北斗导航系统在我国精准农业中的应用

分类：论文范文 发表时间：2021-11-20 10:08

　　摘要：卫星导航技术是精准农业技术的基本组成之一，是实现土壤及作物监测、农机定位与自动作业的基础。随着精准农业技术的不断发展和应用，对卫星导航定位精度的要求不断提高，依靠卫星导航实现分米级至厘米级的定位精度成为未来精准农业应用的基本保障。随着我国北斗卫星导航系统的建设发展，北斗系统已可提供可靠的无源定位服务，可满足精准农业应用对高精度定位、低成本化等需求，具有良好的应用优势和潜力，是未来我国精准农业技术发展的核心组成。

　　关键词:精准农业北斗卫星导航系统高精度定位应用优势

　　精准农业是将导航、通信与自动化控制技术运用于农业生产，利用现代机械设备与监测系统进行田间管理，针对田间具体环境与作物状况因地制宜，精细准确地开展施肥、施药等土壤管理及播种、收割等作物管理措施。精准农业的目的为降低产业投入条件下获取更优的产出，提升作物产量和质量，保护生态环境，促进农业可持续发展[1-3]。精准农业体系主要包括卫星导航系统、地理信息系统、遥感技术、管理信息系统及自动化控制等北斗导航系统在我国精准农业中的应用摘要：卫星导航技术是精准农业技术的基本组成之一，是实现土壤及作物监测、农机定位与自动作业的基础。随着精准农业技术的不断发展和应用，对卫星导航定位精度的要求不断提高，依靠卫星导航实现分米级至厘米级的定位精度成为未来精准农业应用的基本保障。随着我国北斗卫星导航系统的建设发展，北斗系统已可提供可靠的无源定位服务，可满足精准农业应用对高精度定位、低成本化等需求，具有良好的应用优势和潜力，是未来我国精准农业技术发展的核心组成。关键词:精准农业北斗卫星导航系统高精度定位应用优势●文|电子科技集团公司第五十四研究所何成龙技术[2]（图1）。

　　一、卫星导航技术在国外精准农业中的应用

　　近20年来精准农业技术在国外得到了快速发展，实现了大规模、自动化、精细化农业生产，获得了十分可观的经济效益。20世纪80年代美国提出了精准农业的构想，1995年美国在联合收割机上装备GPS，实现了精细化作物收割应用，标志着精准农业技术的诞生[3]。在随后的发展中，利用GPS、计算机网络和自动化机械的结合逐渐实现了播种、收割、施肥、灌溉等农业作业的精细化，大大降低了大面积作业下的人力和资源投入，提高了工作效率和经济收益。

　　欧洲、北美、澳大利亚、日本等多个相继开展本国精准农业，并基于卫星导航、微机械惯导（MEMSINS）等技术发展相应的自动化农机，实现自动化作业生产，如无人播种机、无人驾驶拖拉机等

　　二、精准农业对定位精度的需要

　　精准农业对卫星导航定位精度的需求与作物种类和作业方式高度相关，但随着定位性能的提升投入成本也迅速增加，图2为精度需求和成本间的大致关系。

　　针对精准农业应用的卫星导航产品普遍集中在2~5m定位精度范畴[4]，这是由于接收机设计可在适度增加成本的基础上基于多种改进算法达到比普通接收机更优的定位性能，且5m的定位精度可显著提升人工作业效率，如人工操作机械收割或航空喷洒等应用，对于中小型农田作业具有良好的成本和效率优势。

　　对于特大型农田，需要最大程度地降低人力投入和提升作业效率与质量，以提升作物产出，精细至2~20cm的播种与收割需要自动化农机完成，在这种条件下对于特大型农田采用DGPS的成本投入相对于产出仍具有良好的适应性。

　　精准农业的总体发展趋势是实现高精准、自动化作业，为了提升精准农业水平，推广DGPS在精准农业中的应用，国外相关厂商正在逐步降低差分系统的成本，以适应各类农田特别是大中型农田应用对成本的需求。

　　三、北斗系统在精准农业中的应用分析

　　1.北斗卫星导航系统的技术优势北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航系统，目前北斗二代系统已可为及周边区域提供免费的无源定位服务，北斗已具备为我国精准农业发展提供技术基础的能力。相对于国外卫星导航系统，北斗在我国精准农业中的技术优势包括：

　　（1）信号覆盖能力好北斗系统特有的GEO+IGSO+MEO星座分布使得卫星更多地分布在东经84°~160°区域，随着北斗二代系统的进一步建设，北斗在区域内的卫星可见性优势会进一步体现。北斗信号具备更优的信号覆盖性能，使得复杂地形等遮蔽环境下具有更多的可用信号，能够依靠北斗实现稳定定位，更好地满足这些地区精准农业发展对卫星定位连续性和有效性需求。

　　（2）提供三频定位，提高定位精度北斗已可为民用用户提供B1/B2/B33个频点的定位服务，分别为1561.098MHz、1207.14MHz、1268.52MHz。对于单点定位，三频有助于将空间导航信号传播的电离层误差更好地消除，以获得精度更优的定位性能；对于载波相位测量，北斗的三频可获得更优的宽巷效应，有助于整周模糊度的快速收敛，获得更快的定位速度。

　　2.北斗在精准农业中的应用模式

　　北斗卫星导航系统在我国精准农业的发展与应用需要与我国农业发展现状与趋势相结合。受经济水平、人口密度和耕地分布的影响，精准农业在我国农业体系中所占比例相对不高，技术推广率低，特大型及大型农田较少，因此我国尚不能大范围采用全自动化农机，人工操作机械仍为主要作业工具。

　　3.北斗导航装备与自动化农机的整合自动化农机是无人自动化作业主要实现载体，RTK定位是自动化农机的基本技术之一。

　　自动化农机作业包括自主驾驶和自主作业两部分，自主驾驶是指按照规划的轨迹自动完成运行和速度控制，自主作业是指在指定区域开展指定种类和强度的作业活动。达到这一目标需要实现精准定位、测向测姿、变量控制、自动驾驶和有效通信等。对于北斗卫星导航装备，在自动化农机上的作用体现在三个方面：一为通过北斗RDSS通信实现农机和管理中心间的信息交互，满足指令的传递和信息反馈；通过北斗RTK接收机实现高精度定位，为运行和作业自动控制提供基本位置信息；通过北斗RTK多天线方式提供基本测姿测向数据，并和低成本MEMS进行信息融合，为自动化农机设备自动控制提供测姿测向信息。

　　通过通信、导航定位、自动控制的整合，可实现自动化农机的自主驾驶和自主作业，实现自动化精准农业生产。

　　四、总结

　　精准农业用以提高作物产量、质量和效益，对我国农业发展具有重要意义。北斗卫星导航系统可为我国精准农业发展提供技术支撑。相对于国外GPS导航定位产品，北斗产品具备两个突出优势：

　　1）自主化，不受限于国外技术垄断，便于后期产品的维护、技术升级、产品改造和集成。

　　2）更优的性价比，独具三频高精度定位能力和短

　　参考文献

　　[1]郭信平,曹红杰.卫星导航系统应用大全[M].北京:电子工业出版社,2011.

　　[2]闵士权.卫星遥感与卫星定位在我国农业信息化建设中的应用[C].2007卫星通信与农村信息化发展研讨会,2007.

　　[3]李强,李永奎.我国农业机械GPS导航技术的发展[J].农机化研究,2009(8):242-244.

　　[4]JamesF.McLellan,LesFriesen.WhoNeedsa20cmPrecisionFarmingSystem?[J].PositionLocationandNavigationSymposium,1996:426-432.

　　[5]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009.

　　何成龙

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