RTK技術在植保無人機的應用與發展

紀爽 付亞萍

摘?要：隨著植保無人機行業的發展，實際應用中對植保無人機作業質量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常規GPS定位精度不夠，已經很難滿足精準農業的要求。RTK（Real-time kinematic）載波相位差分技術被應用至植保無人機。借助該技術，無人機可以實現厘米級的高精度定位，按照預先設置的航線實現厘米級的自主飛行。

關鍵詞：GPS;RTK技術;植保無人機;精準

0?引言

我們通常所說的植保無人機主要是由飛行平臺、導航飛控、噴灑機構三部分組成，通過地面遙控或導航飛控，來實現噴灑作業，完成多種農業工作任務。

飛行平臺顧名思義就是整個飛行器的載體;噴灑機構是任務執行機構;導航飛控可以理解為植保無人機的大腦，它決定了植保無人機的操控性和精準性。就操控性而言，目前的植保無人機已經能夠實現航線規劃自主飛行。這種植保理念與地理和測繪等學科進行融合，它需要飛手持地面站繞著田地四周行走一圈來測繪地圖數據，然后在衛星地圖上規劃田地航線，植保無人機按照上述航線自主飛行作業，它使植保無人機的操控更加簡單化、智能化，同時也提高了作業效率。然而，全自主的飛行模式，飛行過程中沒有人工參與糾偏，也對飛行的精準性提出了更高的要求。常規GPS定位精度不夠帶來的問題已經顯現，為了尋求一種更為精準的定位方式，相關人員將RTK技術和植保無人機實現了結合。

1?GPS和RTK技術的定位原理

1.1?GPS的定位原理及誤差的產生

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱，利用GPS定位衛星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統。

GPS定位的基本原理是測量出已知位置的衛星到地面GPS接收器之間的距離，然后接收器通過與至少4顆衛星通訊，計算與這些衛星間的距離，就能確定其在地球上的具體位置。常規GPS的定位精度能夠達到1 m左右，通訊的衛星數量越多，精度會有所提高。但由于信號問題誤差達到2 m以上精度的概率可能會達到50%。我們的手機導航就是常規GPS定位的典型應用，定位精度范圍在使用時也都能夠有所體會。這種定位精度，用于植保無人機的導航定位，如果沒有人工參與糾偏，就會帶來不可估量的問題。常規GPS的定位誤差產生原因如下。

（1）大氣層影響。大氣層中的電離層和對流層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發生變化，從而讓GPS信號產生延遲。

（2）衛星星歷誤差。由于衛星運行中受到復雜的外力作用，而地面控制站和接收終端無法測定和掌握其規律，從而無法消除產生的誤差。

（3）衛星鐘差。衛星鐘差是指GPS衛星時鐘與GPS標準時間的差別。衛星上使用銫原子鐘，所以兩者的時間也可能不同步。

（4）多路徑效應。GPS信號在傳輸的過程中也可能是在不同的障礙物上反射后才被接收到，這就是所謂的“多路徑效應”。

1.2?RTK技術的定位原理

RTK是英文Real - time kinematic（載波相位差分技術）的簡稱，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標，所以RTK技術通常也稱作RTK差分技術。簡單的說，RTK技術就是把常規GPS的誤差想方設法分離出去的一種技術，這種定位方式需要建立固定基站，固定基站根據自身位置數據和接收衛星定位數據計算出誤差值發送給接收端修正定位偏差。它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。

通常RTK系統包括：兩臺 GPS信號接收設備、無線電通訊設備、電子手薄及配套設備等，其中一臺GPS信號接收設備作為基準站，另一臺是用戶端GPS，首先確定一個已知點的坐標，在已知坐標的固定點上架設一臺GPS接收機（稱基準站），通過GPS的定位數據和已知坐標點的數據解算出差分數據，再通過無線電通訊設備將誤差修正參數實時播發出去，用戶端通過數據鏈接收修正參數并傳給GPS，GPS接收修正參數后和自己的定位數據進行修正解算，即可將定位精度提高到厘米級，其工作及結構原理如圖所示。

2?RTK技術在植保無人機應用的現狀

2.1?RTK技術在植保無人機應用的必要性

RTK技術的出現已經有很長一段時間了，它具有定位精度高、作業自動化和集成化程度高、作業效率高等優點，而且RTK技術在公路控制測量、電力線路測量、水利工程控制測量、大地測量、地形測圖、施工放樣、變形監測等領域已經得到了廣泛的應用。近幾年來，隨著植保無人機行業的發展，精準農業對行業要求的提高，RTK技術也已應用到植保無人機領域。相對于其它行業，RTK技術與植保無人機的結合還處于起步階段，目前RTK技術應用在植保無人機領域的基準站通常采用可移動式的基準站，其有效工作半徑與GPS接收機功率有關，一般能夠達到5 km左右。流動站一般包括手持端和機載端，手持端主要是用來采集地塊數據、制定飛行作業方案、規劃飛行路線，然后通過地面站上傳至飛控系統;機載端根據上傳數據進行定位達到精準飛行的目的。

常規GPS植保無人機作業由于定位偏差的問題，會有掉高、飛不直的現象，常常出現重噴、漏噴等問題。如何精確完成斷點續噴也是一直在解決的技術問題，而搭載RTK定位系統后，借助RTK差分定位技術，可以消除衛星鐘差、接收機鐘差、大氣電離層和對流層折射誤差的影響，使定位精度達到厘米級。通過搭載RTK模塊的手持測繪器進行地塊測量以獲取高精度的田地邊界信息，作為制定精確度達到厘米級別航線的數據基礎，而無人機則可以在航線制定后進行飛行作業，妥善解決因航線偏移而帶來的重噴、漏噴等問題。

另外，我國很多地區農田的田埂寬度普遍較小，且多丘陵、山地等復雜地形，對植保無人機飛行航線的精度要求很高。如果不能做到精準噴灑，不僅達不到防治病蟲害的效果，甚至還可能產生藥害。而RTK技術的應用，可以促使植保無人機真正走上精準作業之路。精準作業體現在兩個方面：一是飛得精準，即高精度自主飛行技術。通過RTK系統可獲取準確的田地邊界信息，將航線精度從米級提升至厘米級，且不需要人工遙控，實現全自主飛行和噴灑;同時讓無人機自動避開房屋、樹木、電纜等障礙物，避免了碰撞和炸機事故的發生。二是噴得精準，可以通過精準變量噴灑技術來達到，同時妥善地解決了以往因GPS定位偏差而造成的重噴、漏噴等問題。

2.2?RTK技術在植保無人機應用存在的問題

RTK技術相對于常規GPS定位優勢明顯，但現在的應用并不普遍，一方面是作為新技術產品的普及需要時間，另一方面也是因為它的應用和推廣存在著不可避免的問題，就目前而言RTK技術在植保無人機應用存在的問題主要集中在以下幾點：

（1）RTK技術在植保無人機的應用中，系統軟件的流程如何能讓操作者快速簡單的使用，這是生產廠家亟待解決的問題。

（2）RTK技術差分模塊與飛控系統適配問題，目前還沒形成統一的標準，沒有一家的差分模塊可以兼容所有飛控，產品適配性有待提高。

（3） RTK基站設施不完善，目前我國大部分地區的植保無人機應用RTK技術，都需要配備移動基站，移動基站不僅價格昂貴，而且其設置環境要求較高。

（4） RTK設備價格偏高，標配的一套RTK系統，包含一個移動基站和一個機載端價格在3萬元左右，其中移動基站所占的價格比例達到了70%以上。這一價格相當于載重量10 L的植保無人機的價格，極大的增加了購機和作業成本。

（5）RTK設備的穩定性，由于RTK技術在植保無人機的應用尚處于起步階段，其產品的完善和穩定性還需要時間的沉淀。

3?RTK技術與植保無人機結合的發展趨勢

隨著植保無人機行業的發展，實際應用中對植保無人機作業質量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常規GPS定位精度已經很難滿足精準農業的要求?？梢哉f兩項科技的結合是行業發展帶來的必然結果，它們之間的結合趨勢也具有自身特點。

植保無人機的應用行業屬于農業范疇，那么植保無人機從應用角度應該歸屬農業機械，所以在保證作業質量、效率、安全等前提下，操作性和價格是兩者結合發展首先要考慮的問題。因為只有真正解決這兩方面問題，對于普通老百姓來說才能更容易接受。就操作性而言，這是生產廠家軟件算法、流程設計需要解決的問題，生產廠家應該投入更多的科研力量，參考其它行業的應用情況，使操作更人性化，流程更簡單易懂。

另一方面，從行業發展角度出發，國家應該增加RTK基站設施的建設，實現網絡RTK在植保行業的應用。據統計，截至2016 年，全國完成RTK基站建設 600 多個，以單個基站有效信號覆蓋半徑50 km計算，全國覆蓋的區域僅達10%左右，其中，重要的農業大省，如：新疆、云南、黑龍江均無網絡覆蓋，而在廣西、貴州等省份也只完成部分覆蓋。所以，隨著行業的發展，國家一定會加大RTK基站設施的建設力度，當RTK技術能夠以網絡RTK的形式應用到植保無人機領域，那么就可以不再使用移動基站，這樣RTK的硬件成本就會顯著下降，將會很大程度的降低作業成本。

如果十多年前，GPS還只是少數移動設備的配置，而如今已然成為移動設備的標配，這是市場需求的變化結果，更是技術普及伴隨的成本下降后的必然趨勢。我們相信RTK技術在未來，一定會成為植保無人機行業一個不可或缺的部分。在國家加快現代化農業建設的大背景下，政府對植保無人機和精準農用設備的大力扶持，相應的難題也會迎刃而解。植保無人機和RTK技術的結合也會從發展到融合，兩項科技定會轉化為田間地頭實用的利器，為飛防植保行業帶來里程碑的變化。

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