北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航中的應(yīng)用研究

朱小韋 周榮

摘要：本文介紹了北斗定位系統(tǒng)在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航中的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航中的具體應(yīng)用，展現(xiàn)了其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中良好應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗定位系統(tǒng);精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);自動(dòng)導(dǎo)航

0 引言

目前中國糧食產(chǎn)量穩(wěn)定，連續(xù)五年穩(wěn)定在6.5億噸臺(tái)階之上，但是農(nóng)產(chǎn)品供需結(jié)構(gòu)性矛盾突出，表現(xiàn)在：1）糧食因品質(zhì)不均一、品質(zhì)差而導(dǎo)致“賣糧難”：小麥優(yōu)質(zhì)率不足10%，優(yōu)質(zhì)麥年需求 2000萬噸，其中進(jìn)口 1000萬噸;2）高品質(zhì)消費(fèi)需求得不到滿足：2003年起，城鄉(xiāng)居民食物消費(fèi)升級(jí)并不斷提升，糧食的安全成為強(qiáng)需求。生物效能產(chǎn)出達(dá)到瓶頸，而數(shù)字施肥、土壤、播種管理技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能的貢獻(xiàn)率連年增高。未來農(nóng)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型加快，需依靠數(shù)字管理技術(shù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將導(dǎo)航、通信與自動(dòng)化控制技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行田間管理，針對(duì)田間具體環(huán)境與作物狀況因地制宜，精細(xì)準(zhǔn)確地開展施肥、施藥等土壤管理及播種、收割等作物管理措施。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的為降低產(chǎn)業(yè)投入條件下獲取更優(yōu)的產(chǎn)出，提升作物產(chǎn)量和質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3] 。發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的本質(zhì)目的就是通過降低產(chǎn)業(yè)投入量，在有限的土地資源和作業(yè)條件下，生產(chǎn)出高產(chǎn)量和高質(zhì)量的農(nóng)作物，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、管理信息系統(tǒng)及自動(dòng)化控制等[2]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)支撐，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。2020年6月23日最后一顆北斗衛(wèi)星升空，作為我國完全自主設(shè)計(jì)的全球定位系統(tǒng)，全球范圍定位精度優(yōu)于10m（根據(jù)最新測(cè)算，全球?qū)崪y(cè)定位精度均值為 2.34m），北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供免費(fèi)、實(shí)時(shí)的無源定位服務(wù)，必將在推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航的發(fā)展中，起到重要的助推劑作用。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)國內(nèi)外現(xiàn)狀

（1）國外現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代美國提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的構(gòu)想，1995年美國在聯(lián)合收割機(jī)上裝備GPS，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化作物收割應(yīng)用，標(biāo)志著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的誕生。在隨后的發(fā)展中，利用 GPS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化機(jī)械的結(jié)合逐漸實(shí)現(xiàn)了播種、收割、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)作業(yè)的精細(xì)化，大大降 低了大面積作業(yè)下的人力和資源投入，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)收益。歐洲、北美、澳大利亞、日本等多個(gè)國家相繼開展本國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，并基于衛(wèi)星導(dǎo)航、微機(jī)械慣導(dǎo)（MEMSINS）等技術(shù)發(fā)展相應(yīng)的自動(dòng)化農(nóng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)生產(chǎn)，如無人播種機(jī)、無人駕駛拖拉機(jī)等[4]。

（2）國內(nèi)現(xiàn)狀

中國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展起步較晚，但在國家“863”計(jì)劃等重大專項(xiàng)的支持下，中國在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了較快發(fā)展。我國主要集中在將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于農(nóng) 機(jī)引導(dǎo)方面，如將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于無人駕駛拖拉機(jī)自主導(dǎo)航和高精度作業(yè)方面，例如：雷沃公司農(nóng)機(jī)直線跟蹤精度±2.5cm，接行精度±2.5cm，解決了“播行不直，接行不準(zhǔn)”的瓶頸。隨著4G/5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和千尋網(wǎng)絡(luò)高精度定位技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合傳感器，自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)正在貫穿于監(jiān)控終端（播種監(jiān)控、產(chǎn)量監(jiān)控等），如下圖1，技術(shù)日臻完善。

2 北斗簡(jiǎn)介及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.北斗簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （BDS）是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、運(yùn)控段、和用戶段組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)堅(jiān)持“三步走 ”發(fā)展戰(zhàn)略，第一步形成區(qū)域有源服務(wù)能力，2000年，我國建成了由2顆北斗一號(hào)GEO軌道衛(wèi)星組成的國內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星試驗(yàn)系統(tǒng)。2003年和2007年，我國又發(fā)射第3顆、第4顆北斗一號(hào)GEO軌道衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能;第二步形成區(qū)域無源服務(wù)能力，2012年，我國建成了由14顆北斗二號(hào)衛(wèi)星（5顆 GEO衛(wèi)星+5顆 IGSO衛(wèi)星+4顆MEO衛(wèi)星）組成的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座。第三步形成全球無源服務(wù)能力，2020年6月，我國建成了由30顆北斗三號(hào)衛(wèi)星（3顆GEO衛(wèi)星+3顆IGSO衛(wèi)星+24顆MEO衛(wèi)星）組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座，北斗三號(hào)衛(wèi)星完成空間星座部分組網(wǎng)，完成建設(shè)后的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)、并具備短報(bào)文通信能力。

2.北斗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

農(nóng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)，對(duì)定位精度有一定的要求，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度的需求與作物種類和作業(yè)方式高度相關(guān)，隨著定位性能的提升投入成本也迅速增加，不同的農(nóng)機(jī)作業(yè)，需要不同的定位精度。自動(dòng)化駕駛、變量播種、土地整理需要厘米級(jí)定位精度;信息采集、變量控制、產(chǎn)量監(jiān)控、作業(yè)統(tǒng)計(jì)需要分米級(jí)定位精度;農(nóng)機(jī)監(jiān)控、調(diào)度導(dǎo)航、作業(yè)監(jiān)測(cè)等只需要米級(jí)定位精度[5]。

相對(duì)于別的定位系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下：

覆蓋范圍廣：北斗系統(tǒng)特有的GEO+IGSO+MEO星座分布使得衛(wèi)星更多地分布在東經(jīng) 84°-160°區(qū)域，在我國信號(hào)覆蓋范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定位，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)衛(wèi)星定位連續(xù)性和有效性的需求。

提供三頻定位，定位精度高：北斗已可為民用用戶提供B1/B2/B3 3個(gè)頻點(diǎn)的定位服務(wù)。對(duì)于單點(diǎn)定位，三頻有助于將空間導(dǎo)航信號(hào)傳播的電離層誤 差更好地消除，以獲得精度更優(yōu)的定位性能。

3、北斗在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)導(dǎo)航中的應(yīng)用

結(jié)合我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和北斗定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中導(dǎo)航中的規(guī)模應(yīng)用，主要在三個(gè)方面，一是精準(zhǔn)自動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用，二是精準(zhǔn)作業(yè)應(yīng)用，三是精準(zhǔn)管理應(yīng)用[6]。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位的自動(dòng)駕駛導(dǎo)航技術(shù)直接驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)可以代替人工操作方向盤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

1.自動(dòng)駕駛導(dǎo)航工作原理

在導(dǎo)航顯示終端（車載田間計(jì)算機(jī)）中，設(shè)定到航線，通過方向輪轉(zhuǎn)角傳感器、北斗接收機(jī)、慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)，計(jì)算拖拉機(jī)與預(yù)設(shè)導(dǎo)航線

的偏離距離和航向，然后通過導(dǎo)航控制器，驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即時(shí)修正拖拉機(jī)方向輪的行駛方向自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)在拖拉機(jī)的作業(yè)過程中，不斷進(jìn)行測(cè)量控制動(dòng)作，拖拉機(jī)的行走路線無限接近于期望和預(yù)設(shè)的作業(yè)路徑，如下圖2。

2.自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成

（1）差分信號(hào)源

差分信號(hào)是拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)。差分信號(hào)播發(fā)途徑主要包括：

①通過無線電臺(tái)播發(fā)，拖拉機(jī)需要配置一套無線數(shù)傳電臺(tái);

②通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)，通過內(nèi)置的移動(dòng)通信模塊接入差分信號(hào);

③通過衛(wèi)星播發(fā)，接收機(jī)通過北斗天線接收星基增強(qiáng)信號(hào)。

（2）GNSS天線

GNSS天線安裝于拖拉機(jī)車頂?shù)闹行奈恢?，可以接受北斗雙頻或三頻信號(hào)。

（3）無線電臺(tái)

差分信號(hào)以無線電臺(tái)播發(fā)時(shí)，拖拉機(jī)也配置使用同樣頻率的無線數(shù)傳接受電臺(tái)。

（4）GNSS接收機(jī)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)使用雙頻接收機(jī)，利用差分信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算精確的三維坐標(biāo)。

（5）轉(zhuǎn)角傳感器

轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)方向輪的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)角傳感器通常安裝于拖拉機(jī)的兩個(gè)方向輪之間。

（6）導(dǎo)航控制器

導(dǎo)航控制器內(nèi)置高靈敏度慣性測(cè)量傳感器進(jìn)行地形補(bǔ)償，接收并處理轉(zhuǎn)角傳感器、北斗接收機(jī)和導(dǎo)航路徑信息，向電動(dòng)機(jī)或者液壓閥等轉(zhuǎn)向控制器輸出控制信號(hào)。

（7）轉(zhuǎn)向控制裝置

轉(zhuǎn)向控制裝置主要包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩類，如下圖3，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械式輔助駕駛導(dǎo)航和液壓式自動(dòng)駕駛導(dǎo)航。

（8）導(dǎo)航顯示終端

導(dǎo)航顯示終端主要是由計(jì)算機(jī)單元、顯控屏幕、I/○接口等硬件組成。部分顯示終端還與衛(wèi)星接收機(jī)、光靶及慣導(dǎo)系統(tǒng)集成在一起。

通過通信、導(dǎo)航定位、自動(dòng)控制的整合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的自主駕駛和自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前我國用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的北斗導(dǎo)航定位裝備： 支持北斗/GPS雙模定位;支持單點(diǎn)定位/動(dòng)態(tài)RTK 位;支持基準(zhǔn)站/ 流動(dòng)站切換;單點(diǎn)定位精度，水平1.8m垂直3.6m;動(dòng)態(tài)RTK定位精度，水平 10mm±1ppm 垂直 20mm±1ppm。大規(guī)橫的應(yīng)用推廣的區(qū)域主要分布在黑龍江和新疆，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在播種環(huán)節(jié)，如玉米棉花馬鈴薯、水稻的播種。

4、結(jié)語

北斗應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)導(dǎo)航，有效提高了作業(yè)質(zhì)量和改善了作物生長環(huán)境，大大提高了作業(yè)效率，但還存在一些問題：

（1）應(yīng)用裝備領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，產(chǎn)品良莠不齊;

（2）在差分增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，缺少技術(shù)和管理協(xié)調(diào)，基準(zhǔn)站重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重;設(shè)備故障維修成本高等。

隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，上述問題會(huì)不斷得到解決，北斗在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

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