· 文|中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 何成龍

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

· 文|中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 何成龍

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的基本組成之一，是實(shí)現(xiàn)土壤及作物監(jiān)測(cè)、農(nóng)機(jī)定位與自動(dòng)作業(yè)的基礎(chǔ)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度的要求不斷提高，依靠衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)分米級(jí)至厘米級(jí)的定位精度成為未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的基本保障。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，北斗系統(tǒng)已可提供可靠的無源定位服務(wù)，可滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用對(duì)高精度定位、低成本化等需求，具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和潛力，是未來我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的核心組成。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 高精度定位 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將導(dǎo)航、通信與自動(dòng)化控制技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行田間管理，針對(duì)田間具體環(huán)境與作物狀況因地制宜，精細(xì)準(zhǔn)確地開展施肥、施藥等土壤管理及播種、收割等作物管理措施。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的為降低產(chǎn)業(yè)投入條件下獲取更優(yōu)的產(chǎn)出，提升作物產(chǎn)量和質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、管理信息系統(tǒng)及自動(dòng)化控制等技術(shù)[2]（圖1）。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩方面：農(nóng)業(yè)信息的定位，包括農(nóng)業(yè)土壤及作物監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確定位等，便于分析處理和決策；農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航控制，包括田間作業(yè)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航駕駛與作業(yè)控制等，提高農(nóng)機(jī)的工作效率。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供免費(fèi)、實(shí)時(shí)的無源定位服務(wù)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能控制提供導(dǎo)航定位信息。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步建設(shè)，北斗將成為我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的核心組成之一。

圖1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)組成

一、 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在國外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

近20年來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在國外得到了快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、自動(dòng)化、精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，獲得了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

20世紀(jì)80年代美國提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的構(gòu)想，1995年美國在聯(lián)合收割機(jī)上裝備GPS，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化作物收割應(yīng)用，標(biāo)志著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的誕生[3]。在隨后的發(fā)展中，利用GPS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化機(jī)械的結(jié)合逐漸實(shí)現(xiàn)了播種、收割、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)作業(yè)的精細(xì)化，大大降低了大面積作業(yè)下的人力和資源投入，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)收益。

歐洲、北美、澳大利亞、日本等多個(gè)國家相繼開展本國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，并基于衛(wèi)星導(dǎo)航、微機(jī)械慣導(dǎo)（MEMSINS）等技術(shù)發(fā)展相應(yīng)的自動(dòng)化農(nóng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)生產(chǎn)，如無人播種機(jī)、無人駕駛拖拉機(jī)等。

目前，國外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普遍基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。伴隨著自動(dòng)化農(nóng)機(jī)和飛行器材的應(yīng)用，需要GPS接收機(jī)提供分米級(jí)至厘米級(jí)的定位精度。DGPS（差分GPS）得到了普遍應(yīng)用，依靠載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)可為農(nóng)機(jī)提供可約達(dá)2cm的定位服務(wù)。

二、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)定位精度的需要

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度的需求與作物種類和作業(yè)方式高度相關(guān)，但隨著定位性能的提升投入成本也迅速增加，圖2為精度需求和成本間的大致關(guān)系。

針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品普遍集中在2～5m定位精度范疇[4]，這是由于接收機(jī)設(shè)計(jì)可在適度增加成本的基礎(chǔ)上基于多種改進(jìn)算法達(dá)到比普通接收機(jī)更優(yōu)的定位性能，且5m的定位精度可顯著提升人工作業(yè)效率，如人工操作機(jī)械收割或航空噴灑等應(yīng)用，對(duì)于中小型農(nóng)田作業(yè)具有良好的成本和效率優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于特大型農(nóng)田，需要最大程度地降低人力投入和提升作業(yè)效率與質(zhì)量，以提升作物產(chǎn)出，精細(xì)至2～20cm的播種與收割需要自動(dòng)化農(nóng)機(jī)完成，在這種條件下對(duì)于特大型農(nóng)田采用DGPS的成本投入相對(duì)于產(chǎn)出仍具有良好的適應(yīng)性。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的總體發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)、自動(dòng)化作業(yè)，為了提升精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水平，推廣DGPS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，國外相關(guān)廠商正在逐步降低差分系統(tǒng)的成本，以適應(yīng)各類農(nóng)田特別是大中型農(nóng)田應(yīng)用對(duì)成本的需求。

圖2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)定位精度需求

三、 北斗系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用分析

1. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前北斗二代系統(tǒng)已可為中國及周邊區(qū)域提供免費(fèi)的無源定位服務(wù)，北斗已具備為我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)的能力。

相對(duì)于國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

（1）信號(hào)覆蓋能力好

北斗系統(tǒng)特有的GEO+IGSO+MEO星座分布使得衛(wèi)星更多地分布在東經(jīng)84°～160°區(qū)域，隨著北斗二代系統(tǒng)的進(jìn)一步建設(shè)，北斗在中國區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星可見性優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步體現(xiàn)。北斗信號(hào)具備更優(yōu)的信號(hào)覆蓋性能，使得復(fù)雜地形等遮蔽環(huán)境下具有更多的可用信號(hào)，能夠依靠北斗實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定位，更好地滿足這些地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)衛(wèi)星定位連續(xù)性和有效性需求。

（2）提供三頻定位，提高定位精度

北斗已可為民用用戶提供B1/B2/B3 3個(gè)頻點(diǎn)的定位服務(wù)，分別為1561.098MHz、1207.14MHz、1268.52MHz。對(duì)于單點(diǎn)定位，三頻有助于將空間導(dǎo)航信號(hào)傳播的電離層誤差更好地消除，以獲得精度更優(yōu)的定位性能；對(duì)于載波相位測(cè)量，北斗的三頻可獲得更優(yōu)的寬巷效應(yīng)，有助于整周模糊度的快速收斂，獲得更快的定位速度。

（3）提供短報(bào)文通信能力

北斗獨(dú)具RDSS短報(bào)文通信服務(wù)能力，無需地面通信基站，可滿足遠(yuǎn)程通信及偏遠(yuǎn)地區(qū)通信的應(yīng)用；通信成本低，容量大，通常一部RDSS指揮機(jī)可與數(shù)百臺(tái)流動(dòng)站間進(jìn)行通信，通信成本費(fèi)用低廉，對(duì)于以長期、頻繁、單次信息容量小為主要通信特點(diǎn)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，通信成本遠(yuǎn)低于地面移動(dòng)通信。

2.北斗在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用模式

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用需要與我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)相結(jié)合。受經(jīng)濟(jì)水平、人口密度和耕地分布的影響，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在我國農(nóng)業(yè)體系中所占比例相對(duì)不高，技術(shù)推廣率低，特大型及大型農(nóng)田較少，因此我國尚不能大范圍采用全自動(dòng)化農(nóng)機(jī)，人工操作機(jī)械仍為主要作業(yè)工具。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用可包含兩種應(yīng)用模式，一種為面向無人作業(yè)應(yīng)用，采用差分定位體制，應(yīng)用于特大型及大型農(nóng)田；一種為面向輔助作業(yè)應(yīng)用，采用高精度接收機(jī)體制，應(yīng)用于大中型農(nóng)田。其中無人作業(yè)應(yīng)用的模式如圖3所示。

在圖3中，地面設(shè)備包括一個(gè)北斗地基差分站；裝備有北斗差分接收機(jī)的自動(dòng)化農(nóng)機(jī)；用于作物和土壤監(jiān)測(cè)中定位的移動(dòng)差分接收機(jī)；用于處理分析信息并生成決策的控制中心。北斗差分站接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，并向服務(wù)區(qū)內(nèi)播發(fā)差分信息，差分接收機(jī)接收空間導(dǎo)航信號(hào)和差分信號(hào)來定位；對(duì)于自動(dòng)化農(nóng)機(jī)，在接收到控制中心的決策后根據(jù)自身定位數(shù)據(jù)按照規(guī)劃的軌跡行駛，并根據(jù)任務(wù)決策在不同的作業(yè)區(qū)域調(diào)整作業(yè)強(qiáng)度，如噴淋流量、播種密度等，并實(shí)時(shí)通過地面通信/RDSS通信將自身的定位信息傳遞至控制中心；對(duì)于作物及土壤監(jiān)測(cè)，在開展監(jiān)測(cè)時(shí)通過差分接收機(jī)將定位信息發(fā)送至控制中心以便于分析處理。通常，一臺(tái)差分站可實(shí)現(xiàn)數(shù)十千米內(nèi)的差分接收機(jī)達(dá)到分米級(jí)至厘米級(jí)的定位精度。

輔助作業(yè)應(yīng)用模式如圖4所示。

圖3 北斗在無人作業(yè)中的應(yīng)用

圖4 北斗在輔助作業(yè)中的應(yīng)用

與無人作業(yè)應(yīng)用的主要不同包括以下幾點(diǎn)：系統(tǒng)不包含地面差分站；接收機(jī)為基于算法改進(jìn)的高精度接收機(jī)；可包含有控制中心及相應(yīng)的通信鏈路，但也可依靠作業(yè)前規(guī)劃來取代。從系統(tǒng)性能上，作物及土壤的監(jiān)測(cè)精確度下降，但仍可滿足一定程度上的信息分析；若以作業(yè)前規(guī)劃的方式，則對(duì)農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)整能力相對(duì)較差；對(duì)于農(nóng)機(jī)，受限于定位精度仍需要人工的參與，但借助于定位信息可大大提高作業(yè)的準(zhǔn)確性和效率。

3. 北斗導(dǎo)航裝備與自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的整合

自動(dòng)化農(nóng)機(jī)是無人自動(dòng)化作業(yè)主要實(shí)現(xiàn)載體，RTK定位是自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的基本技術(shù)之一。

自動(dòng)化農(nóng)機(jī)作業(yè)包括自主駕駛和自主作業(yè)兩部分，自主駕駛是指按照規(guī)劃的軌跡自動(dòng)完成運(yùn)行和速度控制，自主作業(yè)是指在指定區(qū)域開展指定種類和強(qiáng)度的作業(yè)活動(dòng)。達(dá)到這一目標(biāo)需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、測(cè)向測(cè)姿、變量控制、自動(dòng)駕駛和有效通信等。對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航裝備，在自動(dòng)化農(nóng)機(jī)上的作用體現(xiàn)在三個(gè)方面：一為通過北斗RDSS通信實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)和管理中心間的信息交互，滿足指令的傳遞和信息反饋；通過北斗RTK接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位，為運(yùn)行和作業(yè)自動(dòng)控制提供基本位置信息；通過北斗RTK多天線方式提供基本測(cè)姿測(cè)向數(shù)據(jù)，并和低成本MEMS進(jìn)行信息融合，為自動(dòng)化農(nóng)機(jī)設(shè)備自動(dòng)控制提供測(cè)姿測(cè)向信息。

通過通信、導(dǎo)航定位、自動(dòng)控制的整合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的自主駕駛和自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

目前我國已具備可用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的北斗導(dǎo)航定位裝備，其產(chǎn)品特點(diǎn)如下：

·支持北斗/GPS雙模定位；

·支持單點(diǎn)定位/動(dòng)態(tài)RTK定位；

·支持基準(zhǔn)站/流動(dòng)站切換；

·信號(hào)種類：

GPS L1C/A, L2P（Y）, L2C；

北斗 B1I, B2I, B3I；

·單點(diǎn)定位精度：

水平1.8m 垂直3.6m；

·動(dòng)態(tài)RTK定位精度：

水平10mm±1ppm 垂直20mm±1ppm。

北斗高精度接收機(jī)與國外產(chǎn)品相比，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

1）達(dá)到國外GPS RTK產(chǎn)品的定位標(biāo)準(zhǔn)，定位精度可達(dá)厘米級(jí)，百公里內(nèi)達(dá)分米級(jí)；

2）支持北斗/GPS雙模多信號(hào)體制運(yùn)作，除可支持現(xiàn)有的DGPS工作模式外還可支持北斗工作模式，具有更強(qiáng)的工作能力；

3）支持單點(diǎn)定位，定位精度達(dá)到2～4m；

4）價(jià)格相對(duì)低廉得多，具有良好的應(yīng)用推廣能力。

四、總結(jié)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)用以提高作物產(chǎn)量、質(zhì)量和效益，對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。相對(duì)于國外GPS導(dǎo)航定位產(chǎn)品，北斗產(chǎn)品具備兩個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：

1） 自主化，不受限于國外技術(shù)壟斷，便于后期產(chǎn)品的維護(hù)、技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)品改造和集成。

2） 更優(yōu)的性價(jià)比，獨(dú)具三頻高精度定位能力和短報(bào)文通信能力，綜合性能達(dá)到過超或國外產(chǎn)品；成本相對(duì)低廉。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用推廣能力，對(duì)我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用推廣具有重要意義。

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