基于北斗和GPS的雙模田間作業(yè)機(jī)車定位系統(tǒng)

辛德奎，黃操軍，甘龍輝

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

農(nóng)業(yè)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的應(yīng)用可改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗放經(jīng)營(yíng)模式，可精細(xì)化的進(jìn)行農(nóng)田的生產(chǎn)作業(yè)，減少生產(chǎn)成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，增加經(jīng)濟(jì)效益[2]。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)措施實(shí)施的全過(guò)程，數(shù)據(jù)采集、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的制定、實(shí)施等均與定位導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)系在一起[3]。田間作業(yè)機(jī)車的實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息管理是智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備變量作業(yè)的重要基礎(chǔ)[4]。因此精準(zhǔn)可靠地衛(wèi)星定位系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的必要保障。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)具有自主產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)具有快速定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)三大優(yōu)勢(shì)。使用該系統(tǒng)不需重建通信鏈路，不需租用衛(wèi)星信道，不僅使用方便，而且可以取得非常明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。目前，GPS產(chǎn)品在我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航終端市場(chǎng)占?jí)艛嗟匚?，給國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大隱患[6]。所以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于北斗/GPS的雙模田間作業(yè)機(jī)車定位系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)有著重要意義。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在田間機(jī)車定位系統(tǒng)中，由北斗/GPS雙模接收機(jī)模塊接收衛(wèi)星信號(hào)。單片機(jī)和PC機(jī)通過(guò)串口獲得北斗/GPS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)解析和處理后進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)可設(shè)置機(jī)車作業(yè)的幅寬，進(jìn)而計(jì)算機(jī)車的作業(yè)面積。PC機(jī)可通過(guò)串口調(diào)試軟件獲得未經(jīng)過(guò)處理的北斗/GPS數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)雙模接收機(jī)數(shù)據(jù)觀測(cè)軟件MXT-View，觀測(cè)系統(tǒng)信息和衛(wèi)星信息。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System theory figure

1.2 主要設(shè)備選型

根據(jù)上述系統(tǒng)需求，對(duì)系統(tǒng)中主要設(shè)備進(jìn)行選型。選用STC公司生產(chǎn)的具有雙串口的1T單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控芯片。在系統(tǒng)中，主控模塊既需要與北斗/GPS模塊進(jìn)行通信，又需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，因此選用帶有雙串口的控制芯片可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)過(guò)程；選用北京時(shí)代民芯科技有限公司生產(chǎn)的MXTOS2-200北斗/GPS雙模接收機(jī)模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該接收機(jī)模塊定位的水平精度可達(dá)5m，高程精度可達(dá)10 m。

1.3 北斗/GPS雙模接收機(jī)

MXTOS2-200模塊是北京時(shí)代民芯科技有限公司開(kāi)發(fā)的GPS、BD-2雙模兼容接收機(jī)模塊。能夠提供高精度的載體三維位置、速度、時(shí)間信息以及原始觀測(cè)數(shù)據(jù)等。

MXTOS2-200將射頻前端、基帶處理、定位軟件高度集成，具有低功耗、小體積、高可靠、高性能等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)北斗/GPS單模、雙模靈活定位模式。MXTOS2-200從天線輸入到串行輸出的整個(gè)信號(hào)處理鏈包含在一個(gè)單獨(dú)的模塊當(dāng)中。封裝形式使得射頻輸入直接在一個(gè)引腳上，可避免使用昂貴的射頻電纜。貼片封裝可軟焊，節(jié)省空間同時(shí)提高可靠性。MXTOS2-200應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 MXTOS2-200應(yīng)用電路Fig.2 MXTOS2-200 application circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議

NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[7]。

BUPro是北京時(shí)代民芯科技有限公司基于用戶至上的原則制定的專用雙模協(xié)議，協(xié)議不僅包含類似于NMEA協(xié)議的普通協(xié)議，還有二進(jìn)制協(xié)議RINEX2.10。用戶可以根據(jù)自己的需求方便快捷地獲取所需的各種信息，避免了用戶為獲得全部所需信息而不得不解析多個(gè)協(xié)議的煩惱。

2.2 協(xié)議解析

為獲取機(jī)車的空間信息和運(yùn)行信息，軟件分別對(duì)SBDGGA、 SGPGGA、 SBDGMV、 SGPGMV四條語(yǔ)句進(jìn)行解析。協(xié)議解析流程如圖3所示。

圖3 協(xié)議解析流程Fig.2 Protocol analysis process

SGPGMV和SBDGMV兩條協(xié)議語(yǔ)句是BUPro專有的兩條語(yǔ)句，接收機(jī)位置、速度、姿態(tài)等信息均包含在這兩條語(yǔ)句當(dāng)中。語(yǔ)句格式為：

在S GPGMV和SBDGMV兩條語(yǔ)句中“，S”是語(yǔ)句的起始符“；S”后面的“GP”，“BD”分別表示GPS數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù)“；GMV”表示語(yǔ)句類型。不同的數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)隔開(kāi)。因此，當(dāng)收到“S”后，通過(guò)判斷“S ”后面的兩個(gè)字符就可以知道該語(yǔ)句是GPS數(shù)據(jù)還是北斗數(shù)據(jù)。接下來(lái)判斷后三個(gè)字符即可知道該語(yǔ)句的類型。最后通過(guò)判斷逗號(hào)位置即可尋找到所需信息。

S GPGGA和SBDGGA兩條協(xié)議語(yǔ)句含有衛(wèi)星定位的主要數(shù)據(jù)[8]。是BUPro協(xié)議中最長(zhǎng)，也是應(yīng)用最廣的一條語(yǔ)句。語(yǔ)句中不但含有接收機(jī)的空間信息，還包含衛(wèi)星定位狀態(tài)、定位精度以及可使用衛(wèi)星數(shù)等信息。設(shè)計(jì)從這兩條語(yǔ)句中獲取接收機(jī)的高度、海拔、可使用衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星定位狀態(tài)信息。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)物測(cè)試

由于系統(tǒng)需要顯示的信息較多，液晶采用分屏顯示方式。第一屏顯示系統(tǒng)位置信息，第二屏顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息。由圖4可知系統(tǒng)經(jīng)緯度、高度以及海拔信息，其中顯示器最后一行末尾的06，表示當(dāng)前可用衛(wèi)星數(shù)是6顆。

圖4 位置信息界面Fig.4 Location information interface

系統(tǒng)狀態(tài)信息包括，車輛運(yùn)動(dòng)速度、航向、農(nóng)機(jī)作業(yè)寬度和作業(yè)面積信息。其中農(nóng)機(jī)作業(yè)寬度可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)結(jié)合機(jī)車的作業(yè)寬度和機(jī)車的運(yùn)動(dòng)距離即可獲得機(jī)車的作業(yè)面積。作業(yè)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息如圖5所示。

圖5 狀態(tài)信息界面Fig.5 Status information interface

3.2 聯(lián)機(jī)測(cè)試

采用MXT-view衛(wèi)星觀測(cè)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試。MXT-view是北京時(shí)代民芯科技有限公司自主開(kāi)發(fā)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)觀測(cè)軟件，支持BUPro協(xié)議和部分NMEA-0183協(xié)議。觀測(cè)軟件可顯示導(dǎo)航信息、衛(wèi)星信息和可見(jiàn)衛(wèi)星視圖等信息。

系統(tǒng)導(dǎo)航信息如表1所示，其中HDOP表示衛(wèi)星定位的垂直精度因子，VDOP為水平精度因子，PDOP為綜合定位因子。

表1 導(dǎo)航信息Table1 Navigation information

衛(wèi)星信息包括衛(wèi)星的編號(hào)、高度角、方位角和載噪比等信息。表2中列出了當(dāng)前可使用6顆衛(wèi)星的信息。

表2 衛(wèi)星信息Table2 Satellite information

4 結(jié)論

基于北斗和GPS的田間作業(yè)機(jī)車定位系統(tǒng)，集田間作業(yè)機(jī)車定位、田間信息采集和信息傳輸與一體，將衛(wèi)星定位和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相結(jié)合，具有體積小，定位精度高，功耗低，工作穩(wěn)定，通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)田間數(shù)據(jù)的定時(shí)檢測(cè)和分析，以及對(duì)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)時(shí)監(jiān)控，將為智能化農(nóng)業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)（如變量施藥、施肥等）提供技術(shù)支持和研究平臺(tái)。系統(tǒng)可同時(shí)接收GPS定位信息和北斗定位信息，二者相互補(bǔ)充，在沒(méi)有GPS定位信息的情況下可以使用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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