一、无人机低空航磁测量产业概述 

（一）无人机低空航磁测量技术概述 

航空磁力测量，又称航空磁测，是航空物探领域中使用最早、应用最广的一种磁测方法。该磁测方式最早可以追溯到第二次世界大战期间，是由于水下反潜需要而发展起来的一种技术，战后被应用于石油、天然气以及其它矿产勘探；航空磁测将磁传感器及其配套的辅助设备装载在飞行器上，通过探测由地下矿体磁性差异引起的磁异常，实现对石油、天然气等矿产资源的快速普查，在资源勘探和地球科学研究工作中发挥着重要作用，在军事国防领域也有着广泛的应用。

无人机(UAV)是一种有动力、可遥控和回收的飞行器，它能携带多种仪器设备和执行多种任务。无人机航空物探测量系统具有小型化、智能化、重量轻、尺寸小、费用低、续航能力强等特点，便于运输和使用，而且其机动性高，能在复杂地形区进行测量，并可以保持较低的飞行高度，目前已受到世界航空地球物理公司的广泛关注。

（二）无人机低空航磁测量产业特征分析  

时至今日，航空磁测已有70余年的发展历程。最初时期，航空磁测主要使用感应式磁力仪或磁通门磁力仪测量地磁总场强度(TotalMagneticIntensity，TMI)。后来为了消除区域磁场和随时间变化磁场的影响，提高磁测精度，研究发展了磁梯度测量，即利用光泵磁力仪测量地磁场模量的水平和垂直梯度。20世纪90年代中期以后，欧美等西方航空物探强国开始将注意力聚焦于航磁矢量测量。此后，航磁矢量测量相关理论技术得到了快速发展。纵观整个航空磁测发展史，其发展历程可分为三个阶段，如下表1.1.2-1所示：    

表1.1.2-1

航空磁测的发展经历了由传统的单一TMI测量到后来的TMI梯度测量，再演化为现在的磁矢量测量的过程。航空测磁的总体发展趋势由单一标量磁测对象转向多信息的矢量场或多参量测量，而三分量磁测即为当前航空磁测发展的主要方向之一。

而磁力仪作为航空磁测的心脏，其重要作用不言而喻，目前主要使用的航空磁测磁力仪为磁通门磁力仪、质子磁力仪(核子旋进磁力仪，欧弗豪泽效应磁力仪)、光泵磁力仪(电子旋进磁力仪)、超导量子磁力仪、原子磁力仪。高端的磁力仪已经被美国、加拿大、澳大利亚等技术发达国家列为军事装备，禁止对外出口，技术壁垒高度可想而知。为了充分发挥高精度测量仪器的作用，近几年来，各大地球物理测量公司都加强了相应的高精度数据采集系统及处理软件的开发力度。    

航空磁测飞行器载体的选取需要综合考虑以下几点因素：安全性、使用便捷性、成本以及负载续航能力。如表1.1.2-2列出了上述几种飞行器载体使用对比情况，从图中可以看出，固定翼飞机及旋翼直升机等有人机在负载和续航能力上较为突出，但该类飞行器对后勤保障有较高的要求，使用维护费用较高。相对而言，无人机可以通过地面远程操控，使用时更具灵活性。此外，地下矿体引起的磁异常随空间距离衰减较为严重，有人机飞行时需要保持一定的安全飞行高度，这无疑增加了磁异常探测难度。无人机可以根据预设的飞行路线进行超低空飞行。相比有人机，无人机载体具有智能化、成本低、安全性能高以及使用便捷等优点，可实现高海拔、远洋等复杂区域测量。因此，基于无人机平台的航磁测量为一个重要发展趋势。

表1.1.2-2

在测量定位方面，卫星定位系统不积累误差，适合长时间的定位任务，但是在短时间内的定位精度不及先进的惯导系统。较大尺度的航空磁测通常使用卫星定位，而小尺度的磁测任务则多采用卫星/惯导组合导航的方案。

航磁补偿技术经历了长时间的发展，从最初的“硬补偿”逐渐演化到现今的“软补偿”。硬补偿通过在传感器附近添加磁性源来抵消航磁干扰。固有磁场干扰可以用一个通有直流电的线圈来补偿；感应磁场干扰可以通过附加高磁导率材料大致去除；而涡流磁场干扰可以用一个闭合线圈来模拟。载体产生的干扰取决于飞行平台的类型和传感器的安装位置，因此硬补偿在每次飞行前都要进行大量的实地测量和调试，操作复杂，精度却较低，故而逐渐被软补偿方法取代。    

航空磁力测量属于高精尖技术，美国Geometrics公司推出的G-824A型航空铯磁力仪及以后的型号，主要技术指标：测量范围为20，000~100，000nT;灵敏度<0.3pT/√HzRMS，采样率为50Hz时90%的读数落在0.01nTP-P包络内，采样率为1000Hz时90%的读数落在0.1nTP-P包络内;采样率达1000Hz;方位误差为±0.15nT;绝对准确度<3nT。需要得到美国出口许可才可以购买，世界上目前有能力进行研发的只有中国以及美国、加拿大、澳大利亚、德国、日本、英国、法国、俄罗斯等一小部分发达国家，其余国家均需上述国家提供技术支持才能开展相关工作，但由于部分跨国能源垄断企业(例如BHP比斯顿公司、淡水河谷公司等)进行全球探矿工作，促进了全球航磁测量产业的发展。

二、全球无人机低空航磁测量产业发展分析  

（一）全球无人机低空航磁测量产业发展状况  

英国Magsurvey有限公司2003年报导了PrionUAV航空磁测系统，其机身长1.8m，翼展3m，系统最大长度为3.2m，可以携带1个铯蒸汽磁力仪(也可以在翼尖安装2个铯蒸汽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。PrionUAV是1个拥有通用机翼的组合式系统，可以用轨道或弹射器发射，并可以回收，其发射台具有可折叠功能，便于运输。

加拿大万能翼地球物理(UniversalWingGeo-physics)公司2004年推出了UAV航磁系统，2005年又对其进行了完善和测试，特别是通过替换全部铁质材料，采用了铝壳锂电池，将磁噪声水平减少到工业标准水平。该系统装备有铯蒸汽磁力仪、GPS、激光高度仪和磁通门磁力仪。只要有70km/h的任何一种交通工具，在移动200m左右的距离后，便可以应用一种特殊的装置发射该UAV系统。特殊定制的自动驾驶功能可以使该UAV系统在离地40~80m的高度进行网格测量飞行。该UAV系统的发射地方距测区最远可达100km，并能够在离地20m的高度掠地飞行。万能翼地球物理公司还对该UAV进行了特殊改装，使其能在–35℃以下低温和28kn以上大风环境下进行测量。2004年8月，用该UAV系统完成了650km的磁力测量任务。2005年，该UAV系统在位于北极的Diavik钻石矿区进行了飞行测量，其采集的磁数据的质量与传统方法采集的磁数据的质量相似，在金伯利岩上获得了明显的异常;完成了2次商业测量，即Vancouver岛的山区的小范围测量和加拿大西北地区NormanWells附近的测量工作。万能翼地球物理公司准备采用目前的配置取代地面磁测，以及起飞和着陆地适合UAV飞行的各种航空测量。    

通过研究和开发，Fugro公司2004年推出了高精度无人机航空磁力测量系统GeorangerⅠ，为沿海和远离机场地区的数据采集提供了一种安全有效的测量手段，也进一步增强了Fugro公司的航空测量能力。该UAV时速可达75km/h，能够持续飞行10h，并具有三维空间全自动飞行能力，可以在距测区很近的地方发射和回收。GeorangerⅠ采集的航磁数据质量较高，有时甚至好于固定翼飞机的标准。在定位准确性和升降速度方面远远超出了传统有人驾驶飞机所能达到的标准。2005年，Fugro航空测量公司又升级了Georanger高精度航空磁力系统。新的UAV具有3m翼展，重18kg，续航时间15h，巡航速度100km/h，采用小支架发射和回收系统，收发场地可选择在测区附近未经整理的荒地或船只上。Georanger技术的进步还包括地球物理数据和UAV姿态参数的连续遥测技术、自调节发射、回收和具有事后补偿的铯蒸汽磁力仪、自调节3D或沿地形起伏飞行能力、长程铱星遥控技术、雷达高度计，以及从单一地面控制站操作多个UAV的能力等。在魁北克Gaspé地区用Georanger进行了几次测量，取得了较好的效果。    

图1.2.1-1无人机航磁平台

在二十世纪八十年代以前，国外的航磁补偿系统以硬补偿为主。有代表性的产品有1960年代加拿大推出的AN／ASA-65(9)型半自动补偿器和美国人Passier发明的用于PR4-141飞机的方位函数补偿器。这一时期的硬补偿方法较为耗时，通常需要30~45分钟的现场测量与调试，而且补偿精度不高(0.1~1nT)。与此同时，美国、加拿大和法国的研究人员不断探索着航磁补偿的数值方法，前后申请了关于飞机恒定场补偿、感应场补偿、涡流场补偿以及总体干扰全自动补偿的多项专利。

数字航磁补偿仪的商业化始于1983年，当年加拿大Sonotek公司推出了世界上首台全数字全自动航磁数据采集与补偿系统，称为“自动航磁数字补偿器”(AADC)。该系统可以同时补偿多个磁力仪，补偿后总场剩余小于0.05nT(FOM)，总场梯度剩余0.09nT/m(FOM)。在AADC的基础之上，RMSInstruments公司进一步研制了第二代航磁数字补偿系统AADC-Ⅱ。图1.2.1-2展示了AADC-Ⅱ的外部构造，该系统可以以10Hz采样率采集20，000~100，000nT的磁场，分辨率为0.001nT；补偿后数据的标准差在0.035~0.08nT之间，改善率为10~20倍。完成补偿共耗时6~10min。    

图1.2.1-2

2006年，RMSInstruments公司进一步推出了DAARC500“数据采集与自适应实时航磁补偿器”，如图1.2.1-3它的各项指标与AADC-II相近，但是加入了自适应功能，简化了补偿飞行的流程，将补偿耗时减小到6~8min。DAARC500航磁数据采集与补偿系统DAARC500代表了世界先进水平，该产品也使得RMSInstruments公司在市场中长期处于主导地位。