#地球物理写华章#

（中国自然资源航空物探遥感中心 鞠 星，韩 松，郭 华，肖梦楚，张贺然）

航空物探的大部分作业均属于超低空飞行，安全风险极大。如若能够将无人飞行平台作为智能搭载平台执行航空物探任务，相会大大的降低作业的安全风险。实现这个技术，首先需有性能指标足够强大且能够满足航空物探作业需要的的无人机，彩虹4作为国产最为先进的无人机，使这一切变为了可能，通过一系列的改装实验，它已经能够成功变形成为航空物探无人机，安全的执行航空物探任务了。

在近十年的航空物探历史当中，安全作业成为了不可回避的问题，在不断完善航空物探技术，提升作业成果质量的同时，实现更安全、更科学的作业成为了目前航空物探领域在我国地质调查发展新形势下急需解决的问题。由于航空物探作业属超低空飞行，若想通过无人机进行作业，需要拥有具备高性能的国产无人机，才能解决这一问题，彩虹系列无人机的出现为这一切提供了可能。凭借在近几年在世界各地多次执行任务的优秀表现，其已成为世界公认的具备战斗能力的高性能无人机，在飞行性能上已经完全具备了航空物探作业的需求。因此将彩虹系列无人机进行航空物探变形，便成为航空物探领域的一次创新之旅。

航空物探就像给地球做CT的原理一样，如果把地球比作人体，那么地球内部的“地层岩石构造”就相当于它的“五脏六腑”，这些地层、岩石都有着各自的属性参数。航空物探就是以飞行器为载体，搭载航空重力、磁力、放射性和电磁等勘探设备，为地球做个CT，最终发现哪里可能有何种矿产资源。在航空物探飞行时，飞行高度越低，探测精度就会越高、勘探的效果就会越好。比如在开展地质调查工作时，“航磁”飞行高度的标准就限制在70米-1400米之间，属超低空飞行。此外，航空物探测量时还对飞行速度有限制，速度越慢探测精度也就越高。然而，如此慢速、超低空、沿地形起伏飞行对于飞行员和仪器操作员的生命安全会带来极大隐患。

如果说，飞行器不需要搭载人员就能完成航空物探作业任务，是不是作业安全问题就能迎刃而解了呢？所以，中国的航空物探无人机计划势必将走到台前来。它不仅仅要解决航空物探安全作业的问题，还要实现作业中更高精度、更高效率的突破。我国现拥有世界首套大型彩虹4物探专用无人机航磁全轴梯度测量系统。这套系统的研发还要从2017年说起，那时，我国自主研发的彩虹4号无人机已在世界各地的多次行动中享誉国际。优良的搭载性能使其具备了进行航空物探改装的基本条件，对航线精准的飞行控制力使通过其开展航空物探飞行成为了可能。本次航空物探作业与无人机的融合研究就是采用的彩虹4B无人机（图1）。

图1 彩虹4B无人机的技术指标

下图为磁水平梯度测量原理，其计算公式为公式（1）和（2）。根据彩虹4无人机的机体形状和全轴梯度测量公式的计算原理将相应的航空物探设备在相应的位置安装，并进行改装，使其能够科学的开展航空物探作业。航磁全轴梯度设计原理示意图见图2。

（1）

（2）

图2 航磁改装的设计原理示意图

有了航磁水平梯度系统计算改装原理作为理论依据，就可以将航空物探作业所需要的改装设备在彩虹4无人机上进行安装，改装后，飞机的重量和外观将会发生变换，但所有的指标都必须限制在安全飞机的控制标准之内（图3）。

图3 改装设备的安装分布图

设备改装完毕后，飞机需要在特定的区域进行地面静态测量，其目的是对设备是否能够正常使用的初期检测。其中航磁系统稳定性测试包括空中磁静态稳定性测试、一致性测试、探头转向差测试与阶跃响应测试，与其同时进行的还有GPS稳定性测试和数据采集系统错误码率测试。所有测试均通过方可继续下一步测试（图4）。

图4静态测量数据的提取

由于改装后使得飞机形态和重量都发生了改变，因此需要对飞机的飞行安全进行评估，测试的数据分为起飞、降落、平飞等5个阶段，每个阶段都需要达到安全指标，通过多次试飞的海量数据分析，彩虹4B无人机能够达到安全飞行标准，能够确保改装后的飞行安全（图5）。

图5 安全飞行测试内容

通过将获取的数据与有人机飞行数据进行对比，其完全能够达到航磁作业标准。经过一系列的考核，2019年彩虹4无人机航磁领域的应用通过了科技部专家评审。甚至获取的多项性能指标已经超越了有人机，其技术实力再次达到国际领先水平，标志着我国已经突破了原有的技术水平，实现了无人机在高原和远海开展大中比例尺、高精度航空地球物理测量工作的技术难关，从那一刻起，我国无人机航空物探飞行平台已能覆盖全国国土区域。（图6）。

图6 数据质量对比与分析

Fig.6Data quality comparison and analysis

在科技创新的引领下，可以预期，以无人机为平台的航空地球物理测量工作将建立新的研究方向，进一步把相关领域研究推上新高度。相信在不远的未来，搭载多种设备、数千公里作业效率的航空地球物理测量新装备将会在世界各地展示“中国制造”的魅力。