GNSS平地机研究现状及趋势展望＊

陈 正 ， 庄卫东

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163000）

0 引言

精细平整的水田可以保证农田水层深浅一致，节省农业用水；可以提高农药、化肥和除草剂的使用效率，减少农药、化肥和除草剂的使用量，促进农业可持续发展[1]。水稻生产过程中，水田精细平地技术是保证水稻高产、稳产的重要措施，在水稻生产中运用水田平地技术对于节约灌溉用水、抑制杂草生长、提高水稻产量、减少生产成本等具有重要的社会意义和应用前景[2]。

土地平整方法通常分为常规平地和精细平地两种。常规平地主要采用推土机、铲运机和刮平机在地面起伏大、平整度较差的田面粗平，平整精度较低，平整后的土地仍不能满足灌溉要求。

激光平地机的组成部分含激光发射器和接收器、控制器和电控液压系统。工作时激光发射器发射激光束，把平地铲放在地面的标高位置上，调整激光接收器的高度，使刮土铲刃到接收器的高度与激光平面到地面的高度相等，接收器检测到激光信号后不停地给控制器发送高度差的信号，控制器通过分析处理后，发出电信号控制相应电磁换向阀开启，控制液压系统油缸的进油、回油，实现刮土铲升降。当平地铲高度大于平整设定高度时，接收器发送高度差信号给控制器，使控制器通过液压系统控制平地铲下降至设定高度，平地铲下降，当平地铲的高度小于平整设定高度时，控制器通过液压系统控制平地铲抬升，从而铲刀在凸处推移的土壤进行卸载，填埋洼地，完成土地平整工作。激光平地机的平地精确程度与人工操作平地的精确程度成倍数关系，前者是后者的10倍～50倍[3]。激光平地机工作时对环境条件要求较高，在强光大风等天气影响下难以正常工作，适用的工作范围小，不适合平整大面积、坡度大的土地。

GNSS平地控制设备工作流程如下：在作业区域设立基站，将发送RTK差分信号的天线置于三角架上，由安装在拖拉机上的天线即GNSS移动站实时接受信息。再通过软件对接收到的信号进行解译，得到高程、姿态角和经纬度信息等，将控制信号传递给控制器，通过电磁换向阀的通电和断电，使液压油缸上下动作，调节平地铲姿态来进行平地工作。

GNSS精细平地技术对比激光控制平地技术特点突出，优势明显：工作范围广、定位精度可达到厘米级别、工作室不易受环境因素制约，在发达国家已经有一定程度的推广应用，对比其他发达国家，我国在相关研究上启动较晚，与之有一定的差距。同时由于早期GNSS设备的价格居高不下，也成为制约GNSS平地技术大规模推广的主要因素之一。

随着中国BD2代卫星导航系统的全面建成及设备价格的逐步降低，精度更高、效率更高且符合我国农业生产要求的GNSS精细平地控制系统必将实现大规模的推广应用[4]。

1 国外研究现状

20世纪80年代初，发达国家开始加大关注农业中的生产效率，通过解决农业生产力与资源环境的协调问题，实现提高农产品竞争力和减轻污染环境等目标，以应对全球粮食危机[5]。由于GNSS技术向民间领域逐步开放，且随着电子信息技术和设备的快速发展，GNSS技术与农机装备和农学农艺的结合愈发紧密，推动了精准农业的发展。

2005—2007年，部分发达国家开展了将GNSS技术应用于农田平整作业的研究。目前GNSS平地控制系统水平最高的外国设备生产商以美国天宝（Trimble）公司、日本拓普康（Topcon）公司为代表。其生产的Trimble FieldLevelⅡ、Topcon System 310等系统在实际生产中得到了良好应用。

图1所示为美国天宝公司开发的Trimble FieldLevel II平地控制系统，采用载波相位差分进行定位，采集农田地形信息完成地形测量工作。根据配套的决策支持软件生成农田地形图、挖填土方，GNSS精平机平地铲姿态调整技术研究大量信息，向用户提供合理的土地平整方案，通过阀控模块驱动液压系统完成土地精细平整工作。

在国外GNSS精细平地技术的应用时间长，技术发展成熟，由于其作业精度高，作业区域广，受天气、环境等因素影响小，且能结合其他相关设备提高农田作业信息化和自动化程度，对比激光平地技术优势明显，已有较大的使用面积。

图1 Trimble FieldLevel II平地控制系统

2 国内研究现状

农业作为我国的基础行业，一直受到政府和全国人民的高度重视。引进国外先进技术并将其应用于我国的农业生产中，是推进农业生产信息化和现代化的重要举措；同时GNSS平地技术在国外的广泛应用，证明该技术具有较高的推广价值，在国家的政策引导和支持下，从2007年开始，我国的科研工作者依托于各科研单位，陆续开展了GNSS平地控制系统的相关研究，以期自主研发出符合我国农业生产要求的配套设备，以满足我国广大农民的迫切需求。

2009年，中国农业大学进行了基于RTK（载波相位差分）技术结合GNSS相关的精细平地技术研究，设计了一套能对地块进行测量，并且能实现对土地平整的平地控制系统。平整度在20cm左右。

在2010年，华南农业大学赵祚喜等以GNSS控制技术为基础研发了土地平整系统。该系统的工作原理为以车载计算机为上位机和GNSS接收机为下位机，并将上位机决策和下位机控制相结合来获取农田三维地形位置数据。实验结果表明，平地精度可以控制在7cm～8cm，满足精准平地工作的精度要求[6]。

2015年华南农业大学工程学院进行了基于GNSS技术的自动平地控制系统的相关试验，针对高程数据采用了一种算法（限幅加权递推平均滤波算法），采用PD控制算法控制平地铲运动，土地表面相对高度的标准偏差值下降约10cm[7]。

2017年，中国农业大学提出一种GNSS定位数据分析处理方法。将基于联合滤波算法的处理方法应用于农田定位，对比试验得出结论：高程定位精度明显提高，平地工作中，GNSS定位实际高度波动范围缩小20%[8-9]。

GNSS精细平地技术在我国起步较晚，但随着科研工作者的不断努力，GNSS精细平地技术在国家政策扶持正蓬勃发展。同时随着BD2代卫星导航定位系统的不断发展，设备价格方面的制约逐渐减少，国内的诸多生产厂商也将目光投入到GNSS精细平地技术上，在多方的共同努力下，GNSS平地机的使用规模会进一步扩大。

3 发展趋势与展望

3.1 发展趋势

GNSS精细平地技术对比激光精细平地技术优点明显，易于进行大规模农田作业。GNSS平地机的发展趋势如下：

3.1.1 通过对自动控制部分的优化提高平地机作业精度

目前，GNSS平地控制系统的基本结构已经趋于成熟，在机件结构和液压系统组成上无革新性改变，国内外各大厂家生产的设备在性能上无明显差异，所以要提高GNSS平地机在实际农业生产中的作业精度，要从系统的自动控制部分入手，对控制算法进行优化，也可以通过与陀螺仪等设备结合，获取平地机工作时姿态角信息，结合高程信息进行运算，以保证平地机在实际工作中的稳定性和作业精度。

3.1.2 发展GNSS平地机外延功能，提升GNSS平地机性价比

随着GNSS技术的不断发展和我国自主研发的BD2代卫星导航系统的不断完善，GNSS设备价格进一步降低，GNSS设备在我国的推广规模进一步增大，规模较大的农场拖拉机基本都配备有GNSS接收机等设备。这为GNSS精细平地技术的推广打下了坚实的基础。但目前RTK-GNSS接收机的价格对于广大农民来说，还无法达到全面普及的程度，所以发展平地机如地形测量、信息监测等外延功能，完善相关配套设施，提高GNSS平地机的性价比，是实现GNSS精细平地技术大规模推广的关键，也是科研人员要为之努力的方向，能实现一机多用，让这项技术能从农场应用到农村，让农业发展真正造福到农民。

3.2 展望

GNSS技术在农业领域中已有了广泛应用，比如监测农作物产量，作业路径规划等，能有效节约劳动成本，提高效益。如果能将多种功能结合到一起，例如在平地作业期间实现自动导航功能，就能进一步提高劳动生产率，为农民带来更大的效益。

GNSS精细平地技术对比常规平地和激光平地技术具有明显的优势，因此提高平地机的工作性能，通过自主研发设备降低平地机价格，是推广这项技术的重点发展方向。目前GNSS技术发展迅速，与精准农业领域的结合也更加多元化。在国家的政策支持下，各高校和科研机构向相关领域输送更多的人才，也正促进着符合我国的GNSS精细平地技术的不断发展。