基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)設(shè)計

石 穎，王衛(wèi)星,1b,2，陸健強，胡子昂，黃德威

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 a.電子工程學院；b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642；2.國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

?

基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)設(shè)計

石 穎1a，王衛(wèi)星1a,1b,2，陸健強1a，胡子昂1a，黃德威1a

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 a.電子工程學院；b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642；2.國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

為滿足精細農(nóng)業(yè)中農(nóng)業(yè)機械自動導航對高精度定位數(shù)據(jù)的需求，闡述了GPS差分定位技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中存在的問題，并介紹了CORS技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中的重要地位。根據(jù)分析，采用低成本的GPS板卡和4G無線通訊網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)計開發(fā)了一套基于CORS技術(shù)的低成本農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)靜態(tài)內(nèi)符合精度測試和動態(tài)誤差測試。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在晴天和陰天2種天氣情況下，其靜態(tài)定位內(nèi)符合精度為7～8cm(95%)；通過多次測量求平均值，其動態(tài)定位數(shù)據(jù)與真實值的誤差不超過10cm，動態(tài)符合度高，可作為高精度的位置傳感器用于農(nóng)業(yè)機械自動導航。

精細農(nóng)業(yè)；CORS技術(shù)；自動導航；低成本；4G網(wǎng)絡(luò)

0 引言

在精細農(nóng)業(yè)的推廣和實施中，為了使農(nóng)業(yè)機械能夠在其復雜的工作環(huán)境中自動完成播種、施藥、采摘等工作任務(wù)，GPS定位技術(shù)起到了舉足輕重的作用，其定位精度也成為了農(nóng)業(yè)機械自動導航發(fā)展的關(guān)鍵[1-2]。GPS單機定位精度低且不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械定位導航。目前，利用差分定位技術(shù)是提高GPS定位精度的重要手段，但在差分定位系統(tǒng)中對建立差分基準站的要求非常專業(yè)，過程繁瑣且成本極高，給農(nóng)業(yè)機械定位的管理者帶來了技術(shù)上的難題和經(jīng)濟上的負擔[3]。另外，市場上的差分GPS接收機產(chǎn)品在性能和定位精度(差分定位)上雖然能夠滿足農(nóng)業(yè)機械定位導航要求[4]；但總體來看，這些產(chǎn)品的價位普遍偏高，其功能在農(nóng)業(yè)機械復雜的工作環(huán)境中得不到充分發(fā)揮，在使用上不夠靈活，造成不同程度上的資源和經(jīng)濟浪費[5-6]。

隨著GPS技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展和融合，產(chǎn)生了連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(Continuously Operating Reference System，CORS)。由于CORS是由政府相關(guān)部門建立，在CORS覆蓋范圍內(nèi)，用戶只要申請購買相應(yīng)的服務(wù)，就可以全天候、實時地獲取差分源進行差分定位。另外，利用GPS—OEM(Original Equipment Manufacturer)和單片機或計算機相結(jié)合，組成定位導航應(yīng)用系統(tǒng)，在精細農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的實例也很常見[7-8]。因此，農(nóng)業(yè)機械定位管理者只要建立自己的差分定位接收系統(tǒng)，利用CORS進行差分定位，就能解決自建差分基準站所面臨的難題，同時也能滿足農(nóng)業(yè)機械定位的精度[6]。

1 CORS技術(shù)及CORS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

CORS是在差分GPS(DGPS)和常規(guī)RTK技術(shù)上發(fā)展而來的，是全球衛(wèi)星導航定位技術(shù)GNSS(Global Navigation Satellite System)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物。CORS的基本原理就是在一定的研究區(qū)域內(nèi)，綜合應(yīng)用GNSS定位技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)和計算機技術(shù)，建立若干個連續(xù)運行參考站，聯(lián)合數(shù)據(jù)通訊鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶終端構(gòu)成一個局域參考站網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心根據(jù)各種數(shù)學模型對參考站上傳的觀測數(shù)據(jù)進行解算處理，實時地向不同需求、不同類型的用戶自動地提供各種穩(wěn)定可靠的GPS觀測值、改正數(shù)等信息，因而廣泛應(yīng)用于農(nóng)機導航、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、國土測繪及交通監(jiān)控等領(lǐng)域[9]。

CORS最大的優(yōu)勢在于在保證定位導航精度的情況下可以降低用戶的工作強度，進而降低成本。CORS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)有主要有以下幾個方面[10]：

1)利用CORS技術(shù)、無線通信技術(shù)組成的農(nóng)業(yè)機械車載終端，能夠?qū)崿F(xiàn)田間農(nóng)業(yè)機械的導航智能化，完成噴藥、灌溉及施肥等作業(yè)。

2)根據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量和GPS定位信息，能夠精確繪制農(nóng)作物的產(chǎn)量與位置關(guān)系圖。

3)與GIS、RS結(jié)合，根據(jù)農(nóng)作物生長態(tài)勢和土、肥、水之間的空間關(guān)系，繪制肥力分布圖及產(chǎn)量分布圖。

4)根據(jù)蟲、病、草害與農(nóng)作物之間的空間分布關(guān)系，繪制病蟲害分布圖和雜草分布圖等實時空間信息分布圖。

5)結(jié)合遙感技術(shù)，進行植被覆蓋采樣及產(chǎn)量估計采點。

2 農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)包括主控芯片、GPS板卡、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、人機交互模塊及供電模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure diagram

本系統(tǒng)采用意法半導體(ST)公司出品的STM32F4作為主控芯片，實現(xiàn)GPS板卡定位數(shù)據(jù)采集處理、實時接收CORS中心的差分數(shù)據(jù)及顯示定位數(shù)據(jù)等。STM32F4是一款高性能的32位單片機，主頻可達到168MHz，具有192kB的SRAM、1024KB的FLASH、2個USB接口和6路串口等硬件資源。

GPS板卡選取Hemisphere公司的P307板卡，該板卡是一款三星七頻板，可同時接收GPS、GLONASS和北斗信號，支持RTK工作模式，支持RTCM和CMR格式差分數(shù)據(jù)輸入。P307有4個端口，端口A、B、C輸出標準的NMEA語句，端口D只接收外部差分信息，本文選取端口A作為定位數(shù)據(jù)輸出端口。由于P307串口是3.3V CMOS電平，故其與STM32F4通信時，需要進行電平轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路原理如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選擇龍尚公司的4G模塊，型號為U8300W，該模塊支持電信、聯(lián)通和移動3個運營商的手機卡。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊沒有SIM卡接口，根據(jù)mini PCI-E標準接口協(xié)議設(shè)計了SIM卡接口電路，其原理如圖3所示。

圖2 串口通信原理圖Fig.2 The principle diagram of serial communication

圖3 SIM卡接口電路圖Fig.3 The interface circuit diagram of SIM card

人機交互模塊由按鍵和顯示屏組成，按鍵主要用于輸入申請得到的CORS賬號和密碼；顯示屏用于實時顯示網(wǎng)絡(luò)連接、CORS連接及定位等狀態(tài)。電源采用鋰電池供電，保證其在戶外能夠長時間工作。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 The main program flow chat

該定位差分模塊在進行差分定位時需要GPS板卡先進行單機定位，得到概略的定位信息，并通過串口傳給主控芯片；主控芯片將這些NMEA格式的定位數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到CORS中心，CORS中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立誤差模型來修正定位相關(guān)的誤差，在用戶端附近產(chǎn)生一個物理上不存在的虛擬參考站，并且計算出該虛擬站的差分改正數(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給農(nóng)機差分定位系統(tǒng)；農(nóng)機差分定位系統(tǒng)接收差分數(shù)據(jù)后在GPS板卡上進行差分定位，然后GPS板卡輸出高精度定位信息，主控芯片通過串口讀取高精度定位數(shù)據(jù)后在顯示屏上顯示出來。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，USB口使用查詢方式發(fā)送和中斷方式接收。另外，兩個串口用來與GPS OEM板進行數(shù)據(jù)交換：GPS板卡通過串口1發(fā)送NMEA數(shù)據(jù)；主控芯片通過串口2發(fā)送RTCM數(shù)據(jù)給GPS板卡。為了避免串口之間的中斷沖突，在4G模塊撥號的時候，只開啟USB口，等待撥號成功后，才開啟串口1和串口2。

3 數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)試驗

3.1 坐標轉(zhuǎn)換

307板卡在差分定位后，輸出標準NMEA格式的定位數(shù)據(jù)為WGS-84地心大地坐標，不能將立體坐標在平面上直接使用，這給農(nóng)機定位導航和精度測試帶來不便[11]。因此，需要將接收的原始GPS定位數(shù)據(jù)通過高斯-克呂格投影變換轉(zhuǎn)換為平面坐標，以方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和滿足實際應(yīng)用需求。具體轉(zhuǎn)換過程如下[12]：

設(shè)原始定位數(shù)據(jù)中的某一個緯度值為Bο，經(jīng)度值為Lο，其對應(yīng)的弧度分別為B和L，轉(zhuǎn)換后平面直角坐標系中縱坐標為x，橫坐標為y。計算公式為

(1)

t4+14η4-58t2η2)]+500000

(2)

式中 a—橢球長半軸，a=6378137m；

b—橢球短半軸；

?—橢球扁率，?=(a-b)/a=3.3528107×10-3；

其中，中間變量η=e′cosB，t=tanB，m=lcosB，l=L-Lο(Lο為投影帶中央子午線經(jīng)度：Lο=114°)。

3.2 系統(tǒng)的靜態(tài)精度試驗

為了驗證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和穩(wěn)定性，在華南農(nóng)業(yè)大學工程學院樓頂1個C級點處進行試驗。將定位系統(tǒng)固定在該點上，然后連接到廣州市CORS中心，接收RTCM3.0格式差分數(shù)據(jù)，分別在晴天和陰天2種天氣條件下，在固定點上做靜態(tài)定位測試9～10min。將采集到的GGA格式定位數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換后統(tǒng)計，定位精度統(tǒng)計如圖5所示。

在兩種天氣條件下，對農(nóng)機差分定位系統(tǒng)的內(nèi)符合精度進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計。從圖5可以看出：晴天時其內(nèi)符合精度小于7cm(95%)，陰天時其內(nèi)符合精度略大于7cm，在8cm以內(nèi)(95%)；但在晴天和陰天情況下，所有的測試點都落在以平均值為圓心、10cm為半徑的圓內(nèi)。

圖5 系統(tǒng)靜態(tài)定位精度統(tǒng)計圖Fig.5 Statistic of system positioning accuracy

3.3 系統(tǒng)的動態(tài)精度試驗

動態(tài)精度測試實驗在華南農(nóng)業(yè)大學華山運動場上進行。首先在運動場上畫出半徑為5m的圓，讓所設(shè)計的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)工作在廣州市CORS差分模式下沿著圓運動，重復實驗3次，并記錄定位數(shù)據(jù)。將實驗數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，取其相對值后畫出軌跡點圖，如圖6所示。

由圖6可以看出：所設(shè)計的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)在沿著半徑為5m的圓運動時，與實際軌跡的符合度較好，對圓的形狀保持得很好。表1給出定位系統(tǒng)在圓上運動的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表1可以看出：測試數(shù)據(jù)計算的半徑與真實半徑的誤差在10cm以內(nèi)。這表明，所設(shè)計的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)在動態(tài)定時的精度能達到厘米級，動態(tài)符合度高，可為農(nóng)業(yè)機械自動導航提供高精度定位數(shù)據(jù)。

測試最大半徑最小半徑平均半徑誤差15.314.745.050.0525.354.875.100.1035.294.885.070.07

4 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)的基于CORS技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)，可以免去農(nóng)田管理者自建基準站的麻煩，且該農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)采用可二次開發(fā)的低成本GPS板卡和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，在降低成本的同時其精度也得到保障。經(jīng)試驗，基于CORS技術(shù)的低成本農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)在不同天氣情況下，其靜態(tài)定位的內(nèi)符合精度為7～8cm，通過多次測量求平均值，其動態(tài)定位數(shù)據(jù)與真實值的誤差不超過10cm，動態(tài)符合度高，可作為高精度的位置傳感器用于農(nóng)業(yè)機械自動導航。

由于此次試驗的地點處于比較空曠的地方，沒有高層建筑的遮擋，所以GPS板卡定位和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸都比較理想，該農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)能夠較好地接收CORS中心的差分信息。農(nóng)業(yè)機械實際的工作環(huán)境可能相對比較惡劣，遮擋物也比較多，可能會對信號傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性造成影響，從而影響到農(nóng)業(yè)機械差分定位系統(tǒng)的精度，這就需要在以后的研究和工作中能夠找到某種算法來利用在差分信號丟失前的數(shù)據(jù)進行后續(xù)定位，保證其精度不會受到影響。

[1] 李強,李永奎.我國農(nóng)業(yè)機械GPS導航技術(shù)的發(fā)展[J].農(nóng)機化研究,2009,31(8):242-244.

[2] 姬長英,周俊.農(nóng)業(yè)機械導航技術(shù)發(fā)展分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014(9):44-54.

[3] 王素珍,吳崇友,袁文勝,等.基于CORS系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械定位問題研究[J].中國農(nóng)機化, 2011(5):50-52.

[4] 宋亞芳.差分GPS技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].河南農(nóng)業(yè),2014(9):54.

[5] 潘國兵,馮曉,徐兮. CORS系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械定位中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究, 2013,35(7):225-228.

[6] 魏卓,鄭琪,張俐,等.基于GPS-OEM的車載農(nóng)田面積測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2010(5):145-149.

[7] 李娜娜,何東健.基于ARM9和GPS的農(nóng)田面積測量儀設(shè)計[J].農(nóng)機化研究, 2009,31(5):155-157.

[8] 葛君山.基于單片機和GPS定位的自主導航采摘機器人設(shè)計[J].農(nóng)機化研究, 2016,38(12):237-241.

[9] 黃俊華,陳文森.連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京:科學出版社, 2009.

[10] 汪偉,史廷玉,張志全.CORS系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展及展望[J].城市勘測, 2010(3):45-47.

[11] 喬天榮.計算轉(zhuǎn)換參數(shù)提高手持式GPS接收機定位精度的方法與探討[J].測繪與空間地理信息, 2012(4):97-99.

[12] 張智剛,羅錫文,胡煉,等.4種DGPS模塊動態(tài)定位精度測試與分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報,2010(1):102-107.Abstract ID:1003-188X(2017)06-0120-EA

Design of Agricultural Machinery Differential Positioning System Based on CORS

Shi Ying1a, Wang Weixing1a,1b,2, Lu Jianqiang1a, Hu Ziang1a, Huang Dewei1a

(1.South China Agricultural University, a.College of Electronic Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education;2.National Engineering Research Center for Breeding Swine Industry, Guangzhou 510642, China)

In order to meet the demand of the high precision data collection in agricultural machinery automatic navigation of precision agriculture, this paper describes the problems of GPS differential positioning technology existing in precision agriculture and shows the important role of CORS technology plays in the precision agriculture. According to the analysis, a low cost GPS board and 4G wireless communication network module are adopted and a low cost agricultural machinery differential positioning system based on CORS technology is designed and developed. Meanwhile, the static inner precision and dynamic error of the system are tested. The result of test shows that the system is stable and its inner precision of static positioning is between 7 and 8 cm(95%) in clear weather or overcast, and error between the dynamic positioning data and the true value is with 10cm during several measures of average value so its dynamic conformity is high. Therefore, the system can be used as high positioning position sensor in agricultural machinery automatic navigation.

precision agriculture; CORS technology; automatic navigation; low cost; 4G network

2016-05-05

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201411019)

石 穎(1989-)，男，廣東揭陽人，碩士研究生，(E-mail)1356516141@qq.com。

王衛(wèi)星(1963-)，男，河北宣化人，博士生導師，博士，中國農(nóng)業(yè)工程學會會員(E041200223S)，(E-mail)weixing@scau.edu.cn。

S127

A

1003-188X(2017)06-0120-04