论文专区▏无人机海洋航磁测量技术进展与展望 - 什么是海洋测量技术

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一、引言

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海洋磁场信息不仅是进行海域地质调查与资源勘探的重要资料，而且在水下磁性目标探测、地磁匹配导航、反潜探潜等军事应用中具有重要作用[1-5]。当前，海洋磁力测量根据作业平台不同，主要分为船载磁力测量和航空磁力测量两种作业模式。船载磁力测量能够获取高精度、高分辨率地磁信息，并且可用于水下磁性目标探测作业，但由于作业效率低，只能满足我国局部重点海区的高精度测量作业要求。航空磁力测量能在短时间内获取大面积磁测信息，具有作业成本低，耗费时间短，劳动强度低，综合效率高等居多特点，由于飞行高度较高，续航能力有限，仅能获取大尺度地磁信息，同时难以满足远海测量作业需求。航空磁力测量和船载磁力测量互为补充，满足不同任务需求[6]。随着无人机平台技术的逐步成熟，陆地无人机航空磁力测量技术得到迅猛发展，并逐步走向成功应用，基于无人机平台的海洋航空磁力测量也渐渐成为研究的热点，有望成为一种新的海洋磁测技术手段。由于无人机海洋磁测受作业环境限制，特别是降落回收，相对于陆地无人机磁测来说难度较大，严重制约了陆地无人机航磁技术向海洋磁测的推广[7]。

二、无人机海洋航磁测量技术进展

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⒈ 国外无人机海洋航磁测量技术进展

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21世纪以来，国外陆地航空磁测技术得到全面发展，建立了较完备的测量体系，并成功应用于商业领域，但无人机海洋航磁技术难度较大，目前还只有少数公司具备技术实力。

21世纪初，国外有几家公司尝试利用无人机（UAV）开展海洋航空磁测商业飞行。加拿大Fugro航空测量公司2003年与设计制造UAV的美国Insitu公司合作，制成航磁UAV系统—GeoRanger。该系统飞行航速75km/h，能持续飞行超过10小时，系统配备Scintrex CS-3S铯光泵磁力仪、TFM100三分量磁通门磁力仪和雷达测高仪。2005年在加拿大魁北克加佩斯附近的圣劳伦斯湾海面上进行了首次商业飞行，完成13000km测线里程的磁测任务，并于2006年在加拿大和澳大利亚飞行10万km测线里程。该UAV航磁系统翼展3m，重18kg，巡航速度100km/h，采用小支架发射和回收，收发场地可选择在测区附近的荒地或船只上。该公司于2006年4月13日成功取得世界知识产权协会颁布的“一种用于地球物理测量的无人机”专利；2008年5月29日，该公司又获得了美国专利 [8]。

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英国Magsurvey有限公司2003年成功研制了Prion UAV航空磁测系统，主要用于陆地航空磁测。该系统机身长1.8m，翼展3m,系统最大长度为3.2m，可以携带1个铯光泵磁力仪(也可以在翼尖安装2个铯光泵磁力仪以进行梯度测量)、1个激光高度计、实时DGPS和1个3轴磁通门磁力仪。可采用轨道或弹射器发射，发射台具有可折叠功能，便于运输[9]。

加拿大UWG（Universal Wing Geo-physics)公司2004年推出了UAV 航磁系统，成功完成了650km的陆地磁力测量任务。2005年进行了测试和完善，在位于北极的Diavik钻石矿区进行了飞行测量，数据质量与传统方法处于同等水平，随后又完成了2次商业测量任务[6]。该系统装备有铯磁力仪、GPS、激光高度仪和磁通门磁力仪，可以在行驶的交通工具上发射，也可以在跑道上起飞，在离地40～80m的高度进行网格测量，测区最远可达100km。

2007年9月，美国爱达荷国家实验室（INL，Idaho National Laboratory）牵头，组织Geometrics公司、美国工程兵部队、环境工程评估实验室等单位，对无人机航空磁力测量系统的可行性进行了论证[10]。论证组采用Geometrics公司生产的G823A航空磁力仪，以雅马哈-X直升机作为飞行平台，研制了一套无人直升机航空磁目标探测系统。

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2009年，美国海军在波音公司“扫描鹰”无人机上装备磁异常探测器（MAD），用于低空探测和跟踪潜艇试验，同时可以进行航空磁测。磁异常探测器常安装于反潜巡逻机尾部，美海军称之为“磁鹰（Mag-eagle）”。“扫描鹰”无人机长4英尺、翼展11英尺，续航时间为14-24小时，可从地面和船载平台弹射，也可由P-3C和P-8反潜机的发射管发射。

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在航磁系统及补偿技术方面，近年来发展迅速，软补偿技术逐渐成为磁力测量补偿方法的主流，已经形成了非常实用化的商用产品，比较突出的是加拿大RMS公司和PICO ENVIROTEC公司（Pico Envirotec Inc.)以及前面提到的Geometrics公司。磁补偿的基本原理都是通过飞机在东、南、西、北4个方向上做俯仰、横滚飞行，记录磁总场和三轴矢量磁力数据计算出磁补偿系数（9，16或18），从而对后续飞行进行实时软补偿。2006年上半年，加拿大RMS 仪器公司[11]开发出集数据采集与磁补偿于一体的DAARC500型航磁补偿系统，在载人飞机上得到大面积成功应用。为了满足无人机航磁测量的需求，RMS公司成功研制出AARC510航磁采集补偿系统，重量4.5kg，最高输出10Hz。加拿大PEI公司[12]是航空和地面物理探矿、油气勘测的相关设备制造商，针对直升机研发了高精度磁测系统HELIMAG，针对固定翼飞机研制了AIRGRAD磁测系统，实现了高精度航空磁力测量和补偿。由于体积和重量的原因，该系统目前还不能用于无人机航空磁测。此外，加拿大GEM公司在传统磁力仪的基础上推出了适用于无人机航磁测量作业的小型化测量系统，传感器重量0.65kg，绝对精度在0.05nT[13]。

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⒉ 国内无人机航磁测量技术现状

国内陆地无人机航磁测量总体起步较晚，但发展迅速，也取得了长足的进展，在陆地磁测方面基本保持了与国外的同步水平，但在海洋磁测、磁力传感器、航磁实时补偿技术等方面与国外还有一定的差距。

⑴国内陆地无人机航磁测量技术现状

2009年10月16日，我国第一套无人机陆地航磁探测系统在内蒙古赤峰市敖汉旗贝子府地区进行了首次试飞，并取得了成功[14]。该系统由中科院遥感所牵头，中科院大气物理所、电子所、地质与地球物理所及北京大学现代物理中心等多家单位共同承担。有效载荷30kg。2011年4月，通过对原有系统优化升级，成功实现了“一站三机”飞行控制。

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所牵头研发了一套基于无人机的航空物探综合站勘查系统，在黑龙江省嫩江县多宝山整装勘查区开展了180m飞行高度1:1万比例尺以及120m飞行高度1:5万比例尺的无人机磁放综合测量，飞行总测线2980km，取得了高质量测量数据[15]。试验证明，系统续航能力超过7h，航程超过1400km，可在4～5级风的条件下实现起降和超低空作业，测线偏航距保持在10m以内，未调平数据的磁测总精度为2.77nT，并与该区域常规航空磁测结果一致。

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⑵国内海洋无人机航磁测量技术现状

受制于海洋磁测环境限制，我国海洋无人机航磁测量技术发展总体落后于陆地无人机磁测，目前还没有真正用于船载的无人机航磁测量系统，相关的无人机平台主要依赖陆地起降，难以满足远距离磁测任务。

国家海洋局第一海洋研究所2007年依托国家863计划成功申报了“基于无人机的海洋航空磁力探测系统研制”项目。2013年，联合潍坊天翔航空公司，利用V750双座直升机进行无人机改造，加装国产磁力仪及补偿系统完成了400km测线里程的海洋岸线附近地区无人机航空磁测试验。国土资源部航空物探遥感中心在大型飞机的航空磁力测量方面具有丰富的实践经验。为应对繁重的海洋航空磁测任务，2012年，航遥中心开始启动“无人机航磁测量系统的研制与试验”项目，并由西北工业大学第365研究所负责无人机平台的设计和集成工作[16]，目前正计划在沿海地区开展无人机飞行测试。2013年底，海军海洋测绘研究所联合中船重工715所，在天津大港海滨区域开展了基于无人直升机的海洋航磁测量试验，并利用水面无人船进行同步磁力测量作业进行检核验证，提出了基于小型单双坐载人水上飞机进行无人机改造的设想，并成功取得技术新型专利。

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⑶国内航磁传感器及补偿系统技术现状

在航磁传感器及补偿系统开发方面，中船重工715所瑞声海洋仪器公司依托863课题“适用于无人机的小型航空磁力仪系统”，研制开发出了RS-HGB10系列航磁测量产品，并在小型无人直升机、动力三角翼飞机、贝尔直升机[17]上得到了良好应用。航空物探遥感中心先后成功研制HC-90K和HC-2000型航空氦光泵磁力仪及多通道航磁数字补偿仪和数据收录系统，并在空中国王350ER、Y-12飞机、赛斯纳等多型飞机上得到成功应用，并于2012年启动适用于无人机作业的航磁系统研制工作。此外，中国科学院空间科学与应用中心正在依托国家高分专项开展高精度航空磁力矢量测量技术研究，海军工程大学、上海通用卫星导航技术有限公司在航磁补偿方面均取得相关研究成果[18]。

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三、无人机海洋航磁测量技术的难点及下一步方向

开展无人机海洋航磁测量的关键是无人机平台，而无人机平台要实现中远海磁力测量只能选择陆地长航时无人机或者舰载无人机。在现有无人机航磁系统的基础上，基于陆地长航时无人机平台实现中远海磁力测量功能难度不大，但远距离监控和数据传输难度较大，通常需要中继站，海上实际作业可行性大打折扣。由于舰载无人机能够随船配备，具有机动灵活、操纵方便、远距离作业等技术特点，随着我国海洋磁测从近海转向中远海，舰载无人机海洋航磁测量必将成为下一步的发展方向，并逐步与侦察系统融合，向多要素、模块化、智能化方向发展。要实现舰载无人机的磁力测量作业，必须要解决以下几个方面的问题：

⑴舰载无人机的起降问题

舰载无人机的起降是困扰无人机应用的一个突出问题，无人机的损毁事故80%发生在起降阶段。固定翼飞机通常采用短距离起飞或导轨发射起飞等方式，但这种方式对场地空间要求较高，小型舰船平台难以满足；回收通常采用伞降、撞网或挂索回收，过程复杂，操作控制难度大，容易造成损坏。旋翼或直升机能够实现垂直起降，具有极大的优越性，同时也是国外海军舰载无人机的主要选型和发展方向，但需要配备一套昂贵的辅助系统。出于舰船自身的安全考虑，基于水面起降的无人机是解决舰载无人机起降的一种有效方式，但是需要解决无人机的吊放和回收问题，可基于现有单座或双座商用水上飞机进行无人机改造实现。

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⑵系统电磁干扰问题

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无人机在起降和作业过程中，需要接受指令完成相关任务，当受到遥控指令、卫星导航信号、数据链以及舰船自身电磁发射源等多种干扰时，容易失去控制，甚至导致无人机自毁现象，因此，针对舰船电磁环境及多种干扰源设计无人机的飞行控制系统是无人机实际应用必须考虑的因素，也是无人机系统上舰的基本要求。

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⑶远距离测控与大信息传输问题

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实时获取无人机位置、姿态、动力、图像、测量等工作状态，对无人机进行监控，需要依赖远距离、大带宽通讯系统和数据链路，研制远距离、大带宽数据通讯系统，发展一站多机式数据链路系统，是实现无人机规模化应用的必要条件。

⑷航空磁力测量系统的小型化与模块化

无人机实际载荷与续航时间、可操作性等息息相关，特别是对于载荷有限的无人机平台，设备小型化是其发展的必然要求；未来，无人机平台必将是一个多任务系统，具备多要素的同步获取能力，模块化配置是满足这一需求的有效途径。

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四、结束语

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当前，国内基于无人机的陆地航磁测量基本成熟并保持与国外的同步发展，并在工程作业中得到成功应用；而无人机海洋航磁测量还处于研究阶段，且主要针对陆地起降无人机平台，基于舰载的无人机平台作业模式还处于跟踪探索阶段，距离国外还有较大的差距，无人机舰载回收一直是制约舰载无人机实际应用的瓶颈问题。由于舰载无人机能够随船配备，具有机动灵活等诸多优势，必将成为今后无人机海洋测量的发展方向。无人机海洋航磁测量只是无人机平台在海洋上的一个应用方向，考虑到对海洋环境多要素的获取需求，无人机在海洋上的应用必将向多要素、模块化、智能化方向发展，开展基于舰载无人机的实时多要素获取能力建设是下一步开展跟踪研究的重点，而利用现有单座或双座商用水上飞机进行无人机改造是实现这一目标的有效手段。

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【作者简介】第一作者吴太旗，1978出生，男，湖北黄梅人，工程师，博士，主要从事海洋重磁测量数据处理及应用技术研究；本文为基金项目，包括国家重大海洋勘测专项资助项目（4200301）和国家自然科学基金项目（41374018，41174062、41074002）；本文来自《海洋测绘》（2017年第6期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

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