北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在黑龍江精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

● 文| 褚鵬飛魏玉嶠李慶龍閆明明

1.哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 2.航天恒星科技有限公司

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在黑龍江精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

● 文| 褚鵬飛1魏玉嶠2李慶龍2閆明明2

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精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標(biāo)志，而精準(zhǔn)定位是其可行的關(guān)鍵。從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)含義出發(fā)，結(jié)合在黑龍江省哈爾濱市大用合作社的農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)實(shí)踐，闡明了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的典型工作原理。通過與傳統(tǒng)單基站RTK模式的對比，分析了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢和先進(jìn)性，指出了在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的意義。

一、概述

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）是一種基于信息和知識管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合應(yīng)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）和計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)作業(yè)實(shí)施精確定時、定位、定量控制，可最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，高效利用農(nóng)業(yè)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。其中，基于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)在大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動化作業(yè)，可用于播種、收割等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，極大地提高生產(chǎn)效率和土地利用率，已在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

多年以來，黑龍江省在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用推廣領(lǐng)域居于全國領(lǐng)先地位。黑龍江省人均耕地面積大、土地規(guī)劃好、農(nóng)田相對平整、機(jī)械化水平高，其農(nóng)業(yè)集約化水平較高，在推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。以哈爾濱市大用合作社為例，該合作社實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)起步較早，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。目前基于差分GPS技術(shù)（DGPS）的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)在該合作社的深耕、播種等作業(yè)中已經(jīng)獲得了應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)效率。

但目前黑龍江省采用的農(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)也存在著一些不足。首先，已裝配的農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)均基于美國GPS系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛依賴GPS系統(tǒng)不利于我國的戰(zhàn)略安全和農(nóng)業(yè)信息安全；其次，目前采用的農(nóng)機(jī)駕駛系統(tǒng)均基于傳統(tǒng)的移動式單基站RTK模式，具有成本較高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差、覆蓋面積小、操作不便等缺陷。而基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)則能夠較好地解決上述問題，代表了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)未來的發(fā)展方向。

二、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代以來，美國的GPS系統(tǒng)以其全球范圍、全天候的高精度實(shí)時定位、測速和授時（PVT）服務(wù)能力，在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位。隨著差分GPS技術(shù)的發(fā)展，基于移動式單基站GPS RTK的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)逐漸在我國黑龍江、新疆等大農(nóng)業(yè)地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用基于GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，不利于我國的農(nóng)業(yè)信息安全，且上述基于移動式單基站的GPS RTK技術(shù)存在諸多不足之處。

隨著我國衛(wèi)星導(dǎo)航科技領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，我國自主研發(fā)、自主管理的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)目前已經(jīng)具備運(yùn)行服務(wù)能力，定位精度和可靠性與GPS系統(tǒng)相當(dāng)。在農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)中使用基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備，有利于我國戰(zhàn)略安全和農(nóng)業(yè)信息安全，有利于推動北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同時，隨著高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的單基站RTK技術(shù)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是在一定區(qū)域范圍內(nèi)，由若干個連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通信鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶終端構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)綜合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術(shù)進(jìn)行實(shí)時差分改正信息解算，可向用戶自動提供經(jīng)過檢驗(yàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號觀測值（載波相位、偽距）、差分改正數(shù)、狀態(tài)信息等衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信息，為不同行業(yè)、不同類型用戶提供多種多樣的高精度導(dǎo)航定位解算服務(wù)。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)具有服務(wù)覆蓋范圍廣、定位精度高、可靠性高、操作簡便、坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一、可提供多元化服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，代表了北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢。建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的升級、信息化水平的提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高均具有重要意義。

三、系統(tǒng)組成

為徹底解決目前基于移動式單基站RTK模式農(nóng)機(jī)駕駛系統(tǒng)的存在的問題，哈爾濱市大用合作社基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)組建了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三個基準(zhǔn)站和一個數(shù)據(jù)中心組成，可覆蓋合作社全部可耕地面積，并可以為上百臺農(nóng)機(jī)提供高精度導(dǎo)航定位增強(qiáng)服務(wù)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 哈爾濱市大用合作社北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成示意圖

該北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、用戶終端子系統(tǒng)4部分組成。

1.數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)主要由服務(wù)器、計(jì)算主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送設(shè)備）和UPS電源等設(shè)備組成，是整個系統(tǒng)的核心和大腦。數(shù)據(jù)中心接收各基準(zhǔn)站發(fā)回的數(shù)據(jù)，檢查各基準(zhǔn)站工作狀況；全面控制網(wǎng)絡(luò)中所有基準(zhǔn)站的接收機(jī)，通過處理所有基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，生成網(wǎng)絡(luò)改正數(shù)據(jù)，并向用戶終端提供VRS模式的改正數(shù)據(jù)流，提供網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)；生成差分?jǐn)?shù)據(jù)格式文件，實(shí)時發(fā)送給用戶。數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)組成示意圖

2.數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)主要由有線VPN專網(wǎng)和無線網(wǎng)組成，是整個系統(tǒng)的橋梁和紐帶。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)將基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)中心聯(lián)系在一起，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心與用戶之間的通信。其中，各基準(zhǔn)站通過有線VPN專網(wǎng)直接連接至數(shù)據(jù)中心，用戶終端則通過無線網(wǎng)絡(luò)完成與數(shù)據(jù)中心的通信。基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心的通信系統(tǒng)如圖3所示，用戶終端與數(shù)據(jù)中心的通信系統(tǒng)則如圖4所示。

圖3 基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心的通信系統(tǒng)示意圖

圖4 用戶終端與數(shù)據(jù)中心的通信系統(tǒng)示意圖

3.基準(zhǔn)站子系統(tǒng)

基準(zhǔn)站子系統(tǒng)主要包括3個基準(zhǔn)站，每個基準(zhǔn)站由測量型天線、GNSS接收機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜、以及防雷設(shè)備等相應(yīng)的防護(hù)設(shè)備組成，其功能是衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)跟蹤、采集、傳輸、以及系統(tǒng)可靠性（完備性）監(jiān)測。基準(zhǔn)站子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基準(zhǔn)站子系統(tǒng)組成示意圖

4.用戶終端子系統(tǒng)

用戶終端子系統(tǒng)由流動站接收機(jī)和農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)具體操作農(nóng)機(jī)完成自動化精細(xì)作業(yè)。流動站接收機(jī)接收數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的差分改正數(shù)，進(jìn)行厘米級精度的定位解算，并將解算結(jié)果反饋給農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)。農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)流動站接收機(jī)提供的高精度定位解算結(jié)果，按照預(yù)先設(shè)定的軌跡線行駛，完成精細(xì)作業(yè)。用戶終端子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 用戶終端子系統(tǒng)組成示意圖

四、工作原理

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。各基準(zhǔn)站每天24h不間斷采集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，并通過VPN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)RTK軟件根據(jù)各基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)平差解算，生成覆蓋整個地基增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍的網(wǎng)絡(luò)RTK誤差改正模型。用戶終端子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)登錄數(shù)據(jù)中心，即可獲取地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的差分增強(qiáng)服務(wù)，在整個地基增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)能夠獲得均勻的厘米級定位精度，不像傳統(tǒng)的單基站RTK模式，誤差會隨著用戶終端和基準(zhǔn)站的距離增大而增大。經(jīng)測試，地基增強(qiáng)系統(tǒng)可在整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)獲得水平3cm、高程5cm的實(shí)時定位精度。

五、技術(shù)先進(jìn)性

目前，黑龍江省使用的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)均基于傳統(tǒng)移動式單基站GPS RTK模式，在實(shí)際應(yīng)用中暴露出了設(shè)備操作不便、設(shè)備成本較高、覆蓋范圍較小、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差等缺陷，而基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)能夠有效地解決上述不足，具有傳統(tǒng)方式所不能比擬的諸多優(yōu)勢?；诒倍返鼗鰪?qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

1）設(shè)備操作簡便。傳統(tǒng)的單基站RTK模式的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，在每次作業(yè)時都需要在田邊臨時架設(shè)移動式基準(zhǔn)站接收機(jī)和發(fā)射電臺，以及其配套的電源、發(fā)射天線、電纜、三角架等設(shè)備，操作繁瑣。而且，由于基準(zhǔn)站接收機(jī)是臨時架設(shè)的，不可能具有精確的坐標(biāo)，因此每次作業(yè)時，農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中行駛的第一條直線都必須由人工完成，通過插標(biāo)桿的方式保證其筆直程度，操作非常繁瑣，農(nóng)戶普遍存在改進(jìn)這一技術(shù)的愿望。而使用基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，農(nóng)戶不需要架設(shè)任何基準(zhǔn)站，只需要開機(jī)并輸入所耕作地塊的編號，裝配在農(nóng)機(jī)上的用戶終端設(shè)備就能夠自動登錄系統(tǒng)，并接受地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的差分改正信息，完成高精度自動導(dǎo)航作業(yè)。由于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的各基準(zhǔn)站是永久性的，擁有固定的基準(zhǔn)站坐標(biāo)，因此農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中行駛時，第一條直線不需要人工標(biāo)定，極大地簡化了農(nóng)戶的操作過程，提高了生產(chǎn)自動化水平。

2）設(shè)備成本低。基于傳統(tǒng)單基站RTK模式的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，是所謂“一對一”模式的系統(tǒng)，即每臺農(nóng)機(jī)都需要配備1套基準(zhǔn)站接收機(jī)，再加上發(fā)射電臺及其天線的費(fèi)用，一套設(shè)備的成本較高，達(dá)到十萬元以上。而基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，是屬于“一帶多”的方案，在地基增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)，可以帶動多達(dá)上百臺農(nóng)機(jī)同時作業(yè)，每套農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)均可節(jié)省基準(zhǔn)站接收機(jī)及發(fā)射電臺費(fèi)用，成本降低約4萬元。

圖7 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)工作原理

3）覆蓋范圍大。傳統(tǒng)單基站RTK模式的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，僅能夠在電臺輻射范圍內(nèi)作業(yè)，即使電臺架設(shè)在較高的樓頂，其有效覆蓋范圍最大也只能達(dá)到10km左右，且由于遮擋物的存在，實(shí)際覆蓋范圍往往遠(yuǎn)小于這一數(shù)值。而北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建成之后，僅用幾個基準(zhǔn)站就能夠覆蓋上百公里的范圍，帶動覆蓋范圍內(nèi)上百臺農(nóng)機(jī)同時作業(yè)，其服務(wù)提供能力遠(yuǎn)高于單基站RTK模式。

4）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。單基站RTK模式的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，其差分增強(qiáng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均采用無線電臺方式。無線電臺方式作用范圍有限，易收到遮擋、干擾信號等影響，致使其作用距離被限制在較小的范圍內(nèi)，影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。且基準(zhǔn)站發(fā)射電臺在發(fā)射信號時，容易對其他通信系統(tǒng)造成影響，成為其他通信系統(tǒng)的干擾源。而北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)與農(nóng)機(jī)用戶終端之間的通信通過無線網(wǎng)絡(luò)完成，只要作業(yè)田塊在無線網(wǎng)信號覆蓋范圍之內(nèi)，就能夠享受到地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的差分增強(qiáng)服務(wù)，且對其他通信系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。因此，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)能夠支持大范圍內(nèi)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

綜上所述，基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)能夠簡化操作、降低成本，提供更為廣闊的覆蓋范圍和更佳的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。因此，該系統(tǒng)在黑龍江省的推廣能夠進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化水平，將黑龍江省精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平提高到一個新的高度。

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