北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用初探*

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國(guó)自行研制、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS包括北斗一號(hào)和北斗二號(hào)兩代導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，北斗一號(hào)于2003年建成，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，也稱(chēng)雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于有源定位系統(tǒng)，是主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航，由地面中心控制系統(tǒng)解算，提供給用戶(hù)三維定位數(shù)據(jù)，具備短報(bào)文功能，但其系統(tǒng)容量有限。北斗二號(hào)屬于無(wú)源定位系統(tǒng)，同時(shí)具備短報(bào)文通信能力。截至2012年底，北斗二號(hào)已發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，初步具備覆蓋亞太大部分區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度10 m，測(cè)速精度0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns。北斗二號(hào)計(jì)劃于2020年左右形成全球覆蓋能力，將在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度高可靠性定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)（以下所稱(chēng)BDS指北斗二號(hào)）。

2 提高BDS定位精度的方法

BDS單頻定位精度為10 m，雙頻定位精度從10 m躍升至米級(jí)、甚至分米級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，多采用基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)來(lái)提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，如在北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬(wàn)畝示范區(qū)應(yīng)用示范的國(guó)內(nèi)首個(gè)“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目”就是采用田間差分基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站差分定位技術(shù)利用已知精確三維坐標(biāo)的差分基準(zhǔn)站進(jìn)行觀(guān)測(cè)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離修正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)發(fā)送修正數(shù)據(jù)。用戶(hù)接收機(jī)在進(jìn)行觀(guān)測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的修正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行修正，從而提高定位精度。

為提高BDS定位精度，各地開(kāi)始建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)（也可稱(chēng)為“北斗精密定位服務(wù)系統(tǒng)”），它以BDS為主，可兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)在一定區(qū)域布設(shè)若干個(gè)BDS連續(xù)運(yùn)行參考基站（CORS），對(duì)區(qū)域定位誤差進(jìn)行整體建模，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)播發(fā)定位增強(qiáng)信息（導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)），提高用戶(hù)的定位精度。通俗來(lái)講，它實(shí)際是在地面建立“站點(diǎn)”，利用地面的“網(wǎng)絡(luò)”來(lái)增強(qiáng)天上“網(wǎng)絡(luò)”的定位導(dǎo)航精度[1]。湖北已建成國(guó)內(nèi)首個(gè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，上海、重慶也相繼建成。

3 BDS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)航空

BDS與航空農(nóng)業(yè)結(jié)合是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展和延伸，其優(yōu)勢(shì)是省時(shí)省力不誤農(nóng)時(shí)，可完成地面機(jī)械無(wú)法完成的項(xiàng)目，節(jié)約種子、農(nóng)藥和化肥，降低成本[2]。BDS在農(nóng)業(yè)航空方面的應(yīng)用主要在播種、植保和施肥領(lǐng)域。在航空作業(yè)前，作業(yè)規(guī)劃人員通過(guò)手持北斗用戶(hù)終端測(cè)量確定作業(yè)區(qū)域的邊界，或通過(guò)已有電子地圖確定作業(yè)邊界，形成作業(yè)區(qū)域地圖，并規(guī)劃出作業(yè)航路圖。作業(yè)時(shí)，飛機(jī)采用北斗導(dǎo)航儀沿著規(guī)定路線(xiàn)作業(yè)，有效避免重復(fù)和遺漏。需要重新加載化肥種子或農(nóng)藥時(shí)，通過(guò)讀取北斗導(dǎo)航儀記錄的上次結(jié)束作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，待繼續(xù)作業(yè)時(shí)從該關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)繼續(xù)作業(yè)。通過(guò)北斗導(dǎo)航儀獲取的飛行軌跡、噴霧系統(tǒng)開(kāi)與關(guān)、飛行速度等信息，可輸入地理信息系統(tǒng)（GIS）系統(tǒng)中，用以分析作業(yè)質(zhì)量等。

3.2 農(nóng)田信息采集與測(cè)土配方施肥等

測(cè)土配方施肥技術(shù)是指通過(guò)對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)掌握土壤的肥力狀況，并按照不同農(nóng)作物的需肥特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要進(jìn)行肥料用量和配比，以促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)肥料的吸收，提高肥料的利用效率，促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)，是一種科學(xué)、有效的施肥方法[3]。采用北斗用戶(hù)終端定位，進(jìn)行土壤采樣，記錄采樣位置，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)GIS繪制土壤養(yǎng)分空間分布圖（包括pH值、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)層等成分的分布情況），結(jié)合作物對(duì)肥料的需求特征，決定肥料的最佳施用量，在GIS中繪制變量施肥處方圖。施肥作業(yè)時(shí)，根據(jù)施肥處方圖控制不同位置的施肥量。

采用類(lèi)似方法，BDS可用于病蟲(chóng)害處方防治和土壤污染情況監(jiān)測(cè)、大田水份和溫度監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)等農(nóng)田信息采集。

3.3 跨區(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)監(jiān)管

農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)始于1996年，發(fā)展至2014年，跨區(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)數(shù)量已由最初的2.3萬(wàn)臺(tái)增加至30萬(wàn)臺(tái)，對(duì)搶種搶收、保農(nóng)時(shí)發(fā)揮了重要作用?？鐓^(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)監(jiān)管通過(guò)監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)和農(nóng)機(jī)車(chē)載終端實(shí)現(xiàn)。監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)是整個(gè)監(jiān)管系統(tǒng)的中心，可及時(shí)向車(chē)載系統(tǒng)播發(fā)相關(guān)信息，接收車(chē)載終端發(fā)送來(lái)的位置信息、求助信息等，還將農(nóng)機(jī)位置顯示于電子地圖上，以便合理有序地引導(dǎo)跨區(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)，減少農(nóng)機(jī)供大于求或供不應(yīng)求情況。農(nóng)機(jī)車(chē)載終端指北斗用戶(hù)終端，機(jī)手可通過(guò)它及時(shí)接收服務(wù)平臺(tái)播發(fā)的天氣預(yù)報(bào)和作業(yè)需求等信息，農(nóng)機(jī)作業(yè)期間出現(xiàn)故障或事故，機(jī)手也可及時(shí)求助。

3.4 拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛

拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)的使用可保證精確的作業(yè)行距、方向及間距，并且長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)無(wú)須常規(guī)標(biāo)記，在降低人工技術(shù)需求的同時(shí)提高了作業(yè)精度[4]。拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航控制、路徑規(guī)劃、自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變速等關(guān)鍵技術(shù)[5]。我國(guó)自主研發(fā)的BDS將深入應(yīng)用于拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的導(dǎo)航控制，服務(wù)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，應(yīng)用前景廣闊。在BDS定位精度難以滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛需求的作業(yè)區(qū)域，建立田間差分基準(zhǔn)站，提高定位精度使其滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛精度要求。在田間作業(yè)區(qū)域的電子地圖上事先設(shè)定合理的作業(yè)路線(xiàn)，避免漏耕和重耕。作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)接收BDS定位信號(hào)，進(jìn)行導(dǎo)航控制，并通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)向和自動(dòng)變速等技術(shù)設(shè)定路線(xiàn)作業(yè)。但是，農(nóng)田機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航并不意味著不需要操作者，因?yàn)檎嬲裏o(wú)人操作的農(nóng)田機(jī)械除了要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航外，還要實(shí)現(xiàn)其他工作過(guò)程的最優(yōu)化和自動(dòng)化，這比僅實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)更難，成本更高[6]。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛可有效提高農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，節(jié)約燃油，爭(zhēng)搶農(nóng)時(shí)，將在耕地、整地、起壟、播種、施肥、植保、收獲等諸多田間作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。

3.5 機(jī)耕道、農(nóng)田灌排渠道選線(xiàn)和地籍測(cè)繪

BDS用于機(jī)耕道、農(nóng)田灌排渠道選線(xiàn)測(cè)量時(shí)，比傳統(tǒng)測(cè)繪省時(shí)省力。在傳統(tǒng)測(cè)繪中，一般以平面測(cè)量為主，在確定主線(xiàn)點(diǎn)平面位置后采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行地面高程測(cè)量，需要進(jìn)行兩次不同空間測(cè)量才能計(jì)算出主線(xiàn)點(diǎn)立體坐標(biāo)。依靠BDS進(jìn)行選線(xiàn)，首先需要采用基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)確保定位精度，此外只需北斗接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)，就能一次性對(duì)某一點(diǎn)位進(jìn)行三維坐標(biāo)定位。在機(jī)耕道、農(nóng)田排灌渠道選線(xiàn)測(cè)量過(guò)程中，遇到障礙物或山坡、河流時(shí)，用北斗接收機(jī)取點(diǎn)、增補(bǔ)點(diǎn)簡(jiǎn)單快捷，能準(zhǔn)備定位其位置信息，而傳統(tǒng)測(cè)繪取點(diǎn)和增補(bǔ)點(diǎn)工作量大，需要反復(fù)測(cè)量，增加控制點(diǎn)的數(shù)量。

地籍測(cè)繪是對(duì)宗地權(quán)屬界線(xiàn)的界址點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)定，并把宗地及其附著物的位置、面積、權(quán)屬關(guān)系和利用狀況等地籍要素準(zhǔn)確繪制出來(lái)的測(cè)繪工作。隨著B(niǎo)DS建設(shè)的加強(qiáng)和終端技術(shù)設(shè)備的不斷進(jìn)步，特別是BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的逐步建立和基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)的快速發(fā)展，定位精度越來(lái)越高，BDS在地籍繪制、道路渠道選線(xiàn)測(cè)繪中有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3.6 其他應(yīng)用

BDS具有定位、測(cè)速和授時(shí)功能，在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用主要是定位和測(cè)速功能。除上文所述具體應(yīng)用外，BDS還可以應(yīng)用于農(nóng)村規(guī)劃、農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)產(chǎn)品物流等方面。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 BDS與GIS和RS（遙感）相結(jié)合，應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

BDS與GIS、RS相結(jié)合，應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是BDS在農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)上應(yīng)用的一大趨勢(shì)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其核心技術(shù)是3S技術(shù)（RS、GIS和GPS的統(tǒng)稱(chēng)）和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)[7]。BDS主要用于田間信息的定位采集、田間操作的準(zhǔn)確定位和農(nóng)業(yè)機(jī)械的測(cè)速；RS和傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集和田間作業(yè)監(jiān)測(cè)；GIS則對(duì)作物產(chǎn)量分布、地形地貌、土壤類(lèi)別、土壤分析結(jié)果、農(nóng)藥化肥使用情況等各種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和加工處理，繪制分布圖，并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)給農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)，供其形成施肥、灌水、施藥等田間操作決策。

BDS與GIS、RS相結(jié)合，促進(jìn)精準(zhǔn)播種、大田監(jiān)測(cè)、處方農(nóng)業(yè)、作物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、智能化農(nóng)機(jī)作業(yè)等應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，將充分發(fā)揮精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)保、資源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)高效的作用，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

4.2 BDS與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于智能農(nóng)機(jī)

智能農(nóng)機(jī)是指裝備有中央處理芯片（CPU）和各種各樣的傳感器或無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)的現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)，其特點(diǎn)是智能農(nóng)機(jī)的中央處理器芯片能對(duì)傳感器傳回的信號(hào)或?qū)χ悄苻r(nóng)機(jī)的其他功能等多個(gè)功能進(jìn)行智能化控制。

BDS應(yīng)用于智能農(nóng)機(jī)將成為農(nóng)機(jī)的“眼睛”，起到引路作用。

[1]彭燁煒.專(zhuān)訪(fǎng)武大施闖教授:讓"北斗"實(shí)現(xiàn)高精度.http://www.cnhubei.com/xwzt/2013/bdw xdh/mtjj/201304/t2546167.shtml.2013-04-22

[2]張圣光.BDS在農(nóng)業(yè)機(jī)械化中的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2014(4):184,189.

[3]宋艷茹.測(cè)土配方施肥技術(shù)的推廣與應(yīng)用探討[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)信息,2014(13):55.

[4]呂安濤,毛恩榮,宋正河,等.一種拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛復(fù)合模糊控制方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(4):17-20.

[5]祝仕平.拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研制[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文.2006(5).

[6]宋正河,呂安濤,陳文良,等.拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē),2005(3):1-5.

[7]劉愛(ài)民,封志明,徐麗明.現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(2):20-25.