自主技术无人机航空物探（磁／放）综合站

2014-05-23

无人机航空物探技术具有成本低、灵活性高、适合小面积大比例尺航空作业等特点和优势，是资源环境勘查领域急需的高新技术。进入二十一世纪后，国外先后有英国Magsurvey公司的PrionUAV无人机航磁系统（2003年）、荷兰Fugro辉固公司Georanger（2004年）、加拿大万能翼地球物理公司的无人机航磁系统（2005年）、加拿大卡尔顿大学Geosurv 无人机航磁系统（2009年）、日本无人直升机航磁系统（2012年）等无人机航空物探设备问世，在矿产勘查、UXO探测、环境监测等领域得到了广泛应用和试验。

为满足我国地质普查和矿产勘查的需要，中国地质调查局于2013年立项并启动了无人机航空物探（磁／放）综合站研发及应用试验研究项目，由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所（物化探所）、核工业航测遥感中心（核航遥）和航天空气动力技术研究院（航天十一院）承担实施。项目组在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、无人机磁补偿等核心和关键技术研发方面取得突破，研制成功了一套基于国产彩虹3长航时中型无人机平台的无人机航空物探（磁／放）综合站，并在国内开展了1:5万无人机航空物探（磁/放）综合勘查面积性应用试验，综合站的稳定性、可靠性、探测性能得到了全面验证。

1．无人机物探勘查改装技术取得关键突破

创新设计了无人机航空（磁／放）系统的气动布局和气动外形。基于国产彩虹3长航时固定翼无人机平台，在理论计算、数值模拟和气动特性分析的基础上，结合气动力性能和配平特性分析、结构强度仿真计算、振动分析和风洞试验等技术手段，克服了机舱容积有限的问题，创新性地设计了综合测量系统的初始气动布局及气动外形，在确保飞行安全和气动稳定性的同时，满足了航磁和航放设备搭载的需求。

突破了无人机超低空飞行控制与地形跟随技术。面向航空物探作业的低空、地貌复杂、机动性强等要求，解决了低空飞行控制律建模和仿真问题，研发了基于高精度DEM数据的三维航迹规划技术，掌握了高精度飞行控制技术，成功实现超低空地形跟随飞行，突破了无人机在航空物探应用中超低空飞行测量的技术瓶颈。

全自主飞行及夜航技术取得突破。为合理使用空域、提高飞行效率、降低作业成本、提高数据质量，充分体现无人机全天时、安全高效的优势，研发了远程测控基站和自适应信息处理软件，通过试验验证探索了夜航探测技术，成功实现了航空物探的夜间测量作业，极大程度地提高了飞行效率，降低了飞行成本。夜间测量磁日变及干扰小于白天，非常有利于获取高质量的航磁数据。

2．集成了无人机航空物探（磁／放）综合站

集成研发了适于无人机搭载的航磁仪器系统。针对航磁仪与无人机平台数据接口不兼容的难题，研发了数据链路接口转换软硬件及测控软件，解决了航磁仪的遥测遥控问题；针对无人机与有人机机动控制的差异，制定了一套基于无人机的磁补偿方法，解决了无人机磁补偿机动动作不规范等难题，成功开展了无人机磁干扰补偿标定，使无人机磁测系统具备了高精度磁测能力。

集成研发了高度集成化的航放测量仪器系统。针对无人机商载有限的问题，突破了无源自动稳谱技术，去除了晶体恒温装置，大大降低商载和供电需求；研发了高度集成化航空伽玛数据采集模块和遥测遥控软件，成功集成了国内首套适用于无人机的无源自动稳谱航空伽玛能谱仪，具有完全自主的知识产权。

集成了国内外首套无人机航空物探（磁／放）综合站。通过电气隔离、电磁屏蔽、磁干扰抑制、数据链路融合等技术手段的应用，解决了电磁兼容、数据传输、信息处理等关键问题。基于彩虹无人机平台，集成开发出世界首套无人机航空物探（磁／放）综合测量系统，通过大量系统飞行调试和测试，初步具备了开展航空物探试生产测量试验的能力。

3．成功实施了无人机综合测量应用试验

在多宝山试验区成功开展了面积性的无人机磁放综合测量试验。结合无人机航空物探测量系统的特点与航空磁测技术规范的要求，初步制定了一套野外作业流程和作业方法。不同气象条件下共完成7架次40多小时无故障飞行，完成1:1万（飞高180米）和1:5万（飞高120米）大比例尺测量工作2980千米测线。

无人机实施了昼、夜飞行，严格按照设定飞控参数沿地形起伏飞行测量，不会产生有人驾驶飞机因飞行员疲劳注意力下降造成飞行质量下降的情况。系统的高精度飞行控制及地形跟踪能力得到有效验证，平均偏航距小于±10米，高度偏差小于±20米，为高质量航磁、航放数据的获取提供了可靠保障。

基于高精度磁测数据绘制的基础图件与有人机航磁相比具有较好的一致性，磁测总精度不足导致的条带状分布现象得以改善，微弱异常的细节更加清晰连贯，凸显了高精度大比例尺勘查的优点。

对多宝山地区航空放射性测量数据进行了初步处理，获得了总道（TC）、K、U、Th四种等值线平面图。和有人机飞行数据进行了对比，两者飞行测线方向不同，搭载晶体数量不同，但反应出该地区的放射性分布状况基本吻合，无人机测量数据能够反映出已知K异常的存在。

研究员团队在地质调查项目资助下，突破了气动外形设计、电磁兼容、遥测遥控、高精度磁测、高精度地形跟随飞控等关键技术，解决了无人机航空物探超低空飞行测量的技术瓶颈，在国产彩虹3无人机平台上成功集成研发了首套无人机航空物探（磁／放）综合测量系统，成功开展面积性的无人机航空磁／放综合测量应用试验，获得高质量的航磁和航放数据，全面验证了样机的稳定型、可靠性和适应性，整体性能达到国内领先水平，为研制实用化的地质调查和矿产勘查无人机（磁／放）勘查技术装备奠定了坚实基础。

主持人简介

李文杰，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所航空物探研究室副主任，教授级高工，博士，主要从事航空物探仪器研发和应用技术研究工作，负责无人机航空物探（磁／放）综合站方案设计、集成调试、项目协调。承担完成了中国地质科学院重点项目“三频航空物探（电／磁）综合站研制——微机光盘数据收录系统研制”课题，中国地质调查局“大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统研制方案研究”、“频率域航空电磁异常筛选及圈定技术研究”、“固定翼时间域航空电磁测量系统应用试验”等项目，主持完成Y12II航空物探（电／磁／放）综合站集成研制，研制了AEM2004三频航电数据处理软件，创新研究并填补了三频航电数据二维自动调平、异常自动拾取及辅助识别等技术空白，提高了频率域航空电磁数据的处理质量和效率。担任“十一五”国家863计划重大项目“时间域固定翼航空电磁勘查系统研发”课题第二负责，全面负责仪器硬件系统研发工作，获2011年度中国地质科学院“十大科技进展”奖，研发的时间域固定翼航空电磁勘查系统样机填补了国内空白。2013年至今担任“十二五”国家863计划主题项目“固定翼时间域航空电磁系统实用化”课题组组长。

李军峰，物化探所教高，博士，负责无人机航磁方案设计、系统集成、综合站调试及应用试验试飞。参加了地科院重点科研项目《三频航空物探（电/磁）综合站研制》，独立完成三频航空电磁发射系统研制子课题。主持完成Y12三频航空电磁系统改装；任项目第二负责承担并完成“大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统研制方案研究”项目。任负责承担所长基金“频率域航空电磁系统中试与应用”项目。担任十一五国家863计划重大项目“时间域固定翼航空电磁勘查系统研发”课题组第四负责人，负责发射分系统研发，该课题获2011年度中国地质科学院“十大科技进展”奖。

刘世凯，核航遥高工，负责无人机航放方案设计、系统集成调试及应用试验。主要从事物探设备维护、维修与开发工作。先后主持完成CDAS-1航测数据收录系统、航空伽玛能谱仪数字控制自动稳谱装置、GR-820航测系统配套应用软件、CDASNT航空测量数据收录系统、数字航迹录像系统、车载伽玛能谱测量系统、GP300航空物探测量数据打印系统等项目的研发工作。成功研制EH-4电法仪主要配套部件“Buffer”线，主持集成了703-Ⅰ型核应急航空监测系统。主持了国家“863”计划重大项目《航空伽玛能谱勘查系统研发》项目之《航空伽玛能谱勘查系统的集成与测试》子课题的系统集成工作。

周乃恩，航天十一院特种飞行器总体技术设计部五室主任，高工，负责无人机改装方案设计、系统集成调试及试飞。无人机应用与指挥控制技术专业，长期从事飞行器总体设计工作，主要研究无人机系统应用、任务载荷应用、指挥控制技术。先后参与完成了军口863、总装探索一代、总参预研、空军预研及无人机装备研制等系列科研项目，在军用无人机应用领域主持完成了光电侦察、雷达侦察、电子战、通信侦察、察打一体无人机应用系统研制，其中CH-3无人机项目获得“国防科学技术进步奖”二等奖。在民用应用领域主持完成了航磁航放综合探测系统、应急卫星通信系统、三维影像探测系统等系统研发及市场应用。突破了无人机超低空沿地形起伏飞行等多项技术关键技术，该三各项目均是全球首次应用，技术水平国际先进。工作期间共获得国防发明专利授权4项，实用新型专利授权1项。