空物探是无人机与航空物探仪器设备有机结合形成的航空物探技术的一个新兴分支，国内、外对此的研究均处于起步阶段。由于无人机航空物探系统体积小、重量轻、生产成本低、多种起降方式等特点，可以在复杂地形环境执行繁琐的、重复性很高的飞行测量工作，最重要的是不会因超低空飞行事故造成人员伤亡[4-5]。因此无人机航空物探技术的研发与应用，日益受到世界各航空地球物理厂商或单位的广泛关注。

1 国外进展

着眼于无人机航空物探技术的上述优势，进入21世纪后，国际上多个发达国家开展了无人机航空物探装备技术的研发工作,部分已进行10余年，取得了显著的成果[6-10]。依照时间先后顺序，国外大致有以下几个主要系统。

1)2003年，英国Magsurvey公司最早开展此方面研究，研发的PrionUAV航空磁测系统，采用的无人机为Prion型，翼展3 m，起飞重量30 kg，采取弹射起飞，撞网收回，巡航速度90 km/h；携带1个铯光泵磁力仪(Cs-3)、1个激光高度计、实时DGPS和1个3轴磁通门磁力仪，系统采样率10 Hz，静态噪声水平2 pT，开展过小范围的航磁测量。

2)2004年，荷兰Fugro公司在Insitu公司的协助下，改装了扫描鹰无人机Georanger-I型，翼展3 m，起飞重量近18 kg，巡航速度100 km/h，续航时间最大15 h，测控范围200 km，最低飞行高度100 m，采取弹射起飞，撞网收回；推出了集成铯光泵磁力仪(Cs-3)的高精度无人机航空磁力测量系统，系统采样率10 Hz，静态噪声水平2 pT，并在2004年-2005年在渥太华附近进行了地质勘查，共完成了约14 000 km的测量工作，实测总精度1.5 nT。

3)2005年，加拿大万能翼地球物理公司，利用Venturer型无人机，翼展4 m，巡航速度70 km/h，续航时间10 h，测控范围100 km，采用轮式自主起飞降落；集成铯光泵磁力仪(Cs-3)形成无人机航磁系统，系统采样率10 Hz，静态噪声水平2 pT，该无人机航磁系统在加拿大北极地区开展了油气勘探为目的的多次测量，随后矿产勘探公司应用该系统在温哥华岛进行了4 000 km的调查。同年芬兰STUK 赫尔辛基的放射及核能安全委员会成功研发了Patria mini UAV 无人机放射性监测系统，采用的ADS 95型无人机，翼展5.7 m，起飞重量285 kg，巡航速度240 km/h，续航时间6 h，采用气动弹射起飞、轮滑自主降落；搭载的是GM NaI CZT航空伽玛能谱仪，主要用于核污染监测。

4)2009年-2012年，加拿大卡尔顿大学研发了Geosurv无人机航磁系统，2013年开展了测量飞行试验。2010年德国MGT公司利用无人直升机MD4-1000型，起飞重量4.8 kg，搭载小型化磁通门磁力仪，最低飞行高度5 m，用于UXO及滑坡探测。2012年，日本发展了多款基于无人直升机平台的航磁系统，应用灵活，特别适用于小区域大比例尺航磁精细测量。2013年德国公司研发的无人机航空物探MGT.UAS(磁/电)系统问世。

总体而言，国外的无人机航磁技术较成熟，在固定翼飞机上搭载并集成高精度磁力仪，少数采用了无人直升机，多为小型无人机平台的航磁系统，起飞重量多在几～几十公斤之间，系统噪声水平达2 pT。仅芬兰进行了无人机航空放射性技术的研究，尚未有用于地质勘查的相关报道。这些无人机航空物探系统在矿产勘查、UXO探测、环境监测等领域开展了试验或应用，取得了较好的效果。

2 国内研究进展

国内的无人机航空物探研究虽起步较晚，但进步很快。先后有中船重工第七一五研究所(中船重工715所)、中国科学院遥感与数字地球研究所(中科院遥感所)、中国国土资源航空物探遥感中心(航遥中心)、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(物化探所)等单位开展了基于固定翼或直升机的无人机航磁测量技术的研究工作，部分自主技术的无人机航磁系统各项指标已达到国际水平[11-13]。

1)2008年，中船重工715所最早开始了基于无人直升机平台的无人直升机航磁系统研究，采用的是V750无人直升机，最大起飞重量757 kg，最大载荷80 kg，巡航速度145 km/h，续航时间4 h，垂直起降，升限3 000 m；搭载氦光泵磁力仪(GB-10)，采样率10 Hz，静态噪声水平10 pT，尚未见应用测量工作。

2)2009年，中科院遥感所利用航模型无人机，翼展3.5 m，起飞重量30 kg，采用轮式自主起降。集成氦光泵磁力仪(GB-10)，采样率10 Hz，静态噪声水平10 pT；完成了4 000 km的应用测试。

3)2011年，航遥中心采用爱生ASN-216型无人机(图1)，该无人机翼展3.2 m，起飞重量25 kg，巡航速度60 km/h～90 km/h，续航时间6 h，测控范围40 km、任务载荷4 kg，最大升限5 000 m，采用轮式自主起降方式；搭载氦光泵磁力仪(HC2000)，该航磁系统为高空无人机航磁探测系统，已完成高空试飞，尚未开展测量工作，目标是着力为深部地质构造研究和高海拔地区航磁地质调查工作服务。

4)2013年，受中国地质调查局委托，物化探所启动了无人机航磁测量系统的研究工作。在中国航天空气动力技术研究院(简称航天院)的协助下，基于航天院自主研发的彩虹-3型中型无人机平台(国产CH-3中型无人机)，翼展8 m，商载160 kg，续航能力达12 h，巡航速度180 km/h，低空飞行高度100 m，测控范围200 km，测控精度±5 m，采用轮式滑跑起降，是一款商载能力较强且兼顾灵活性的平台。物化探所在较短的时间内，突破了无人机改装与系统集成、超低空自主导航及飞行控制、航磁仪远程测控、无人机磁补偿等多项关键技术。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搭载于CH-3国产无人机平台上，集成了国内首套基于长航时中型无人机的航空磁测系统，系统采样率10 Hz，静态噪声水平2 pT。同时，在该CH-3型无人机航磁平台的基础上，核工业航测遥感中心(简称核航遥)与物化探所进一步对平台进行优化，成功集成了NaI(Tl)晶体，体积：4″×4″×16″，分辨 率8.5%，峰飘小于±1道，通道256、512道可选，测量范围20 KeV～3 000 KeV，采样率1 Hz。至此，形成了国内外首套无人机航空物探(磁/放)综合测量系统，并在我国东北、西北地区分别完成了应用试验和试生产测量，累计完成测线13 000 km，航磁实测补偿精度1.65 nT，取得了满足现行航磁、航放工作技术规范要求的高质量试验数据，标志着国内自主技术的无人机航空物探(磁/放)综合站研制取得初步成功。并且物化探所在现有固定翼时间域航空电磁系统技术的基础上，正开展基于大型无人机平台的无人机航空电磁系统(时间域)预研究工作，提出了操作性强的设计方案，预示不久自主技术的无人机航空电磁系统将问世，进一步拓展和完善了无人机航空物探综合勘查技术。

图1 ASN-216型无人机航磁系统(来自网络)Fig.1 The ASN-2016 UAV-brone aeromagneticsurvey system(from internet)

图2 国产CH-3型无人机航空物探(磁/放)综合测量系统Fig.2 The home-made CH-3 UAV-brone aerogeophysics(magnetic and radiometric)survey system

3 自主技术无人机航空磁测系统应用效果

由物化探所牵头，协同航天院和核工业联合研制的彩虹CH-3型无人机航空物探(磁/放)综合测量系统(图2)分别在黑龙江多宝山地区和新疆克拉玛依完成了面积性综合勘查测量任务，取得了高质量的测量数据资料。

2013年运用该系统在多宝山矿区完成了200 km2的飞行测量工作，完成测线2 000 km，平均飞行高度120 m，飞行速度160 km/h。航磁补偿精度为0.054 nT，航测数据调平前总精度2.5 nT，调平后总精度1.77 nT。图3为在该矿区CH-3无人机与Y12固定翼航磁△T渲染对比图，从图件显示的细节来看，本次CH-3型无人机航磁测量资料与同期开展的Y12型固定翼航测成果相当。在本次试验中仅用3个架次就完成了全部测量任务，并且首次成功实现了航空物探的夜间测量作业，这是国内航空物探首次尝试，极大程度地提高了飞行效率，降低了飞行成本[14]。夜间测量磁日变及地面干扰小，非常有利于获取高质量的航磁测量原始数据。并且从导航定位情况来看，无人机系统由计算机程序控制，能够严格的按设计测线飞行，大大提高了导航定位能力，飞行姿态更稳定。此次试验取得了良好的应用效果，标志着我国首次实现无人机航空物探面积性测量工作取得圆满成功。

图3 多宝山Y12固定翼与彩虹-3无人机航磁测量成果对比图Fig.3 The comparsion of result data between Y12 fixed wing and Ch-3 UAV-borne aeromagnetic survey system at DBS(a)固定翼航磁；(b)彩虹-3无人机航磁勘查

2014年进一步对该无人机航磁系统进行了优化设计，并在新疆克拉玛依完成了2 500 km2的测量任务，仅用了13个飞行架次，共实际完成测线11 600 km。该区地形复杂，属中—低山区，海拔最低400 m，最高1 500 m，相对落差达到1 100 m，地形切割较剧烈。为了克服恶劣地形对无人机飞行的影响，物化探所研发了基于高精度DEM数据的三维航迹规划模块，掌握了复杂地形条件下的飞行控制技术，成功实现超低空地形跟随飞行和人机交换控制飞行，有效地克服了复杂地形的影响，降低了飞行高度，提高了数据质量，突破了无人机在航空物探应用在复杂山区中的超低空飞行测量的技术瓶颈。最终航磁补偿精度达到了0.02 nT，实际测量总精度为1.2 nT，大大优于现行航空磁测技术规范中补偿精度≤0.08 nT，总精度≤3 nT的要求。数据质量明显优于同期Y12型固定翼航磁系统的数据质量(图4)。

图4 克拉玛依Y12固定翼与彩虹-3无人机航磁测量成果对比图Fig.4 The comparsion of result data between Y12 fixed wing and Ch-3 UAV-borne aeromagnetic survey system at KLMY(a)固定翼航磁；(b)彩虹-3无人机航磁勘查

目前，该套自主技术的中型无人机航磁系统在新疆塔里木盆地开始了新的应用示范工作—无人机航磁油气资源调查示范。测区位于盆山结合地带，既有沙漠复杂的气候环境和基本无地形图参考的变化沙漠地形，也有相对高差达3 000 m的盆缘高山。为了能顺利的完成测量覆盖任务，并获取高质量的测量数据，项目组在充分利用无人机自主导航飞行的基础上，优化了三维航迹规划和飞行仿真模块，通过计算并添加飞行关键控制点的方式，解决了无人机在飞行过程中超视距预判断能力不足的问题，使每架次飞行都能在保证安全的前提下，尽可能获取更高质量的测量数据。目前该系统在测区已完成数万公里的测线任务，原始数据质量能够达到规范要求。该示范工作预期将完成200 000 km，在项目实施过程中不断发现和解决无人机航磁系统存在的问题，为无人机航空物探技术未来广泛应用奠定坚实的基础。

4 现有无人机航空物探系统的优势与不足

4.1 主要优势

与传统的有人驾驶飞机的航空物探系统相比较，基于无人机平台的航空物探技术优势主要表现在以下几方面：

1)能最大限度地保障人员安全。由于无人机在飞行过程中没有搭载控制飞行员，不会因复杂地形、恶劣气候环境、飞控人员疲劳、机械故障等因素造成人员伤亡的情况，降低了作业风险。

2)大大提高了工作效率，一组地面飞控人员可以同时控制、操作多架无人机协同工作，无人机一个架次最长可飞行10 h以上，提高了工作效率。而有人机往往每架飞机需要2名飞行员，多名地面保障人员，才能顺利开展工作，一个架次最长飞行4 h左右。

3)生产成本更低。无人机大多使用普通汽油即可工作，并且燃油经济性很高，以彩虹Ⅲ无人机为例，使用普通97#汽油，平均油耗约为15 L/100 km，而无论是有人驾驶的固定翼或直升机，必须使用航空煤油，小松鼠B3型直升机平均油耗多在80 L/100 km以上，Y12固定翼飞机更是高达120 L/100 km以上，成本高昂。

4)更精准地飞行控制。有人驾驶飞机长时间超低空飞行作业的劳动强度非常大，飞行员很难保持高精度航迹、航向和飞行高度。同时，因不同飞行员的飞行技能、经验不同，在开展作业时其飞控质量也存在很大差异，这就造成航空物探的数据质量很差，给后期数据处理和资料解释造成影响。而无人机能够在飞控电脑和飞控人员的控制下，按照事先规划好的航线自主飞行测量，偏航及飞行高度保持能力等远高于传统有人驾驶飞机，不会因疲劳或驾驶经验不足造成飞行质量下降。

5)可在夜间工作。相比有人驾驶的飞机靠飞行员目视驾驶，无人机使用无线电设备完成自主飞行。因此，无人机航磁系统可在夜间实施测量，获取的物探测量数据质量可大幅提高。

4.2 尚不完善之处

无人机航空物探作为一类新型的航空物探应用技术，航空物探设备与无人机的整合、集成尚不成熟，无人机航空物探系统在飞行试验、试生产、应用示范中还存在以下一些问题：

1)无人机及飞控技术方兴未艾。目前欧美等部分发达国家的无人机技术较为先进，特别是用于军事技术的无人机及飞控技术。而我国无人机技术虽然发展较早，但由于历史及政策原因，在国际上还属于第二梯队，尤其与美国、以色列等无人机发展先进国家相比，至少还存在20年的差距。现今国内先进的中、大型无人机的部分关键技术或零部件仍然依赖进口，使制造和维护成本过高，大大影响了无人机的广泛应用。

2)地形适应性能尚需提高。目前较先进的无人机系统能够在地形条件较好的情况下沿地形自主低空飞行(200 m以内)，但在切割深较大的中、高山区，无人机尚不完全具备超视距预判断和预操作能力，特别是在超出雷达高度测量范围时，无人机的飞行就变得非常危险，严重影响无人机在复杂地形条件下的应用，特别是固定翼型无人机。

3)运营成本较高。目前无人机航空物探的作业成本现在约为载人机航空物探的80%左右，主要是由于无人机的操作、维护人员相对较多，配件昂贵，不利于运行成本的控制。以国内彩虹-3无人机为例，地面飞控，维护、综保等人员约15人左右，虽然不需要花费高价聘请飞行员，但众多的地面人员也提高了运营成本。

4)安全飞行有待进一步提高。无人机起降有多种，中大型无人机主要采用成功率较高的轮式自主起降(如彩虹-3无人机)，而一些中小型无人机多采用弹射起飞撞网或伞降回收，成功率太低，一旦回收失败，无人机将硬着陆，不仅会造成无人机本身的损坏，机载的昂贵航空物探设备也难以保障，不可预期的风险成本大大增加。

5 无人机航空物探技术展望

随着经济持续快速发展，我国现有资源已经很难满足经济建设发展的需求，所以迫切需要寻找新的矿产资源。我国地域辽阔，地质条件复杂，很多有用的矿产资源大多分布在人迹罕至的山区、峡谷、荒漠等区域。由于山区地形复杂，交通不便甚至没有交通，导致地面物探工作往往很难开展。而无人机作为一种成本低、操作灵活、无人员伤亡危险的高效空中移动探测平台，正好满足高效率资源勘查的需要，正越来越受到重视，无人机航空物探技术在技术水平与调查能力等方面将得到快速的发展。

1)无人机本身就是一个非常复杂的系统，任何一部分出现问题，都会影响无人机航空物探的应用效果。因此提高无人机续航时间、飞行控制和任务管理智能化、任务载荷重量等，特别是提高先进无人机的国产化、降低使用维护成本，是无人机能否成为广泛应用于地球物理探测平台的一个重要因素。

2)适合极端复杂地形的无人机航空物探系统将得到快速发展。现应用较成熟的飞行平台是固定翼无人机，以轮式自主起降居多，地形适应性差，对起降场地要求高，适合开展大面积的物探扫描工作。随着中大型无人直升机技术的不断成熟和成功试飞，由于其具有直升机的慢速、悬停、大角度转弯、对起降场地要求低等特性，特别适合在地形复杂的山区开展小面积大比例尺航空物探精细测量，更适应我国矿产资源主产区的地形环境特点。与有人直升机相比，也能大大降低勘查成本、提高效率，必将得到快速发展。

3)随着民用中大型先进无人机平台的成熟，无人机航空物探也将向着多参数的综合系统发展。基于大型无人机的航空电磁测量系统即将走向应用，通过不断的集成、整合，将形成无人机航空物探多参数综合勘查系统。随着技术的不断成熟，甚至无人机航空重力勘查系统也有可能得到发展，这将大大推动相应技术在找矿和地学研究中的应用。

4)无人机航空物探作为航空物探的一个特殊分支，有其特殊性，随着应用示范的不断成功，正逐步走向广泛应用，但无人机航空物探尚缺乏相应的技术指南或规范可依。加快制定并发布有针对性的行业规范或技术指南成为紧迫工作。

无人机航空物探技术必将得到广泛地应用，应用领域将不断扩大。在矿产调查、资源潜力评价、油气资源调查、危机矿山找矿、环境监测等领域中将发挥重要作用，为基础地学研究及资源环境调查提供高精度航空物探数据资料及解释成果。

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The R&D application of UAV airborne geophysical survey and its development trend

CUI Zhi-qiang,XU Zhi-li,LI Jun-feng,LI Fei,GAO Wei-dong

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

The lack of flight platform is one of the main bottlenecks in the acquisition of geophysical prospecting data in complex terrain conditions in China.As a low-cost,flexible operation,and no casualties of the air mobile detection platform,the UAV just to meet the needs of high efficiency resource exploration.In recent years,domestic and international geophysical prospecting flight platform had made some achievements from the traditional man-plane to unmanned aerial vehicle.In this paper,the authors introduce the R&D application of UAV airborne geophysical exploration at home and abroad firstly.And then,the main advantages and disadvantages of the UAV-airborne geophysical exploration currently are analyzed.Finally,the paper analysis and forecast of the development of UAV airborne geophysical prospecting.

anmanned aerial vehicle(UAV); airborne geophysical survey; R&D application

2015-09-14 改回日期：2016-09-13

中国地质调查局项目(12120115039501)

崔志强(1981-),男，硕士，工程师，从事航空物探资料综合解释及研究工作，E-mail：cuizhiqiang@igge.cn。

1001-1749(2016)06-0740-06

P 631.2