黑龍江墾區精準農業兩種GPS差分方式比較研究

 

摘要：為了精準農業技術示范試驗需要，采用了GPS定位差分系統，以提高GPS系統定位精度。本文對黑龍江墾區現有兩種精準農業GPS差分方式進行了介紹，并對兩種GPS差分方式進行了比較研究。

　　關鍵詞：精準農業，全球定位系統，差分系統

　　1.前言

　　2002年黑龍江農墾總局在友誼農場五分場二隊引進美國CASE公司整套精準農業機械設備，建立了友誼農場精準農業試驗示范基地。2003年黑龍江農墾總局又在大西江農場引進美國JOHNDEERE公司整套精準農業機械設備，建立了大西江精準農業試驗示范基地。通過對兩個試驗示范基地GPS差分方式的比較，對兩種GPS差分方式有了一個初步認識。

　　2.全球衛星定位系統（GPS）

　　全球定位系統GPS(GlobalPositioningSystem)是美國的第二代衛星導航定位系統。GPS的空間部分使用24顆衛星組成全球衛星定位系統，每天24小時為全球陸、海、空用戶全天侯提供三維位置、速度和時間信息。全球定位系統(GPS)自從建立以來，已得到非常廣泛的應用。但美國出于其戰略上的考慮，對外應用上,于1991年7月開始實施SA政策，SA(SelectiveAvailability)稱為有選擇可用技術,即人為地將誤差引入衛星鐘和衛星數據中，故意降低GPS定位精度，使用戶的GPS接收機精度都在100米左右。雖然美國政府1999年取消SA政策，但定位精度仍然在15米左右，這樣的精度不能滿足實際應用需要，也給使用者帶來極大不便。

　　3.差分GPS定位系統（DGPS）

　　為了提高GPS定位精度，采用差分技術（DifferentialGPS）可以改善因各種誤差所影響的定位精度，使定位精度提高到亞米級或厘米級。差分定位是在一個地理位置準確已知點建立差分基準臺，實時計算出差分誤差信息，并將此信息傳送給用戶，用戶即可得到高精度定位。

　　3.1友誼農場區域自主型地面站GPS差分系統

　　友誼農場精準農業技術示范試驗基地DGPS定位系統采用區域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用偽距差分方式（RTCM方式，RadioTechnicalCommissionforMaritimeServices，航海無線電技術委員會），在基準站上的GPS接收機求得它至可見衛星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較求出其偏差，然后將所有衛星的測距誤差利用數傳發射電臺傳輸給田間作業機器（如聯合收割機），田間作業機器上的GPS接收機接收GPS信號的同時利用數傳接收電臺接收測距誤差來改正測量的偽距，**后利用改正后的偽距來解出自身的位置，從而消去公共誤差，提高定位精度。GPS的定位誤差一般在15m以內，而RTCM差分后的DGPS的定位誤差是亞米級的，即定位誤差在1m以內，這種精度能保證農業生產中的定位需求。區域自主型GPS差分系統組成如圖1所示。

　　圖1區域自主型GPS差分系統組成示意圖

　　1.聯合收割機；2.車載AG132型GPS天線；3.數傳接收電臺天線；4.GPS衛星；5.35瓦PCC數傳發射電臺天線；6.固定AG214型GPS天線；7.友誼農場五分場二隊辦公樓

　　黑龍江省友誼農場五分場二隊DGPS系統由地面固定式GPS差分站和移動式DGPS接收系統組成。地面GPS差分站設備包括Ag214（MS750）型雙頻GPS接收機，GPS接收天線、35瓦PCC數傳發射電臺、PCC數傳電臺發射天線、12伏直流穩壓電源等組成。

　　Ag214（MS750）型GPS接收機由美國天寶（Trimble）公司生產，為精確動態定位而設計的雙頻GPS接收機，在精確定位、導航及控制等領域有著廣泛的應用，該接收機的精度高，適合作為地面GPS差分基準站的接收機。

　　數據鏈（差分數據的無線傳輸）使用的是甚高頻（UHF）的無線電通訊設備（數傳電臺），傳輸距離與電臺發射天線高度、功率及移動站天線和基準站天線間的阻擋有關。友誼農場五分場二隊辦公樓頂部PCC數傳電臺發射天線長度2米，架設高度為14米。經過實際測試，數傳電臺作用距離為30公里，完全可以滿足精準農業試驗需要。

　　移動式DGPS接收系統由接收衛星信號的移動式Ag132型GPS接收機和用于接收差分信號的PCC無線電數傳接收機組成，PCC無線電數傳接收機通過RS-232串行接口與Ag132型GPS接收機相連接，RS-232串行接口數據傳輸設置為RTCM格式，即差分信號格式，波特率為9600b/s、8個數據位、1個起始位、1個停止位、沒有校驗位。

　　3.2大西江農場GPS衛星差分系統

　　黑龍江墾區九三農墾分局大西江農場精準農業試驗示范基地采用GPS差分方式是衛星差分形式。GPS衛星差分系統組成示意圖如圖2所示。（圖中為表示清楚，聯合收割機上安裝的GPS接收機天線和差分信號接收機天線為分置的，實際兩個天線合置在一個圓球形天線內部，特此說明。）

　　圖2GPS衛星差分系統組成示意圖

　　大西江農場的約翰迪爾公司“綠色之星”精準農業系統采用“星火”DGPS接收機，該DGPS接收機采用雙頻差分SF2衛星差分系統，平均定位精度誤差為±4英寸（±10厘米）。地球同步衛星差分系統是由美國修斯頓OMNISTAR公司提供，OMNITSTAR廣域衛星差分服務被約翰迪爾的“綠色之星”系統所使用。OMNISTAR衛星差分信號，覆蓋全球90%的區域，約翰迪爾公司“星火”GPS網絡衛星差分系統，有兩個地面注入站，將差分信號送上修斯頓公司三顆地面同步衛星。

　　4.差分方式比較研究

　　黑龍江墾區GPS差分形式目前有地面站差分和衛星差分兩種形式。友誼農場采用地面基準站差分方式；大西江農場采用衛星差分方式，這兩種差分方式各有優缺點。

　　友誼農場五分場二隊試驗示范基地應用區域自主型單站DGPS系統，一次性建站投資比較大，后期運行費用比較低，沒有衛星差分信號服務費用，但服務半徑相對較小，大約為30公里左右。基準站采用AG214型雙頻GPS接收機，定位精度較高，但價格也較高；車載移動GPS采用AG132型單頻GPS接收機,價格較低，但定位精度低于雙頻接收機，差分信號傳輸格式為偽距差分（RTCM）。友誼農場DGPS系統經過兩年試驗示范表明，該系統工作穩定、定位精度達到目前友誼農場精準農業試驗示范需要。

　　大西江農場應用的DGPS系統為衛星差分GPS系統，該差分方式是一種收費提供差分服務的形式，服務半徑比較大，每臺“星火”DGPS定位系統每年要向約翰迪爾公司交納800美元差分信號服務費用。車載移動DGPS采用“星火”雙頻差分GPS接收機,定位精度較高，價格相應也較貴。由于大西江農場引進的大型氣吹式變量施肥播種機幅寬18米，配備劃印器比較困難，沒有安裝劃印器，依靠DGPS設備對拖拉機進行自動導航。為了避免重播、漏播，要求配備在拖拉機上的DGPS定位設備定位導航精度比較高，配套的“星火”DGPS定位設備“趟—趟”運動精度誤差為±10厘米。由于設備引進的時間比較短，定位精度能否達到達到大西江農場精準農業導航（高定位精度）試驗示范需要，還需要進一步測試和試驗。

　　作者簡介：王新忠，女，41歲，黑龍江八一農墾大學工程學院副教授，主要從事工程力學教學及精準農業科研工作。

　　資助項目：國家高技術研究發展計劃（課題編號：2003AA209090）資助

　　作者聯系方式：黑龍江省大慶市開發區黑龍江八一農墾大學工程學院王新忠

 

發表于 @ 2008年06月29日 10:43:00 |點擊數（）

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