北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上的發(fā)展現(xiàn)狀分析

鄭 巍，黃盛杰，陳 智

（江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 南京 210017）

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）是由中國(guó)獨(dú)立建造和運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，著眼于國(guó)家安全以及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要，意在為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的重要國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施。

上個(gè)世紀(jì)末，我國(guó)開(kāi)始了探索適合本國(guó)國(guó)情衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展道路，并逐步形成了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略：到2000年底，北斗一號(hào)系統(tǒng)建成，能為國(guó)內(nèi)提供服務(wù)；到2012年底，北斗二號(hào)系統(tǒng)建成，能為亞太地區(qū)提供服務(wù)；在2020年前，建立北斗全球體系，為全球提供服務(wù)。在2035年前，建立和完善更普及、更集成、更智能的集成時(shí)空系統(tǒng)。

隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新的活力。

2 BDS 系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于土壤環(huán)境勘察

農(nóng)作物種植前需要對(duì)農(nóng)田種植環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行技術(shù)勘察，并且根據(jù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)做好農(nóng)作物種植方案的選擇。以往人工方式的勘察活動(dòng)，結(jié)果準(zhǔn)確率得不到保障?；贐DS 系統(tǒng)的應(yīng)用，準(zhǔn)確獲取采樣位置信息，將化驗(yàn)后的土壤肥力信息與位置信息結(jié)合，獲得土壤肥力分布圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)擬種植土地土壤環(huán)境的檢測(cè)與分析，收集土壤中水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)信息，為農(nóng)作物選擇與種植提供數(shù)據(jù)保障。

2.2 應(yīng)用于作物成長(zhǎng)監(jiān)控

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物成長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，其生長(zhǎng)情況受到天氣條件、土壤、水源以及施肥量等多種因素影響。在此過(guò)程中，針對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行必要監(jiān)控，強(qiáng)化種植過(guò)程管理工作，具有重要意義和價(jià)值。然而，傳統(tǒng)工作模式下，人工監(jiān)測(cè)方式存在管理不足、監(jiān)視工作效率低等問(wèn)題。而B(niǎo)DS 系統(tǒng)的應(yīng)用，可利用衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)農(nóng)作物，期間利用傳感器裝置傳遞農(nóng)作物生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害信息。提升對(duì)農(nóng)作物成長(zhǎng)環(huán)境的技術(shù)監(jiān)控，并對(duì)生產(chǎn)管理決策提供技術(shù)支撐。

2.3 應(yīng)用于無(wú)人駕駛拖拉機(jī)

借助遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人駕駛操作。其基本工作原理是利用BDS 的定位技術(shù)和安裝在拖拉機(jī)上的攝像機(jī)實(shí)時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以便控制中心的技術(shù)人員可以實(shí)時(shí)掌握情況，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。通過(guò)安裝在車輛上的BDS，可以將農(nóng)田劃分為數(shù)據(jù)網(wǎng)格以嚴(yán)格按照既定程序進(jìn)行精確耕種，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作的數(shù)字精確作業(yè)[1]。這種農(nóng)機(jī)的應(yīng)用大大提高了耕作效率，減少了勞動(dòng)者的工作量。同時(shí)，可以高質(zhì)量的保證耕種質(zhì)量。此種農(nóng)機(jī)還可以選擇在夜間工作，同時(shí)減少能源消耗和肥料使用量。

2.4 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)航空上

BDS 還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)航空上，基本原理是根據(jù)不同區(qū)域的差異，施用恰到好處的農(nóng)藥和化肥。當(dāng)農(nóng)用飛機(jī)到達(dá)指定作業(yè)區(qū)域時(shí)，BDS 系統(tǒng)會(huì)對(duì)該作業(yè)區(qū)域的基本信息做分析并傳遞到控制中心，然后做精準(zhǔn)定位和自動(dòng)導(dǎo)航，按照BDS 系統(tǒng)發(fā)出的作業(yè)命令，對(duì)指定區(qū)域噴灑藥物。BDS 技術(shù)和農(nóng)業(yè)航空的深度融合極大的促進(jìn)了國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的快速發(fā)展。這一技術(shù)一方面可以節(jié)省勞動(dòng)力，縮減勞動(dòng)時(shí)間，另一方面不浪費(fèi)農(nóng)藥和化肥，大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

2.5 應(yīng)用于收割機(jī)與播種機(jī)

發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)很早的使用GPS 技術(shù)于農(nóng)業(yè)機(jī)械之中，在國(guó)外已經(jīng)具有成熟的GPS 技術(shù)應(yīng)用于收割機(jī)和播種機(jī)。目前國(guó)內(nèi)BDS 技術(shù)的發(fā)展水平還處于起步階段，距離國(guó)際發(fā)展水平還有一定差距。其技術(shù)原理是在相關(guān)傳感器配合下使用BDS 技術(shù)把農(nóng)田數(shù)字化處理并進(jìn)行農(nóng)田分區(qū)。通過(guò)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算得到整個(gè)農(nóng)田的農(nóng)作物產(chǎn)量和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，以獲得產(chǎn)量分布圖。然后利用以上分析結(jié)果自動(dòng)獲得機(jī)械的相關(guān)參數(shù)，如收割速度、脫粒進(jìn)料量等，從而制定出最佳的收割計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)收割質(zhì)量和效率的優(yōu)化。以上過(guò)程可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件做到智能控制。在具體使用中，采用按需分配的基本依據(jù)，并配置合理的機(jī)械設(shè)備，確保耕地科學(xué)合理地運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)于有間距要求的秧苗移栽播種和標(biāo)準(zhǔn)化種植，精度可以達(dá)到厘米水平，能夠達(dá)到很好的播種效果，均勻性、播種深度都很好[2]，從而提高農(nóng)作物對(duì)陽(yáng)光的利用效率，獲得最科學(xué)的種植技術(shù)。

2.6 應(yīng)用于農(nóng)機(jī)管理

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控工作效率較低，對(duì)于現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用能力不夠，農(nóng)田作業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平將受到限制，并且以往農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控技術(shù)集約化程度也不夠。基于BDS 系統(tǒng)的應(yīng)用，有利于農(nóng)田作業(yè)監(jiān)控能力提升。技術(shù)應(yīng)用中，如農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航感知單元，安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的攝像頭、耕深傳感器等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控，通過(guò)后臺(tái)算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)面積的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。例如，可以全面掌握每臺(tái)機(jī)器的具體位置及其當(dāng)前的工作狀況，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)分析和匯總有關(guān)整個(gè)機(jī)器使用的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得機(jī)器在作業(yè)區(qū)域的工作距離和工作時(shí)間后根據(jù)油耗和機(jī)械損耗的程度在合適的位置布置加油站和養(yǎng)護(hù)站。這樣，既可以保證機(jī)械作業(yè)的可靠性，技術(shù)人員也可以知道故障農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置。此外，配備BDS 系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)還可以在實(shí)現(xiàn)自身的安全保護(hù)，例如自動(dòng)報(bào)警功能和車鎖功能，其原理與普通車輛相同，控制中心可以設(shè)置行駛速度警報(bào)值。一旦機(jī)械行駛超速，超速信息會(huì)立即傳遞到控制中心，控制中心可以及時(shí)調(diào)整農(nóng)機(jī)距離[3]。當(dāng)這一技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)上時(shí)，可以控制飛機(jī)和作物之間以及飛機(jī)與飛機(jī)之間的安全飛行間距。通過(guò)這種技術(shù)的數(shù)字化控制，可以對(duì)飛機(jī)的每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定位，實(shí)現(xiàn)速度的控制與安全性的控制。甚至在大霧天氣情況下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盲降，極大地提高飛行的安全和作業(yè)質(zhì)量。

3 BDS 系統(tǒng)應(yīng)用存在的問(wèn)題

盡管BDS 系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用具有許多優(yōu)勢(shì)，例如精確定位、導(dǎo)航、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及作業(yè)質(zhì)量與產(chǎn)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是由于受許多現(xiàn)實(shí)情況的限制，衛(wèi)星定位技術(shù)在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展上仍然有很多問(wèn)題[4]。

3.1 地區(qū)差異大

我國(guó)的耕地面積較大，不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)用地存在的地形地貌也有著很大的差異，除了北方平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕地大面積相連接以外，剩余地區(qū)由于地形不平、地塊面積小等問(wèn)題，并不適合大規(guī)模農(nóng)機(jī)作業(yè)，同時(shí)受到土壤、氣候、海拔等因素的影響，許多農(nóng)機(jī)不能使用。這些原因?qū)е罗r(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化程度、種類、型號(hào)等方面存在很大差別，不利于BDS 系統(tǒng)的廣泛普及。

3.2 技術(shù)難度高、人才少

衛(wèi)星定位技術(shù)屬于高新技術(shù)，所涉及的知識(shí)面非常廣泛，所依托的技術(shù)層面和科學(xué)類別也很多，因此單獨(dú)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的衛(wèi)星定位技術(shù)的研發(fā)存在著較多的問(wèn)題，由于現(xiàn)階段對(duì)農(nóng)機(jī)衛(wèi)星的重視度不夠高、研發(fā)經(jīng)費(fèi)非常有限、相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)和從業(yè)人員比較少、農(nóng)機(jī)衛(wèi)星行業(yè)利潤(rùn)低等因素，都大大限制了農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展。

3.3 安裝、使用費(fèi)用高

盡管我國(guó)的BDS 系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功，并且已經(jīng)基本完成全球布網(wǎng)，但目前的應(yīng)用范圍還是相對(duì)較小，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的使用剛剛開(kāi)始。并且衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安裝和使用成本高，許多農(nóng)場(chǎng)和農(nóng)村家庭負(fù)擔(dān)不起這一費(fèi)用，這在一定程度上限制了BDS 技術(shù)的推廣。

3.4 農(nóng)民使用有一定困難

BDS 系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，必須要經(jīng)過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)才能操作和使用。農(nóng)民要學(xué)習(xí)和使用BDS 系統(tǒng)具有一定的難度，對(duì)于系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的處理能力較弱，而專門(mén)BDS 技術(shù)服務(wù)的專業(yè)人員較少，服務(wù)水平參差不齊。

3.5 衛(wèi)星定位產(chǎn)品參差不齊

目前，我國(guó)市場(chǎng)上用于農(nóng)機(jī)的衛(wèi)星定位產(chǎn)品存在功能不完善、品種單一、質(zhì)量不足等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)公司不注重技術(shù)自主研發(fā)，一味地仿造國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品，在技術(shù)先進(jìn)程度、開(kāi)發(fā)能力上有很大不足。

4 BDS 系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要性愈發(fā)凸顯，在一定程度上影響著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的未來(lái)發(fā)展方向。利用衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位已經(jīng)可以在一定程度上提高農(nóng)機(jī)的工作效率和運(yùn)行質(zhì)量，還可以減輕農(nóng)機(jī)駕駛員的工作強(qiáng)度，但DBS 系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用是非常廣泛的，其實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。

4.1 向具有高適應(yīng)能力發(fā)展

相比于其他由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的惡劣工作環(huán)境，這要求導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性，以應(yīng)對(duì)不同情況下的農(nóng)業(yè)機(jī)械操作，例如在衛(wèi)星信號(hào)干擾的情況下，更先進(jìn)的分析技術(shù)或視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)可確保農(nóng)業(yè)機(jī)械可以在信號(hào)較弱的區(qū)域行駛。再例如，當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在預(yù)定路線行駛中遇到意外情況時(shí)，需要調(diào)整行駛路線，或者需要改變行駛路線，要求導(dǎo)航系統(tǒng)及時(shí)設(shè)計(jì)新的工作路線以確保農(nóng)業(yè)作業(yè)的可靠性。農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位傳感器需要具有一定的適應(yīng)性，可以應(yīng)付噪聲、氣候、地理環(huán)境等因素的干擾，以適應(yīng)農(nóng)機(jī)工作的復(fù)雜環(huán)境，確保農(nóng)機(jī)工作效率。

4.2 向更實(shí)用方向發(fā)展

衛(wèi)星定位技術(shù)將更實(shí)際地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，近年來(lái)，也成功開(kāi)發(fā)了用于蔬菜和水果的自動(dòng)收割機(jī)器人。在BDS 定位和導(dǎo)航的控制下，農(nóng)業(yè)機(jī)械正朝著無(wú)人駕駛和自動(dòng)收割邁進(jìn)。比如在平原地區(qū)大面積的連接田地，采用BDS 技術(shù)呈圖，再利用相關(guān)處理技術(shù)配合標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)，得出農(nóng)田的整體數(shù)據(jù)情況，知道農(nóng)田土壤的相關(guān)生化指標(biāo)（濕度、溫度、化學(xué)成分、排水溝等），其技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象上也是可以很好運(yùn)用的，比如監(jiān)測(cè)、天氣預(yù)警等，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有巨大的實(shí)際價(jià)值，比如可以在播種、收獲、灌溉等易于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的作業(yè)環(huán)境中起到相當(dāng)大的作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)與管理中，需要加強(qiáng)北斗全球定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，并且對(duì)傳感技術(shù)以及現(xiàn)代化智能網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展貢獻(xiàn)主要力量。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，也促使了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化發(fā)展，對(duì)提升生產(chǎn)效率、作業(yè)質(zhì)量將產(chǎn)生重要影響。從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大發(fā)展。讓我國(guó)農(nóng)業(yè)逐步邁向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化，為將來(lái)的農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)后盾。與此同時(shí)，在提高農(nóng)機(jī)效率的時(shí)候還應(yīng)該考慮在我國(guó)的普及程度，以及操作難度。在未來(lái)的農(nóng)業(yè)發(fā)展中應(yīng)該大力培養(yǎng)農(nóng)業(yè)技術(shù)人才，建立與之配套的服務(wù)系統(tǒng)。