基于北斗衛星導航系統的中國農情信息速報系統設計

周筱靚　楊惠明　陳世品　林一娟　鄭海鴻

摘要：根據北斗衛星導航系統，設計了一種對中國農情信息全天候采集、分析的系統。該系統通過北斗導航衛星的報文信息服務，能夠高速率、高精度、實時地將不同時間、不同地區的農作物種植面積、農作物生長情況、農作物產量預測與糧食生產估計等信息傳送到地面并進行分析處理，便于中國農情的統計、分析及預測。

關鍵詞：中國農情信息 北斗衛星導航 報文信息

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0160-02

目前我國使用雷達遙感收集農情信息費用昂貴，且收集到的信息不夠精確。其中遙感數據購買費用和地樣采集成本較高，共占總費用的三分之二。提取農作物種植面積的最主要的數據源是美國陸地衛星TM/ETM遙感數據和水稻用雷達遙感數據。如果主要數據源是TM等遙感數據，則成本較高。而且獲取農作物面積以TM遙感數據為主要數據源所得到的數據精度不高，尤其是對間作套作普遍、品種繁多的秋糧作物。另外，雨天條件下，生長期的農作物對遙感數據的接收率非常低。

在測繪工程、電信通訊、農林牧魚、交通水利、搶險救災、林區防火和公共安全等諸多領域，北斗衛星導航系統已得到了廣泛應用，產生的社會效益十分明顯。本文作者設想可利用北斗衛星導航系統建立一個能夠快速、準確地將不同時間、不同地區的農情信息速報系統，以方便中國農情的統計、分析及預測。

1 系統分析

根據北斗衛星導航系統具有定位，授時，收發報文消息的特點，本文作者提出了建立一種基于北斗衛星導航的農情信息采集系統見圖1。

但是由于北斗衛星導航系統的民用報文服務的通信頻道和報文長度是有限的以及存在丟包問題，限制了它的應用。系統采用“傳輸——回應——重傳”機制，使報文信息可靠且安全地傳輸。在便攜式數據采集終端輸入農情信息，然后利用北斗導航定位短報文通信模塊，將該訊息傳遞至地面數據接收中心，地面數據接收中心同時應答該報文信息，完成一次報文信息的通信，同時該中心對采集到的數據進行處理分析，并通過Internet與各地授權用戶分享處理后的信息。

1.1 硬件平臺搭建

根據ARM和Windows CE 6.0（WINCE 6.0）的BD-2船載定位終端硬件平臺，所有部件將采用成熟電子元器件。該系統硬件包括BD-2導航模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、數據通信接口和PVT（ARM）解算模塊等。

BD-2導航模塊主要由射頻模塊及加載了A/D模擬數字化中頻信號的基帶信號處理模塊作為ADC的轉換時鐘，同時作為信號跟蹤基準時鐘輸入到基帶信號處理模塊。基帶信號處理模塊進行信號的捕捉、追蹤、調制，從而輸出原始觀測量。PVT（ARM）解算模塊主要由耗能極低的ARM9處理器，S3C2440，NAND Flash，SDRAM等硬件構成。PVT（ARM）解算模塊控制基帶信號處理模塊，并提取解算基帶信號處理模塊得到的觀測量，得到解算結果，同時處理整個系統的運行。為實現綜合導航，數據通信接口部分設計CAN總線接口、RS-485接口等。

1.2 定位解算算法流程

設計硬件電路BD-2導航模塊主要以北斗GPS導航基帶芯片來進行基帶信號處理，該芯片具有多頻、精密的特點，可同時接收BD-2的B3和B1頻點信號（本文主要是利用B1頻點進行導航定位解算），輸出原始觀測量；擁有并行數據總線接口（16bit），通過該接口的ARM微處理器S3C2440（32bit）可對HwaNavchip-1進行配置，得到集成電路、導航電文等反映工作狀態的信息。通過ADS（ARM Developer Suit）對ARM進行調試，解算用戶位置、速度、時間等信息。

根據偽距定位的最小二乘算法，通過偽距計算用戶的位置：首先初始化用戶位置，將其作為地球中心；然后，計算用戶與衛星之間的距離和信號傳輸時間；接著，根據地球自轉效應修正衛星位置，并采用以用戶為中心的坐標系更新衛星位置；接著，根據相關參數進行修正；最后通過迭代運算得到DOP，并保存ECEF坐標系轉導得到的CGCS2000坐標系結果。

1.3 軟件開發平臺

模塊化的、可延展的WINCE6.0具有良好的實時性能和強大的通信功能，支持多種CPU的嵌入式操作系統，與Windows系列有很好的兼容性，支持WIN 32 API，以至于具有多線程、多任務等特點的產品能夠快速開發。因此，該設計選用WINCE 6.0嵌入式操作系統。建立一個基本WINCE 6.0系統平臺的程序是：設置系統平臺；建立操作系統鏡像；將平臺搭建至目標設備；調試系統平臺。利用Platform Builder應用程序設置平臺，建立操作系統鏡像。

1.4 便攜式數據采集終端

利用S3C-2440搭建該便攜式終端，包括顯示模塊、輸入模塊、接口模塊幾部分，以標準的RS-232接口與之連接。

1.5 地面數據接收處理中心

采用“傳輸——回應——重傳”機制確保報文信息可靠地傳輸。因此，地面數據接收中心需要及時響應每條報文信息。由于北斗衛星導航系統每條報文信息需要一分鐘的發送間隔，這可能會致使地面端無法及時應答報文信息，使報文信息多次重發或發送失敗。為了避免出現該情況，地面端可構建一套由12個北斗數據傳書終端組成的北斗發送矩陣，迅速、及時、安全、準確地響應報文信息。同時分析處理由北斗衛星導航系統發來的各農情信息，形成各地區農情信息報告，并根據用戶請求實時反饋。

2 軟件實現

2.1 終端發送模塊

采用具有“傳輸——回應——重傳”機制的報文信息發送模塊的便攜式終端設備，該設備將加密編碼農情信息，利用北斗定位通信模塊，將加密編碼后的農情信息發送回地面數據處理中心。

2.2 數據接收中心報文信息處理流程

地面數據接收中心收到報文信息后，將通過一定的規律轉置所收到的報文信息，然后基于報文信息類型進行分類處理，同時利用北斗發送陣列對農情報文信息發送應答報文進行響應。

2.3 性能分析

（1）導航系統的精度：定位、測速和授時的開放服務是全球免費的，定位精度通過差分系統已經能做到極度精準，測速精度與授時精度也會隨著技術的提高不斷升級。

（2）定位原理：采用主動式雙向測距二維導航，地面中心控制系統解算，提供三維定位數據到用戶終端。

（3）有一定的保密、抗干擾和抗摧毀的特點：是我國自主研發的系統，準確，穩定，保密性強。

（4）范圍大，沒有通訊盲區。北斗系統不單單可為中國服務，還可為周邊國家服務。

這些優點能夠快速定位農作物所在地區，可靠地收集不同時間、不同地區的農情信息，便于中國農情的統計分析和預測。

3 結語

相對于傳統的人工采集方式，該系統采集方式省時省力且能獲取大量信息。相對于雷達遙感方式采集信息，該系統采集方式費用較低。為此。根據北斗衛星導航，提出了一種農情信息采集系統。該系統采集、分析及處理農情信息及時、準確，為后期建立中國農情的質量控制和檢驗體系打下了夯實的基礎。

參考文獻

[1]林文鵬.《基于MODIS波普分析的作物信息提取研究》[D].中國科學院遙感應用研究所，2006年.

[2]陳亮，徐元，江濤，王峰，鄧銳，彭小紅.《基于北斗導航系統的海洋漁業數據信息系統》[J].《安徽農業科學》，2015（2），363-364.

[3]苗前軍，范京生.《基于北斗二代系統的船載定位終端》[J].《上海海事大學學報》，2012（3），1-4.

[4]吳炳方.《中國農情遙感速報系統》[J].《遙感學報》，2004（6），481-497.

[5]李雪春.《北斗衛星導航系統特點與現狀分析》[J].《中國科技術語》，2010（5），119-120.