北斗地基增强系统在黑龙江精准农业中的应用

航天 · 2016-11-22 23:52:38

精准农业已成为现代农业的标志，而精准定位是其可行的关键。从精准农业含义出发，结合在黑龙江省哈尔滨市大用合作社的农业精准作业实践，阐明了北斗地基增强系统的典型工作原理。通过与传统单基站RTK模式的对比，分析了北斗地基增强系统的技术优势和先进性，指出了在精准农业生产中推广北斗地基增强系统的意义。　　一、概述　　精准农业（Precision Agriculture）是一种基于信息和知识管理的现代农业生产系统。精准农业综合应用全球卫星导航定位系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和计算机自动控制系统等先进技术，对农业资源、农业作业实施精确定时、定位、定量控制，可最大限度地提高农业生产力，高效利用农业资源，保护生态环境，是实现优质、高产、低耗、环保的可持续发展农业的有效途径。其中，基于高精度卫星导航定位的农机自动驾驶系统是精准农业技术体系的重要组成部分，可以实现在大面积耕地上的快速、高效、高精度、自动化作业，可用于平整地、播种、收割等多个生产环节，极大地提高了生产效率和土地利用率，已在国内外得到了广泛应用。　　多年以来，黑龙江省在精准农业技术的应用推广领域居于全国领先地位。黑龙江省人均耕地面积大、土地规划好、农田相对平整、机械化水平高，其农业集约化水平较高，在推广精准农业方面具有得天独厚的优势。以哈尔滨市大用合作社为例，该合作社实施精准农业技术起步较早，技术水平国内领先。目前基于差分GPS技术（DGPS）的农机自动驾驶系统在该合作社的深耕、播种等作业中已经获得了应用，极大地提高了生产效率。　　但目前黑龙江省采用的农机自动控制技术也存在着一些不足。首先，已装配的农机控制系统均基于美国GPS系统，在农业生产中广泛依赖GPS系统不利于我国的战略安全和农业信息安全；其次，目前采用的农机驾驶系统均基于传统的移动式单基站RTK模式，具有成本较高、数据传输稳定性差、覆盖面积小、操作不便等缺陷。而基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统则能够较好地解决上述问题，代表了精准农业技术未来的发展方向。　　二、北斗地基增强系统　　上个世纪90年代以来，美国的GPS系统以其全球范围、全天候的高精度实时定位、测速和授时（PVT）服务能力，在全球卫星导航领域占据统治地位。随着差分GPS技术的发展，基于移动式单基站GPS RTK的农机自动驾驶系统逐渐在我国黑龙江、新疆等大农业地区得到了广泛应用。但在农业领域广泛应用基于GPS的卫星导航设备，不利于我国的农业信息安全，且上述基于移动式单基站的GPS RTK技术存在诸多不足之处。　　随着我国卫星导航科技领域的技术进步，我国自主研发、自主管理的北斗全球卫星导航定位系统目前已经具备运行服务能力，定位精度和可靠性与GPS系统相当。在农机自动驾驶系统中使用基于北斗系统的导航设备，有利于我国战略安全和农业信息安全，有利于推动北斗导航产业的健康发展。同时，随着高精度卫星导航定位领域的技术进步，基于先进的网络RTK技术的地基增强系统正逐步取代传统的单基站RTK技术。北斗地基增强系统是在一定区域范围内，由若干个连续运行的基准站、数据通信链路、数据中心和用户终端构成的局域网络。北斗地基增强系统综合应用卫星导航定位技术、计算机技术、数据通信和互联网（LAN/WAN）技术进行实时差分改正信息解算，可向用户自动提供经过检验的卫星导航信号观测值（载波相位、伪距）、差分改正数、状态信息等卫星导航增强信息，为不同行业、不同类型用户提供多种多样的高精度导航定位解算服务。　　北斗地基增强系统具有服务覆盖范围广、定位精度高、可靠性高、操作简便、坐标基准统一、可提供多元化服务等优点，代表了北斗高精度卫星导航定位技术的发展趋势。建设北斗地基增强系统，推广北斗卫星导航系统和网络RTK技术在农业领域的应用，对精准农业技术的升级、信息化水平的提高、农业生产效率的提高均具有重要意义。　　三、系统组成　　为彻底解决目前基于移动式单基站RTK模式农机驾驶系统的存在的问题，哈尔滨市大用合作社基于网络RTK技术组建了北斗地基增强系统，该系统由三个基准站和一个数据中心组成，可覆盖合作社全部可耕地面积，并可以为上百台农机提供高精度导航定位增强服务。系统组成示意图如图1所示。

图1 哈尔滨市大用合作社北斗地基增强系统组成示意图　　该北斗地基增强系统由数据中心子系统、数据通信子系统、基准站子系统、用户终端子系统4部分组成，具体说明如下。　　1. 数据中心子系统　　数据中心子系统主要由服务器、计算主机、网络设备（数据传输发送设备）和UPS电源等设备组成，是整个系统的核心和大脑。数据中心接收各基准站发回的数据，检查各基准站工作状况；全面控制网络中所有基准站的接收机，通过处理所有基准站的数据，生成网络改正数据，并向用户终端提供VRS模式的改正数据流，提供网络RTK服务；生成差分数据格式文件，实时发送给用户。数据中心子系统的组成结构如图2所示。

图２数据中心子系统组成示意图　　2. 数据通信子系统　　数据通信子系统主要由有线VPN专网和无线网组成，是整个系统的桥梁和纽带。数据通信子系统将基准站和数据中心联系在一起，也实现了数据中心与用户之间的通信。其中，各基准站通过有线VPN专网直接连接至数据中心，用户终端则通过无线网络完成与数据中心的通信。基准站与数据中心的通信系统如图3所示，用户终端与数据中心的通信系统则如图4所示。

图３基准站与数据中心的通信系统示意图

图４用户终端与数据中心的通信系统示意图　　3.基准站子系统　　基准站子系统主要包括3个基准站，每个基准站由测量型天线、GNSS接收机、网络设备、机柜、以及防雷设备等相应的防护设备组成，其功能是卫星导航定位数据跟踪、采集、传输、以及系统可靠性（完备性）监测。基准站子系统的组成结构如图5所示。

图５基准站子系统组成示意图　　4. 用户终端子系统　　用户终端子系统由流动站接收机和农机控制系统组成，负责具体操作农机完成自动化精细作业。流动站接收机接收数据处理中心发送的差分改正数，进行厘米级精度的定位解算，并将解算结果反馈给农机控制系统。农机控制系统根据流动站接收机提供的高精度定位解算结果，按照预先设定的轨迹线行驶，完成精细作业。用户终端子系统的组成结构如图6所示。

图６用户终端子系统示意图　　四、工作原理　　北斗地基增强系统的工作原理如图7所示。各基准站每天24h不间断采集卫星观测数据，并通过VPN网络发送给数据处理中心。数据处理中心的网络RTK软件根据各基准站的数据进行网平差解算，生成覆盖整个地基增强系统覆盖范围的网络RTK误差改正模型。用户终端子系统通过无线网登录数据中心，即可获取地基增强系统提供的差分增强服务，在整个地基增强系统覆盖范围内能够获得均匀的厘米级定位精度，不像传统的单基站RTK模式，误差会随着用户终端和基准站的距离增大而增大。经测试，地基增强系统可在整个网络覆盖范围内获得水平3cm，高程5cm的实时定位精度。

图７北斗地基增强系统工作原理　　　　　　五、技术先进性　　目前，黑龙江省使用的农机自动驾驶系统均基于传统移动式单基站GPS RTK模式，在实际应用中暴露出了设备操作不便、设备成本较高、覆盖范围较小、数据传输稳定性差等缺陷，而基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统能够有效地解决上述不足，具有传统方式所不能比拟的诸多优势。基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统的优势如下所示：　　（1）设备操作简便。传统的单基站RTK模式的农机自动驾驶系统，在每次作业时都需要在田边临时架设移动式基准站接收机和发射电台，以及其配套的电源、发射天线、电缆、三角架等设备，操作繁琐。而且，由于基准站接收机是临时架设的，不可能具有精确的坐标，因此每次作业时，农机在农田中行驶的第一条直线都必须由人工完成，通过插标杆的方式保证其笔直程度，操作非常繁琐，农户普遍存在改进这一技术的愿望。而使用基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统，农户不需要架设任何基准站，只需要开机并输入所耕作地块的编号，装配在农机上的用户终端设备就能够自动登录系统，并接受地基增强系统提供的差分改正信息，完成高精度自动导航作业。由于地基增强系统的各基准站是永久性的，拥有固定的基准站坐标，因此农机在农田中行驶时，第一条直线不需要人工标定，极大地简化了农户的操作过程，提高了生产自动化水平。　　（2）设备成本低。基于传统单基站RTK模式的农机自动驾驶系统，是所谓“一对一”模式的系统，即每台农机都需要配备1套基准站接收机，再加上发射电台及其天线的费用，一套设备的成本较高，达到十万元以上。而基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统，是属于“一带多”的方案，在地基增强系统覆盖范围内，可以带动多达上百台农机同时作业，每套农机自动驾驶系统均可节省基准站接收机及发射电台费用，成本降低约4万元。　　（3）覆盖范围大。传统单基站RTK模式的农机自动驾驶系统，仅能够在电台辐射范围内作业，即使电台架设在较高的楼顶，其有效覆盖范围最大也只能达到10km左右，且由于遮挡物的存在，实际覆盖范围往往远小于这一数值。而北斗地基增强系统建成之后，仅用几个基准站就能够覆盖上百公里的范围，带动覆盖范围内上百台农机同时作业，其服务提供能力远高于单基站RTK模式。　　（4）数据传输稳定。单基站RTK模式的农机自动驾驶系统，其差分增强数据的发送和接收均采用无线电台方式。无线电台方式作用范围有限，易收到遮挡、干扰信号等影响，致使其作用距离被限制在较小的范围内，影响了农业生产的效率。且基准站发射电台在发射信号时，容易对其他通信系统造成影响，成为其他通信系统的干扰源。而北斗地基增强系统与农机用户终端之间的通信通过无线网络完成，只要作业田块在无线网信号覆盖范围之内，就能够享受到地基增强系统提供的差分增强服务，且对其他通信系统不产生干扰。因此，北斗地基增强系统能够支持大范围内的稳定数据传输服务。　　综上所述，基于北斗地基增强系统的农机自动驾驶系统能够简化操作、降低成本，提供更为广阔的覆盖范围和更佳的数据传输稳定性。因此，该系统在黑龙江省的推广能够进一步提高农业生产效率，提高农业生产的集约化水平，将黑龙江省精准农业技术水平提高到一个新的高度。　　上文选自《卫星应用》，如有需要请查阅该期刊。

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