亚 太 农 业 工 程 国 际 研 讨 会 GPS 在 农 业 信 息 系 统 中 的 应 用 2004.4.5 张 小 超 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 北 京 德 胜 门 外 北 沙 滩 1 号
报 告 内 容 一. 农 业 信 息 与 GPS 概 述 二. 面 向 农 业 信 息 GPS 研 究 的 必 要 性 三. 农 业 信 息 中 GPS 的 研 究 对 象 四. 卫 星 定 位 导 航 系 统 的 概 况 五.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 六. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 七.GPS 信 号 处 理 设 计 方 法 八.GPS 技 术 的 应 用 技 术 研 究
1. 农 业 信 息 与 GPS 概 述 农 业 信 息 的 获 取 : 农 业 信 息 的 获 取 是 农 业 信 息 技 术 的 关 键 点 其 特 点 是 : 1. 包 括 时 间 空 间 和 农 业 对 象 的 描 述 2. 要 求 具 备 自 动 获 取 农 业 信 息 的 手 段 3. 高 精 度 的 测 量 技 术 是 获 得 精 确 信 息 的 前 提 条 件
1. 农 业 信 息 与 GPS 概 述 1.2GPS 的 概 况 : 全 球 卫 星 定 位 系 统 (Global Positioning System) 的 问 世 标 志 着 电 子 导 航 技 术 发 展 到 了 一 个 更 加 辉 煌 的 时 代, GPS 可 为 各 类 用 户 连 续 地 提 供 高 精 度 的 三 维 位 置 三 维 速 度 和 时 间 信 息, 它 从 根 本 上 解 决 了 人 类 在 地 球 上 的 导 航 和 定 位 问 题
1. 农 业 信 息 与 GPS 概 述 农 业 生 产 信 息 以 GPS 全 球 卫 星 定 位 系 统 作 为 线 索 ; 作 为 连 接 农 业 机 械 到 电 子 信 息 系 统 的 桥 梁 ; 将 农 田 中 产 量 分 布 土 壤 养 分 分 布 土 壤 水 分 分 布 与 播 种 施 肥 灌 溉 收 获 机 械 结 合 起 来
2. 面 向 农 业 信 息 GPS 的 研 究 2.1GPS 需 要 解 决 数 字 农 业 的 定 位 性 能 要 求 播 种 机 的 自 动 导 航 : 日 本 农 林 水 产 省 农 业 研 究 中 心 开 发 出 的 无 人 播 种 机, 利 用 全 球 定 位 系 统 (GPS( GPS) ) 在 指 定 位 置 播 种 稻 苗 其 植 苗 误 差 只 有 8 厘 米 插 秧 机 的 自 动 导 航 : 日 本 农 林 水 产 省 农 业 研 究 中 心 利 用 高 精 度 全 球 卫 星 定 位 (GPS( GPS) ) 技 术 开 发 出 了 稻 田 无 人 插 秧 机, 将 定 位 精 度 控 制 在 2 厘 米 以 内 拖 拉 机 的 自 动 导 航 : 日 本 北 海 道 大 学 与 农 业 机 械 厂 联 合 研 制 的 无 人 驾 驶 拖 拉 机 首 次 实 现 了 从 农 机 具 仓 库 到 农 场 的 无 人 驾 驶, 它 通 过 GPS 测 量 技 术 可 瞬 间 定 位, 精 确 度 达 2 厘 米
2. 面 向 农 业 信 息 GPS 的 研 究 精 准 农 业 技 术 所 需 要 的 GPS 具 有 与 其 它 行 业 不 相 同 的 技 术 特 点 1. 通 用 的 GPS 精 度 较 低 不 能 满 足 精 准 农 业 的 技 术 性 能 要 求 2. 进 口 高 精 度 的 GPS 系 统 价 格 难 以 为 我 国 农 业 经 济 水 平 所 接 受 3.GPS 需 要 具 有 与 精 准 农 业 技 术 体 系 的 配 套 性
3. 农 业 信 息 中 GPS 的 研 究 对 象 军 工 行 业 研 究 双 系 统 航 空 行 业 研 究 高 动 态 测 绘 行 业 研 究 静 态 高 精 度 交 通 行 业 研 究 组 合 导 航 数 字 农 业 研 究 低 速 高 精 度 定 位 导 航
4. 卫 星 定 位 导 航 系 统 的 概 况 4.1GPS 系 统 概 况 :GPS: 系 统 主 要 有 三 大 组 成 部 分, 即 空 间 星 座 部 分 地 面 监 控 部 分 和 用 户 设 备 部 分 GPS 的 空 间 星 座 部 分 中 24 颗 卫 星 基 本 均 匀 分 布 在 6 个 轨 道 平 面 内
4. 卫 星 定 位 导 航 系 统 的 概 况 4.2 典 型 的 GPS 介 绍 美 国 天 宝 (Trimble) 公 司 具 有 面 向 农 业 而 开 发 的 GPS 系 统 5800 双 频 GPS 接 收 机 是 Trimble 公 司 在 2003 年 最 新 推 出 的 双 频 大 地 测 量 GPS 系 统 美 国 阿 什 泰 克 (Ashtech) 双 频 Z-Xtreme GPS 接 收 机,Z-Xtreme 包 容 Ashtech 有 专 利 权 的 Z 跟 踪 技 术 (Z-Tracking ), 可 减 少 在 诸 如 树 下 峡 谷 中 或 建 筑 物 之 间 等 不 利 卫 星 可 见 度 的 条 件 下, 增 强 了 其 收 星 跟 踪 能 力 加 拿 大 的 诺 瓦 泰 (Novatel) 拥 有 多 项 GPS 领 域 的 专 利 技 术, 如 高 数 据 采 样 率 技 术 窄 相 关 技 术 (NCT) 微 脉 冲 相 关 技 术 (PAC) 风 火 轮 技 术 (Pinwheel) 多 路 径 消 除 及 延 迟 锁 相 环 技 术 ( MET&MEDLL) DL-4-L1/L2 双 频 GPS 接 收 机 是 最 新 产 品 瑞 士 的 徕 卡 (Leica)SR530 接 收 机 基 于 徕 卡 革 新 的 ClearTrak 专 利 技 术, 能 提 供 最 佳 的 信 号 接 收 卫 星 跟 踪 抗 干 扰 和 抑 制 多 路 径 效 应
5.1 星 历 误 差 5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 GPS 卫 星 导 航 电 文 中 的 广 播 星 历 是 一 种 外 推 的 预 报 星 历 由 于 卫 星 在 实 际 运 行 中 受 多 种 摄 动 力 的 复 杂 影 响, 故 预 报 星 历 必 然 有 误 差, 一 般 估 计 由 星 历 计 算 的 卫 星 位 置 的 误 差 为 20~40m 随 着 摄 动 力 模 型 和 定 轨 技 术 的 改 进, 工 作 卫 星 的 位 置 精 度 可 能 提 高 到 5~10m 但 这 种 改 进 后 的 星 历 仅 提 供 给 美 国 军 方 和 特 许 用 户 使 用
5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 5.2 卫 星 钟 差 GPS 测 量 定 位 实 质 上 是 一 个 测 时 一 测 距 定 位 系 统 从 而,GPS, 测 量 定 位 精 度 与 时 钟 误 差 密 切 相 关 为 此,GPS, 测 量 均 以 GPS 时 间 系 统 为 统 一 标 准, 该 时 间 系 统 由 GPS 地 面 监 控 系 统 确 定 和 保 持 为 了 保 证 卫 星 时 钟 的 高 精 度, 各 GPS 卫 星 均 装 置 高 精 度 的 原 子 钟, 但 它 们 与 GPS 标 准 时 之 间 仍 存 在 有 偏 差 和 漂 移 其 偏 差 总 量 在 1 ~0.1ms 以 内, 由 此 引 起 的 等 效 距 离 误 差 将 达 300~30 km 因 此, 必 须 予 以 精 确 地 修 正
5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 5.3 电 离 层 的 干 扰 电 离 层 是 高 度 位 于 50~1000 km 之 间 的 大 气 层 由 于 太 阳 的 强 辐 射, 电 离 层 中 的 部 分 气 体 分 子 将 被 电 离 而 形 成 大 量 的 自 由 电 子 和 正 离 子 当 电 磁 波 信 号 穿 过 电 离 层 时, 传 播 速 度 会 发 生 变 化, 所 以 信 号 传 播 时 间 乘 以 真 空 中 的 传 播 速 度 c 就 不 等 于 信 号 的 实 际 传 播 距 离, 从 而 引 起 测 距 误 差 此 误 差 称 之 为 电 离 层 延 迟 误 差
5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 5.4 对 流 层 的 干 扰 对 流 层 是 高 度 为 40 km 以 下 的 大 气 层 由 于 其 离 地 面 近, 所 以 大 气 密 度 较 电 离 层 的 密 度 大, 且 大 气 状 态 随 地 面 的 气 候 变 化 而 变 化 电 磁 波 通 过 对 流 层 时, 传 播 速 度 将 产 生 变 化, 从 而 引 起 传 播 延 迟 天 顶 方 向 的 对 流 层 延 迟 约 为 2.3 m, 而 仰 角 E 为 10 o 时, 传 播 延 迟 将 增 大 到 约 13 m
5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 5.5 多 路 径 效 应 误 差 在 实 际 的 GPS 测 量 中, 接 收 机 天 线 除 接 收 直 接 来 自 卫 星 方 向 的 信 号 外, 还 接 收 到 其 他 物 体 反 射 回 来 的 信 号 因 此, 接 收 的 信 号 是 直 射 波 和 反 射 波 产 生 干 涉 后 的 组 合 信 号 由 于 直 接 波 和 各 反 射 波 路 径 不 同, 从 而 使 信 号 变 形, 产 生 测 量 误 差, 称 为 多 路 径 效 应 误 差
5.GPS 设 计 中 的 误 差 问 题 5.6 接 收 机 误 差 接 收 机 的 主 要 误 差 是, 测 距 码 的 分 辨 误 差 和 测 量 噪 声 分 辨 误 差 取 决 于 码 元 的 宽 度, 通 常 认 为 可 达 码 元 宽 度 的 1/100 因 此,P, 码 和 C/A 码 的 分 辨 误 差 分 别 为 0.3 m 和 3.0 m m 测 量 的 噪 声 涉 及 的 因 素 较 多, 主 要 取 决 于 接 收 机 质 量 信 号 品 质 ( 码 特 性 调 制 方 式 信 噪 比 等 ) 和 码 元 宽 度 等 一 般 估 计 P 码 的 测 量 误 差 为 1.5 m 左 右,C/A, 码 为 7.0 m 左 右
6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 6.1 一 般 差 分 技 术 (1) 位 置 差 分 (2) 伪 距 差 分 (3) 相 位 平 滑 伪 距 差 分 : 基 站 覆 盖 范 围 200KM 因 为 载 波 相 位 的 测 量 精 度 比 码 相 位 的 测 量 精 度 高 2 个 数 量 级, 因 此 利 用 此 特 性, 可 以 获 得 几 乎 无 噪 声 的 伪 距 测 量, 使 精 度 更 高 (4) 载 波 相 位 差 分 技 术 又 称 为 RTK 技 术 (Real( Time Kinematic): 是 建 立 在 实 时 处 理 两 个 测 站 的 载 波 相 位 基 础 上 的 一 般 用 于 测 量 型 GPS 应 用, 能 达 到 厘 米 级 精 度
6.2 广 域 差 分 6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 微 型 网 的 构 建 : 由 一 个 基 准 站 和 若 干 个 移 动 站 组 成, 一 般 作 用 距 离 50km 左 右, 配 置 灵 活, 投 资 较 少, 最 适 合 单 位 用 户 的 需 求, 实 时 精 度 从 米 级 到 厘 米 级 局 域 差 分 GPS(Local Area Differential GPS 简 写 为 LADGPS) 局 域 差 分 的 技 术 特 点 是 向 用 户 提 供 综 合 的 差 分 GPS 改 正 信 息 - 观 测 值 改 正, 而 不 是 提 供 单 个 误 差 源 的 改 正 它 的 作 用 范 围 比 较 小, 例 如 在 150km 之 内 广 域 差 分 (Wide Area DGPS, 简 写 为 WADGPS) 的 技 术 特 点 是 将 GPS 定 位 中 主 要 的 误 差 源 分 别 加 以 计 算, 并 分 别 向 用 户 提 供 这 些 差 分 信 息, 它 作 用 的 范 围 比 较 大, 往 往 在 1000km 以 上
6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 6.3 广 域 增 强 差 分 GPS(Wide area augmentation differential GPS system, 简 称 WAAS) 它 的 主 要 工 作 方 式 是 将 主 控 站 所 算 得 的 广 域 差 分 改 正 信 息, 通 过 地 球 站 传 输 至 地 球 同 步 卫 星, 该 同 步 卫 星 以 GPS 的 L1 频 率 为 载 波, 将 上 述 差 分 改 正 信 息 当 作 GPS 导 航 电 文 转 发 给 用 户 站
6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 6.4 连 续 运 行 参 考 站 网 系 统 (CORS( CORS) 由 美 国 国 家 大 地 测 量 局 (NGS( NGS) ) 牵 头, 包 括 NGS 的 跟 踪 网 等 137 个 GPS 基 准 站 组 成 了 所 谓 连 续 运 行 参 考 站 网 系 统 (Continuous( Operation Reference Station s--- -CORS). 平 均 站 距 为 100-200km 200km( ( 个 别 400km), 覆 盖 全 美 ( 包 括 阿 拉 斯 加 ) 每 一 天 通 过 因 特 网 向 全 美 和 全 球 用 户 提 供 基 准 站 坐 标 和 GPS 卫 星 跟 踪 观 测 站 数 据 用 户 用 一 台 GPS 接 收 机 在 美 国 任 一 位 置 观 测, 然 后 通 过 因 特 网 卸 载 CORS 若 干 基 准 站 数 据, 即 可 进 行 事 后 精 密 定 位 其 服 务 方 式 原 则 上 是 公 益 性 的
6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 6.5 调 频 副 载 波 (FM( FM) CUE 和 ACCQPOINT 公 司 是 美 国 加 拿 大 地 区 的 两 个 卫 星 无 线 网 络 通 信 公 司, 他 们 利 用 调 频 副 载 波 (FM( FM) ) 广 播 广 域 差 分 修 正 信 号 公 司 在 美 国 和 加 拿 大 有 20 余 个 GPS 永 久 跟 踪 站, 通 过 FM 提 供 亚 米 级 到 十 米 级 的 广 域 差 分 有 偿 服 务, 最 近, 这 个 公 司 开 发 了 利 用 FM 副 载 波 发 送 GPS 载 波 相 位 观 测 修 正 数 据 进 行 实 时 动 态 精 密 定 位 (RTK( FMTM) ) 技 术, 有 效 作 用 距 离 可 达 70km,, 在 20-40km 的 多 条 实 验 基 线 上,2-4min, 的 初 始 化 时 间, 十 个 历 元 左 右, 动 态 定 位 精 度 可 达 ±1cm 左 右
6.7 精 密 星 历 6. 减 少 误 差 的 解 决 方 法 在 全 球 地 基 GPS 连 续 运 行 站 ( 约 200 个 ) 的 基 础 上 所 组 成 的 IGS (International GPS Service),, 是 GPS 连 续 运 行 站 网 和 综 合 服 务 系 统 的 范 例 它 无 偿 向 全 球 用 户 提 供 GPS 各 种 信 息, 如 GPS 精 密 星 历 快 速 星 历 预 报 星 历 IGS 站 坐 标 及 其 运 动 速 率 IGS 站 所 接 收 的 GPS 信 号 的 相 位 和 伪 距 数 据 地 球 自 转 速 率 等 提 供 精 密 轨 道, 要 在 10~12 天 以 后 得 到 它, 常 用 于 精 密 定 位 IGS 目 前 提 供 的 卫 星 精 密 星 历 精 度 为 35cm
7.GPS 信 号 处 理 设 计 方 法 卡 尔 曼 滤 波 运 动 载 体 动 态 模 型 自 适 应 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 器 改 进 的 自 适 应 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 器 信 息 融 合 与 卡 尔 曼 滤 波 模 糊 多 模 型 跟 踪 算 法 卡 尔 曼 滤 波 器 与 浑 沌 控 制 载 波 相 位 测 量 定 位 方 法 确 定 整 周 模 糊 度 方 法 研 究 组 合 导 航 系 统 神 经 网 络 GPS 导 航 小 波 变 换 与 卡 尔 曼 滤 波 GPS 与 GLONASS 码 / 载 波 相 位 扩 散 技 术
7.GPS 信 号 处 理 设 计 方 法 7.1 卡 尔 曼 滤 波 器 卡 尔 曼 滤 波 是 一 个 最 优 估 计 方 法 由 于 其 在 求 解 时 不 需 要 贮 存 大 量 的 观 测 数 据, 并 且 当 得 到 新 的 观 测 数 据 时, 可 随 时 算 得 新 的 参 数 滤 波 值, 常 用 于 实 时 地 信 号 处 理 卡 尔 曼 滤 波 可 以 处 理 非 平 稳 的 随 机 信 号 扩 展 的 卡 尔 曼 滤 波 器 可 以 用 于 非 线 性 系 统 但 传 统 卡 尔 曼 滤 波 应 用 于 实 际 时, 常 常 由 于 不 能 满 足 其 假 定 条 件, 或 计 算 方 法 的 限 制, 造 成 滤 波 发 散, 使 得 滤 波 结 果 最 终 失 真 为 此, 人 们 提 出 了 许 多 克 服 发 散 的 方 法
7.GPS 信 号 处 理 设 计 方 法 7.4 小 波 分 析 方 法
8.GPS 的 应 用 技 术 研 究
8.GPS 的 应 用 技 术 研 究 8.1 田 间 农 业 机 械 定 位 导 航
8.GPS 的 应 用 技 术 研 究 8.2 飞 机 导 航 利 用 飞 机 进 行 播 种 施 肥 除 草 等 工 作, 作 业 费 用 昂 贵 合 理 地 布 设 航 线 和 准 确 地 引 导 飞 机, 将 大 大 节 省 飞 机 作 业 的 费 用 据 国 外 介 绍, 利 用 差 分 GPS 对 飞 机 精 密 导 航, 估 计 会 使 投 资 降 低 50% 具 体 应 用 中, 利 用 GPS 差 分 定 位 技 术 可 以 使 飞 机 在 喷 洒 化 肥 和 除 草 剂 时 减 少 横 向 重 叠, 节 省 化 肥 和 除 草 剂 用 量, 避 免 过 多 的 用 量 影 响 农 作 物 生 长 对 于 在 夜 间 喷 施, 更 有 其 优 越 性 因 为 夜 间 蒸 发 和 漂 移 损 失 小, 另 外 夜 间 植 物 气 孔 是 张 开 的, 更 容 易 吸 收 除 草 剂 和 肥 料, 提 高 除 草 和 施 肥 效 率
8.3 联 合 收 割 机 测 产 8.GPS 的 应 用 技 术 研 究 在 联 合 收 割 机 上 配 置 计 算 机 产 量 监 视 器 和 GPS 接 收 机, 就 构 成 了 作 物 产 量 监 视 系 统 对 不 同 的 农 作 物 需 配 备 不 同 的 监 视 器 例 如 监 视 玉 米 产 量 的 监 视 器, 当 收 割 玉 米 时, 监 视 器 记 录 下 玉 米 所 接 穗 数 和 产 量, 同 时 GPS 接 收 机 记 录 下 收 割 该 株 玉 米 所 处 位 置, 通 过 计 算 机 最 终 绘 制 出 一 幅 关 于 每 块 土 地 产 量 的 产 量 分 布 图 通 过 和 土 壤 养 分 含 量 分 布 图 的 综 合 分 析, 可 以 找 出 影 响 作 物 产 量 的 相 关 因 素, 从 而 进 行 具 体 的 田 间 施 肥 等 管 理 工 作
8.GPS 的 应 用 技 术 研 究 8.4 土 壤 养 分 分 析 依 据 农 田 土 壤 养 分 含 量 分 布 图, 设 置 有 GPS 接 收 机 的 " 受 控 应 用 " 的 喷 施 器, 在 GPS 的 控 制 下, 依 据 土 壤 养 分 含 量 分 布 图, 能 够 精 确 地 给 田 地 的 各 点 施 肥, 施 用 的 化 肥 种 类 和 数 量 由 计 算 机 根 据 养 分 含 量 分 布 图 控 制
举 例 说 明 : 8.GPS 的 应 用 技 术 研 究 大 型 喷 灌 机 具 有 精 准 农 业 典 型 的 低 速 动 态 特 点, 速 度 一 般 为 25mm/s-200mm/s 200mm/s 左 右, 各 跨 沿 前 进 方 向 偏 移 角 度 小 于 1, 允 许 偏 航 距 离 小 于 ±200mm,, 若 采 用 GPS 伪 距 或 伪 距 差 分 定 位 方 法 将 造 成 较 大 误 差, 故 采 用 载 波 相 位 差 分 方 法 进 行 测 速 与 定 位, 并 采 用 GPS 跟 踪 算 法 确 定 偏 航 距 离
8.1 大 型 喷 灌 机 遥 控 系 统 在 室 内 遥 控 大 型 喷 灌 机 无 人 驾 驶 大 型 平 移 式 喷 灌 机
8.2 高 精 度 GPS 测 量 系 统 试 验
8.3 试 验 计 划 图
8.4GPS 天 空 分 布 图
8.5 大 型 喷 灌 机 运 行 轨 迹 图
8.6 偏 航 角 的 对 比 图
8.7 田 间 行 走 速 度 测 试 结 果
8.8 偏 航 距 离 测 试 结 果
结 束 语 1.GPS 在 农 业 信 息 获 取 分 析 与 处 理 中 占 据 极 其 重 要 的 地 位 2. 面 向 农 业 信 息 系 统 的 GPS 具 有 显 著 的 专 业 特 征 3. 采 用 差 分 技 术 可 以 消 除 各 种 误 差, 采 用 载 波 相 位 测 量 技 术 可 以 获 得 高 精 度 的 定 位 和 测 姿 结 果 相 对 定 位 精 度 可 以 达 到 厘 米 级 4.GPS 在 农 业 信 息 技 术 中 应 用 广 泛
感 谢 各 位 专 家 的 指 导!