黑龍江墾區(qū)精準農業(yè)三種GPS差分方式比較研究

1、黑龍江墾區(qū)精準農業(yè)三種GPS差分方式比較研究 王熙1資助項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)（課題編號：2003AA209090）資助作者簡介：王熙，1962.9，男，山西新絳，教授，碩士，主要從事機電一體化技術教學及精準農業(yè)科研工作。聯(lián)系方式：郵編：163319 E-mail：ndwangxi 王新忠 王智敏 莊衛(wèi)東 汪春（黑龍江八一農墾大學工程學院 大慶 163319）摘 要：為了黑龍江墾區(qū)精準農業(yè)試驗示范需要，采用了GPS定位差分系統(tǒng)，以提高GPS系統(tǒng)定位精度。本文對黑龍江墾區(qū)精準農業(yè)三種GPS差分方式進行了介紹，并對三種GPS差分方式進行了比較研究。關鍵詞：精準農業(yè)，全球定位系統(tǒng)

2、，差分系統(tǒng)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(yè)機械設備，建立了友誼農場精準農業(yè)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JOHN DEERE公司整套精準農業(yè)機械設備，建立了大西江精準農業(yè)試驗示范基地。2005年黑龍江農墾總局引進美國CASE公司精準農業(yè)機械設備，建立了八五二農場和寶泉嶺農場精準農業(yè)試驗示范基地。通過對四個試驗示范基地GPS差分方式的比較，對三種GPS差分方式有了一個初步認識。2. 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）全球定位系統(tǒng)GPS (Global Positioning System)是美國的第二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。

3、GPS的空間部分使用24顆衛(wèi)星組成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，每天24小時為全球陸、海、空用戶全天候提供三維位置、速度和時間信息。全球定位系統(tǒng)(GPS)自從建立以來，已得到非常廣泛的應用。但美國出于其戰(zhàn)略上的考慮，對外應用上,于1991年7月開始實施SA政策，SA(Selective Availability)稱為有選擇可用技術,即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)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(tǒng)（DGPS）為了提高GPS定位

4、精度，采用差分技術（Differential GPS）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(qū)域自主型地面站RTCM方式的GPS差分系統(tǒng)友誼農場精準農業(yè)技術示范試驗基地DGPS定位系統(tǒng)采用區(qū)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，Radio Technical Commission for Maritime Services，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(wèi)

5、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(wèi)星的測距誤差利用數傳發(fā)射電臺傳輸給田間作業(yè)機器（如聯(lián)合收割機），田間作業(yè)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，最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(yè)生產中的定位需求。區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1 區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Block diagram of regional self-

6、determination GPS differential system1.聯(lián)合收割機；2.車載AG132型GPS天線；3.數傳接收電臺天線；4.GPS衛(wèi)星；5. 35瓦PCC數傳發(fā)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(tǒng)由地面固定式GPS差分站和移動式DGPS接收系統(tǒng)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(fā)射電臺、PCC數傳電臺發(fā)射天線、12伏直流穩(wěn)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(tài)定位而

7、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(fā)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(fā)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(yè)試驗需要。移動式DGPS接收系統(tǒng)由接收衛(wèi)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

8、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(wèi)星差分系統(tǒng)黑龍江墾區(qū)九三農墾分局大西江農場精準農業(yè)試驗示范基地采用GPS差分方式是衛(wèi)星差分形式。GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。（圖中為表示清楚，聯(lián)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2 GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Block diagram of GPS differential system大西江農場引進的約翰迪

9、爾公司（GreenStar）“綠色之星”精準農業(yè)系統(tǒng)采用(StarFire) “星火”DGPS接收機，該DGPS接收機采用雙頻差分SF2衛(wèi)星差分系統(tǒng)，平均定位精度誤差為±4英寸（±10厘米）。StarFire是NavCom建立的全球雙頻GPS差分定位系統(tǒng)，它不需要建立基準站，能夠自由地在全球任何地方得到實時的分米級定位精度。StarFire系統(tǒng)有五部分組成：參考站、數據處理中心、注入站、國際海事地球同步衛(wèi)星（INMARSAT）、用戶站。美國約翰迪爾（JOHN DEERE）公司下屬的NavCom公司建立了一套由雙頻GPS接收機組成的全球參考站網絡，這些參考站每時每刻都在接收來

10、自于GPS衛(wèi)星的信號。從這些參考站獲得的數據被送到位于California的Redondo Beach和位于Illinois的Moline的兩個處理中心，經過處理以后生成差分的改正數據。這些差分改正數據通過數據通訊鏈路傳送到衛(wèi)星注入站并上傳至INMARSAT國際海事地球同步衛(wèi)星，向全球發(fā)布。用戶站的GPS接收機實際上同時有兩個接收部分，一個是GPS接收機，一個是L波段的通信接收器。GPS接收機跟蹤所有可見的衛(wèi)星，然后獲得GPS衛(wèi)星的測量值。同時，L波段的接收器通過L波段的衛(wèi)星接收改正數據。當這些改正數據被應用在GPS測量中時，一個實時的高精度的點位就確定了。StarFire服務是有償的。用戶根

11、據自己預先計劃好的工作時間來向NavCom購買。用戶可以每季度、每半年、或者每年一次的向當地的代理商購買或者直接通過因特網向NavCom公司購買。NavCom對于一些需要StarFire服務的特殊用戶提供預先支付、使用時計費等方式。 3.3 八五二農場、寶泉嶺農場區(qū)域自主型地面站RTK方式的GPS差分系統(tǒng)八五二農場、寶泉嶺農場精準農業(yè)技術示范試驗基地DGPS定位系統(tǒng)采用區(qū)域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用載波相位差分方式（RTK方式，Real Time Kinematic），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。與

12、偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。八五二農場、寶泉嶺農場引進的大型拖拉機安裝有電液控制的自動駕駛設備，依靠DGPS設備對拖拉機進行自動導航駕駛。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，因此使用了采用載波相位差分方式。寶泉嶺農場地面GPS差分站設備，包括Ag214（MS750）型雙頻GPS接收機，GPS接收天線、25瓦Trimble 數傳發(fā)射電臺、Trimble 數傳電臺發(fā)射天線、直流12伏輸出10安培穩(wěn)壓電源等組成。GPS差分站設備安裝在場部辦公樓內，GPS天線和數傳

13、電臺發(fā)射天線架設在場部辦公樓頂，數傳電臺發(fā)射天線長度3米，架設高度為26米。經過實際測試，數傳電臺作用距離為25公里。八五二農場地面GPS差分站設備包括型雙頻GPS接收機，GPS接收天線、30瓦PCC 數傳發(fā)射電臺、PCC 數傳電臺發(fā)射天線、直流12伏輸出10安培穩(wěn)壓電源等組成。將GPS差分站設備安裝在二分場一隊農具場內，GPS天線和數傳電臺發(fā)射天線架設在農具場內獨立的天線架上，數傳電臺發(fā)射天線長度3米，架設高度為40米。經過實際測試，數傳電臺作用距離為30公里。4. 三種差分方式比較研究黑龍江墾區(qū)GPS差分形式目前有地面站差分和衛(wèi)星差分兩種形式。友誼農場采用地面基準站RTCM差分方式；大西江

14、農場采用衛(wèi)星RTG差分方式；八五二農場、寶泉嶺農場采用地面基準站RTK差分方式,這三種差分方式各有優(yōu)缺點。表1 三種差分方式對比表Table 1 Table title in English (be placed at the center)單位 差分方式 定位精度 使用費用 友誼農場 RTCM 亞米級 一次性投入 大西江農場 RTG 分米級 每年投入寶泉嶺農場 RTK 厘米級 一次性投入 八五二農場 RTK 厘米級 一次性投入 友誼農場五分場二隊試驗示范基地應用區(qū)域自主型RTCM單站DGPS系統(tǒng)，一次性建站投資比較大，后期運行費用比較低，沒有衛(wèi)星差分信號服務費用，但服務半徑相對較小，大約為3

15、0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(tǒng)經過兩年試驗示范表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、定位精度達到目前友誼農場精準農業(yè)試驗示范需要。大西江農場應用的DGPS系統(tǒng)為RTG衛(wèi)星差分GPS系統(tǒng)，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(tǒng)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

16、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，目前使用效果良好。八五二農場、寶泉嶺農場采用地面基準站RTK差分GPS系統(tǒng)，一次性建站投資比較大，沒有衛(wèi)星差分信號服務費用，后期運行費用比較低，但服務半徑相對較小，大約為2030公里左右。基準站采用雙頻GPS接收機，定位精度較高，但價格也較高；車載移動GPS采用雙頻GPS接收機,價格相應較高，但定位精度是三種差分方式中最高的，用于大

17、型拖拉機自動導航和駕駛。參 考 文 獻1 王熙,王新忠,王智敏等.基于GPS的收獲機產量監(jiān)視儀試驗研究J.北京:農機科技推廣,2002.3(1):26272 王新忠,王熙,王智敏.精準農業(yè)與變量施肥技術J.黑龍江八一農墾大學學報,2002.14(4):25273 王熙,王新忠,莊衛(wèi)東等.DGPS在友誼農場土壤取樣中的應用J.黑龍江八一農墾大學學報,2003.15(1):44464 王新忠,王熙,王智敏等.差分GPS定位系統(tǒng)在友誼農場精準農業(yè)中的應用J.現代化農業(yè),2003.290(9):32335 Xianglin Liu, Christian Tiberius and K

18、ees de Jong Modelling of differential single difference receiver clock bias for precise positioning .Springer-Verlag GmbH ,2004 ,volume 7: 209 221. 6 G. Fotopoulos, M. E. Cannon, A. Bogle, et al. Assessment of the LandStar Real-Time DGPS Service under Several Operational Conditions .Springer-Ve

19、rlag GmbH , 1999, volume 2: 22 34. 7 M.O. Kechine, C.C.J.M. Tiberius, H. Marel An experimental performance analysis of real-time kinematic positioning with NASAs Internet-Based Global Differential GPS .Springer-Verlag GmbH ,2004，volume： 9 22.8 Hisakazu Hada, Hideki Sunahara, Keisuke Uehara, et al. DGPS and RTK Positioning Using the Internet . Springer-Verlag GmbH , 2000,volume 4: 34 44.Study on the Comparison of Th