北斗CORS在無人機植保智能化系統中的應用探討

曹洪濤 張迷霞 袁楠 閆浩 朱可

引言

在農作物生產中，我國的植保方式仍普遍以手工、半機械化操作作業為主，存在勞動強度大、易發生農藥中毒、農藥浪費嚴重等情況。此外，粗放式植保作業帶來了嚴重的水土污染、農業生態系統破壞、農產品質量下降等問題。隨著農村勞動力的大量流失以及土地走向集約化，農業植保也面臨著日趨嚴重的形勢。

當前，我國正處在傳統農業向現代農業發展的新階段，無人機施藥技術裝備與服務體系成為農業領域重點發展方向。無人機施藥采用低容量噴霧技術替代粗放的大容量噴霧技術，采用基于北斗CORS（連續運行參考站）的自動導航技術，實現智能化、自主化控制作業，能夠大大提高我國植保作業的質量和效率。

北斗CORS無人機植保系統

基于北斗CORS的無人機植保系統是通過北斗衛星進行授時、測速和定位，利用CORS進行位置差分解算，獲得更精確的位置信息，從而實現植保無人機田間作業的自動化、精準化的飛行控制。系統包括北斗CORS站、植保無人機2個主要組成部分。

北斗CORS站是植保無人機差分定位的基準站，包括接收天線、北斗接收機、數據中心、無線電臺四個部分。接收機接收衛星高度截止角范圍內的所有北斗衛星的星歷數據，并存儲于數據中心；通過無線電臺向植保無人機發送差分解算數據。

植保無人機作為植保作業單元，包括無人機平臺、藥劑噴灑設備、遙控器及監控站，具有田間藥劑噴灑、遙控操作、航線規劃、狀態監視等功能。植保無人機的飛控系統能夠通過北斗接收模塊實時獲取北斗導航星歷，并與接收的CORS站差分參數進行解算，得到精確位置信息；根據姿態和速度調整藥劑噴灑設備的水泵速度，實現藥劑噴灑流量控制。

北斗CORS支持的智能化

我國的農田由于權屬分散，生產經營不統一，存在農田面積小、形狀不規則、田間設施多（護田林、輸電線路、房屋設施）等問題，而且田間強電磁干擾因素多，如高壓線塔、變壓器、鐵礦區等，這對植保無人機操作的便捷性、飛行穩定性、作業安全性提出了更高的要求。北斗CORS系統支持的植保無人機系統相對與單基站的導航定位具有更高的精度，能夠實現田間復雜環境下的智能控制和精準控制。

高精度定位精準控制航距和幅寬

基于北斗CORS的差分定位精度要遠高于單點定位，覆蓋范圍以基準站為中心半徑 30千米左右，水平精度≤2厘米、高程精度≤3厘米。在平面測量方面，確保精準航向；在高度測量方面，使得植保無人機貼近農作物高度可達1米以內，并保持平穩定高飛行。基于北斗CORS對無人機航向和高度的控制，能夠有效避免因航偏過大或幅寬變化造成的漏噴、重噴。

噴灑流量與飛行速度動態匹配

對速度的精確控制，是藥劑精準噴灑的首要條件。北斗導航衛星通過多普勒頻移測量無人機的相對運動速度精度優于0.2米/秒，無人機飛控依據飛行速度動態調節水泵功率，實現噴灑流量與速度的匹配，確保藥劑噴灑均一。例如，ZW-1600植保無人機在流量與航速精準匹配下，可將畝噴藥量誤差控制在0.05L/畝以內。

組合姿態測量克服多源電磁干擾

衛星導航姿態測量是利用載波相位差分技術計算出由兩個或多天線構成的基線矢量，進而求解出基線矢量相對于當地水平面的夾角，從而獲得無人機的航向和姿態角。慣性信息與北斗衛星的組合姿態測量，能夠消除慣導的誤差積累，同時提高抗干擾性和數據更新速率。采用微慣性器件與雙天線北斗組合的方式，可以達到航向精度±0.44·（基線長度1米）、橫滾角±0.29·、俯仰角0.20· 。

航線智能規劃適應復雜地塊形狀

航線規劃效果直接影響無人機的作業質量。通過植保無人機監控站進行農田邊界厘米級測量，繪制出精確的作物分布邊線。將農田精細劃分為多個“凹、凸”多邊形區域，并考慮無人機單架次滿載藥量無法沿作業航線完成整個作業區域噴施的情況，自動規劃最優航線，提高覆蓋完整率，降低重復與遺漏率，降低作業消耗成本。

全自主飛行作業實現無人操控

植保無人機的全自主飛行是在無人操控的情況下，實現無人機的自動起飛、飛行作業、返回降落點、自動降落等功能。無人機在起飛前，首先利用北斗CORS系統計算和記錄準確的HomePoint位置的三維坐標；飛控系統根據獲得的速度、位置和姿態，控制無人機飛行作業；完成任務或中斷后，按預設航高返回HomePoint位置，并自動降落。基于北斗CORS的精確HomePoint位置和速度測定為自主飛行的穩定性、安全性提供了保障。

輔助智能避障減少噴灑遺漏

植保無人機作業時的避障功能分為已知避障和偶然避障。在飛行前已知障礙物的位置、形狀和尺寸，從而通過航線精細規劃實現避障。在飛行過程中，遇到未發現或偶然出現的樹木、人員等障礙時，植保無人機能夠迅速感知，并作出躲避動作。無論已知避障還是偶然避障，在北斗CORS的支持下能夠大大縮小避障半徑，實現無縫噴灑。

結束語

隨著我國自主研制的北斗導航定位系統的完善和成熟，北斗系統已經在海洋、林業、國土等各行業發揮重要作用。在農業領域，以北斗CORS為支撐的植保無人機系統，具備智能化、精準化、系統化等特點，對提高我國農作物病蟲害防治機械化水平，提高農業資源的利用率，緩解農村勞動力短缺，實現農業可持續發展具有十分重要的意義。

（責任編輯：劉英姿）