北斗卫星导航系统在农业领域的应用初探*

2015-04-02

四川农业与农机 2015年4期

1 北斗卫星导航系统简介

北斗卫星导航系统（BDS）是我国自行研制、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容互用的全球卫星导航系统。BDS包括北斗一号和北斗二号两代导航系统。其中，北斗一号于2003年建成，是北斗卫星导航试验系统，也称双星定位导航系统，属于有源定位系统，是主动式双向测距二维导航，由地面中心控制系统解算，提供给用户三维定位数据，具备短报文功能，但其系统容量有限。北斗二号属于无源定位系统，同时具备短报文通信能力。截至2012年底，北斗二号已发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，初步具备覆盖亚太大部分区域导航、定位和授时能力，定位精度10 m，测速精度0.2 m/s，授时精度10 ns。北斗二号计划于2020年左右形成全球覆盖能力，将在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度高可靠性定位、导航、授时等服务（以下所称BDS指北斗二号）。

2 提高BDS定位精度的方法

BDS单频定位精度为10 m，双频定位精度从10 m跃升至米级、甚至分米级。在实际应用中，多采用基准站差分定位技术来提高导航系统的定位精度，如在北京顺义现代农业万亩示范区应用示范的国内首个“基于北斗系统的精准农业应用示范项目”就是采用田间差分基准站。基准站差分定位技术利用已知精确三维坐标的差分基准站进行观测，计算出基准站到卫星的距离修正数，并由基准站实时发送修正数据。用户接收机在进行观测的同时，也接收到基准站发出的修正数，并对其定位结果进行修正，从而提高定位精度。

为提高BDS定位精度，各地开始建设北斗地基增强系统（也可称为“北斗精密定位服务系统”），它以BDS为主，可兼容其他卫星导航系统。通过在一定区域布设若干个BDS连续运行参考基站（CORS），对区域定位误差进行整体建模，通过无线数据通讯网络向用户播发定位增强信息（导航信号修正量和辅助定位信号），提高用户的定位精度。通俗来讲，它实际是在地面建立“站点”，利用地面的“网络”来增强天上“网络”的定位导航精度[1]。湖北已建成国内首个北斗地基增强系统，上海、重庆也相继建成。

3 BDS在农业上的应用

3.1 农业航空

BDS与航空农业结合是农业机械化的发展和延伸，其优势是省时省力不误农时，可完成地面机械无法完成的项目，节约种子、农药和化肥，降低成本[2]。BDS在农业航空方面的应用主要在播种、植保和施肥领域。在航空作业前，作业规划人员通过手持北斗用户终端测量确定作业区域的边界，或通过已有电子地图确定作业边界，形成作业区域地图，并规划出作业航路图。作业时，飞机采用北斗导航仪沿着规定路线作业，有效避免重复和遗漏。需要重新加载化肥种子或农药时，通过读取北斗导航仪记录的上次结束作业时的关键节点，待继续作业时从该关键节点继续作业。通过北斗导航仪获取的飞行轨迹、喷雾系统开与关、飞行速度等信息，可输入地理信息系统（GIS）系统中，用以分析作业质量等。

3.2 农田信息采集与测土配方施肥等

测土配方施肥技术是指通过对土壤进行测试，及时掌握土壤的肥力状况，并按照不同农作物的需肥特征和农业生产的需要进行肥料用量和配比，以促进农作物对肥料的吸收，提高肥料的利用效率，促进农作物的增产，是一种科学、有效的施肥方法[3]。采用北斗用户终端定位，进行土壤采样，记录采样位置，在实验室进行土壤测试，测试结果通过GIS绘制土壤养分空间分布图（包括pH值、氮、磷、钾、有机质层等成分的分布情况），结合作物对肥料的需求特征，决定肥料的最佳施用量，在GIS中绘制变量施肥处方图。施肥作业时，根据施肥处方图控制不同位置的施肥量。

采用类似方法，BDS可用于病虫害处方防治和土壤污染情况监测、大田水份和温度监测、产量监测等农田信息采集。

3.3 跨区作业农机监管

农机跨区作业始于1996年，发展至2014年，跨区作业农机数量已由最初的2.3万台增加至30万台，对抢种抢收、保农时发挥了重要作用。跨区作业农机监管通过监管服务平台和农机车载终端实现。监管服务平台是整个监管系统的中心，可及时向车载系统播发相关信息，接收车载终端发送来的位置信息、求助信息等，还将农机位置显示于电子地图上，以便合理有序地引导跨区作业农机，减少农机供大于求或供不应求情况。农机车载终端指北斗用户终端，机手可通过它及时接收服务平台播发的天气预报和作业需求等信息，农机作业期间出现故障或事故，机手也可及时求助。

3.4 拖拉机自动驾驶

拖拉机自动驾驶技术的使用可保证精确的作业行距、方向及间距，并且长时间作业无须常规标记，在降低人工技术需求的同时提高了作业精度[4]。拖拉机自动驾驶系统主要包括导航控制、路径规划、自动转向、自动变速等关键技术[5]。我国自主研发的BDS将深入应用于拖拉机自动驾驶，实现拖拉机自动驾驶系统的导航控制，服务于现代农业，应用前景广阔。在BDS定位精度难以满足自动驾驶需求的作业区域，建立田间差分基准站，提高定位精度使其满足自动驾驶精度要求。在田间作业区域的电子地图上事先设定合理的作业路线，避免漏耕和重耕。作业时，实时接收BDS定位信号，进行导航控制，并通过自动转向和自动变速等技术设定路线作业。但是，农田机械自动导航并不意味着不需要操作者，因为真正无人操作的农田机械除了要实现自动导航外，还要实现其他工作过程的最优化和自动化，这比仅实现自动导航技术更难，成本更高[6]。农机自动驾驶可有效提高农机作业质量，节约燃油，争抢农时，将在耕地、整地、起垄、播种、施肥、植保、收获等诸多田间作业环节发挥重要作用。

3.5 机耕道、农田灌排渠道选线和地籍测绘

BDS用于机耕道、农田灌排渠道选线测量时，比传统测绘省时省力。在传统测绘中，一般以平面测量为主，在确定主线点平面位置后采用水准仪进行地面高程测量，需要进行两次不同空间测量才能计算出主线点立体坐标。依靠BDS进行选线，首先需要采用基准站差分定位技术确保定位精度，此外只需北斗接收机接收到卫星信号，就能一次性对某一点位进行三维坐标定位。在机耕道、农田排灌渠道选线测量过程中，遇到障碍物或山坡、河流时，用北斗接收机取点、增补点简单快捷，能准备定位其位置信息，而传统测绘取点和增补点工作量大，需要反复测量，增加控制点的数量。

地籍测绘是对宗地权属界线的界址点坐标进行精确测定，并把宗地及其附着物的位置、面积、权属关系和利用状况等地籍要素准确绘制出来的测绘工作。随着BDS建设的加强和终端技术设备的不断进步，特别是BDS地基增强系统的逐步建立和基准站差分定位技术的快速发展，定位精度越来越高，BDS在地籍绘制、道路渠道选线测绘中有非常广阔的应用前景。

3.6 其他应用

BDS具有定位、测速和授时功能，在农业方面应用主要是定位和测速功能。除上文所述具体应用外，BDS还可以应用于农村规划、农业资源管理、农产品物流等方面。

4 发展趋势

4.1 BDS与GIS和RS（遥感）相结合，应用于精准农业

BDS与GIS、RS相结合，应用于精准农业是BDS在农业农机上应用的一大趋势。精准农业是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，其核心技术是3S技术（RS、GIS和GPS的统称）和计算机自动控制技术[7]。BDS主要用于田间信息的定位采集、田间操作的准确定位和农业机械的测速；RS和传感器监测系统主要用于数据采集和田间作业监测；GIS则对作物产量分布、地形地貌、土壤类别、土壤分析结果、农药化肥使用情况等各种空间数据进行管理和加工处理，绘制分布图，并提供相应数据给农业专家系统，供其形成施肥、灌水、施药等田间操作决策。

BDS与GIS、RS相结合，促进精准播种、大田监测、处方农业、作物产量监测、智能化农机作业等应用于精准农业，将充分发挥精准农业环保、资源节约、经济高效的作用，推动现代农业快速发展。