北斗導航定位系統在我國精準農業自動導航中的應用研究

朱小韋 周榮

摘要：本文介紹了北斗定位系統在我國精準農業自動導航中的應用現狀，介紹了北斗導航定位系統及其在精準農業自動導航中的具體應用，展現了其在精準農業中良好應用前景。

關鍵詞：北斗定位系統;精準農業;自動導航

0 引言

目前中國糧食產量穩定，連續五年穩定在6.5億噸臺階之上，但是農產品供需結構性矛盾突出，表現在：1）糧食因品質不均一、品質差而導致“賣糧難”：小麥優質率不足10%，優質麥年需求 2000萬噸，其中進口 1000萬噸;2）高品質消費需求得不到滿足：2003年起，城鄉居民食物消費升級并不斷提升，糧食的安全成為強需求。生物效能產出達到瓶頸，而數字施肥、土壤、播種管理技術對農業生產效能的貢獻率連年增高。未來農業升級轉型加快，需依靠數字管理技術推進農業高質量發展。

精準農業是將導航、通信與自動化控制技術運用于農業生產，利用現代機械設備與監測系統進行田間管理，針對田間具體環境與作物狀況因地制宜，精細準確地開展施肥、施藥等土壤管理及播種、收割等作物管理措施。精準農業的目的為降低產業投入條件下獲取更優的產出，提升作物產量和質量，保護生態環境，促進農業可持續發展[1-3] 。發展精準農業的本質目的就是通過降低產業投入量，在有限的土地資源和作業條件下，生產出高產量和高質量的農作物，保護農田生態環境，促進農業產業實現可持續發展。

精準農業體系主要包括衛星導航系統、地理信息系統、遙感技術、管理信息系統及自動化控制等[2]。衛星導航系統是精準農業的重要技術支撐，也是現代農業可持續發展的關鍵技術。2020年6月23日最后一顆北斗衛星升空，作為我國完全自主設計的全球定位系統，全球范圍定位精度優于10m（根據最新測算，全球實測定位精度均值為 2.34m），北斗衛星導航系統可提供免費、實時的無源定位服務，必將在推動精準農業機械自動導航的發展中，起到重要的助推劑作用。

1 精準農業國內外現狀

（1）國外現狀

20世紀80年代美國提出了精準農業的構想，1995年美國在聯合收割機上裝備GPS，實現了精細化作物收割應用，標志著精準農業技術的誕生。在隨后的發展中，利用 GPS、計算機網絡和自動化機械的結合逐漸實現了播種、收割、施肥、灌溉等農業作業的精細化，大大降 低了大面積作業下的人力和資源投入，提高了工作效率和經濟收益。歐洲、北美、澳大利亞、日本等多個國家相繼開展本國精準農業，并基于衛星導航、微機械慣導（MEMSINS）等技術發展相應的自動化農機，實現自動化作業生產，如無人播種機、無人駕駛拖拉機等[4]。

（2）國內現狀

中國精準農業發展起步較晚，但在國家“863”計劃等重大專項的支持下，中國在精準農業領域取得了較快發展。我國主要集中在將衛星導航技術應用于農 機引導方面，如將衛星導航系統應用于無人駕駛拖拉機自主導航和高精度作業方面，例如：雷沃公司農機直線跟蹤精度±2.5cm，接行精度±2.5cm，解決了“播行不直，接行不準”的瓶頸。隨著4G/5G網絡技術、物聯網技術和千尋網絡高精度定位技術的發展，結合傳感器，自動導航技術正在貫穿于監控終端（播種監控、產量監控等），如下圖1，技術日臻完善。

2 北斗簡介及技術優勢

1.北斗簡介

北斗衛星導航系統 （BDS）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，是繼美國全球衛星導航系統（GPS）和俄羅斯全球衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段、運控段、和用戶段組成。北斗衛星導航系統堅持“三步走 ”發展戰略，第一步形成區域有源服務能力，2000年，我國建成了由2顆北斗一號GEO軌道衛星組成的國內導航衛星試驗系統。2003年和2007年，我國又發射第3顆、第4顆北斗一號GEO軌道衛星，進一步增強了系統的性能;第二步形成區域無源服務能力，2012年，我國建成了由14顆北斗二號衛星（5顆 GEO衛星+5顆 IGSO衛星+4顆MEO衛星）組成的區域導航衛星星座。第三步形成全球無源服務能力，2020年6月，我國建成了由30顆北斗三號衛星（3顆GEO衛星+3顆IGSO衛星+24顆MEO衛星）組成的全球衛星導航星座，北斗三號衛星完成空間星座部分組網，完成建設后的北斗衛星導航系統可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務、并具備短報文通信能力。

2.北斗的技術優勢

農機進行作業，對定位精度有一定的要求，精準農業對衛星導航定位精度的需求與作物種類和作業方式高度相關，隨著定位性能的提升投入成本也迅速增加，不同的農機作業，需要不同的定位精度。自動化駕駛、變量播種、土地整理需要厘米級定位精度;信息采集、變量控制、產量監控、作業統計需要分米級定位精度;農機監控、調度導航、作業監測等只需要米級定位精度[5]。

相對于別的定位系統，北斗導航定位系統的技術優勢體現如下：

覆蓋范圍廣：北斗系統特有的GEO+IGSO+MEO星座分布使得衛星更多地分布在東經 84°-160°區域，在我國信號覆蓋范圍廣，可以實現穩定定位，滿足精準農業發展對衛星定位連續性和有效性的需求。

提供三頻定位，定位精度高：北斗已可為民用用戶提供B1/B2/B3 3個頻點的定位服務。對于單點定位，三頻有助于將空間導航信號傳播的電離層誤 差更好地消除，以獲得精度更優的定位性能。

3、北斗在我國精準農業導航中的應用

結合我國精準農業和北斗定位技術發展現狀，北斗衛星導航系統在精準農業中導航中的規模應用，主要在三個方面，一是精準自動導航應用，二是精準作業應用，三是精準管理應用[6]。

基于北斗衛星導航定位的自動駕駛導航技術直接驅動拖拉機的轉向系統，在農機作業時可以代替人工操作方向盤，實現自動駕駛。

1.自動駕駛導航工作原理

在導航顯示終端（車載田間計算機）中，設定到航線，通過方向輪轉角傳感器、北斗接收機、慣導系統獲取拖拉機的實時位置和姿態，計算拖拉機與預設導航線

的偏離距離和航向，然后通過導航控制器，驅動拖拉機的轉向系統，即時修正拖拉機方向輪的行駛方向自動駕駛導航系統在拖拉機的作業過程中，不斷進行測量控制動作，拖拉機的行走路線無限接近于期望和預設的作業路徑，如下圖2。

2.自動駕駛導航系統的基本組成

（1）差分信號源

差分信號是拖拉機自動駕駛的基礎。差分信號播發途徑主要包括：

①通過無線電臺播發，拖拉機需要配置一套無線數傳電臺;

②通過移動互聯網播發，通過內置的移動通信模塊接入差分信號;

③通過衛星播發，接收機通過北斗天線接收星基增強信號。

（2）GNSS天線

GNSS天線安裝于拖拉機車頂的中心位置，可以接受北斗雙頻或三頻信號。

（3）無線電臺

差分信號以無線電臺播發時，拖拉機也配置使用同樣頻率的無線數傳接受電臺。

（4）GNSS接收機

自動駕駛系統使用雙頻接收機，利用差分信號，實時計算精確的三維坐標。

（5）轉角傳感器

轉角傳感器用于實時檢測方向輪的轉向方向和轉向角度。轉角傳感器通常安裝于拖拉機的兩個方向輪之間。

（6）導航控制器

導航控制器內置高靈敏度慣性測量傳感器進行地形補償，接收并處理轉角傳感器、北斗接收機和導航路徑信息，向電動機或者液壓閥等轉向控制器輸出控制信號。

（7）轉向控制裝置

轉向控制裝置主要包括電動機驅動和液壓驅動兩類，如下圖3，分別實現機械式輔助駕駛導航和液壓式自動駕駛導航。

（8）導航顯示終端

導航顯示終端主要是由計算機單元、顯控屏幕、I/○接口等硬件組成。部分顯示終端還與衛星接收機、光靶及慣導系統集成在一起。

通過通信、導航定位、自動控制的整合，可實現自動化農機的自主駕駛和自主作業，實現自動化精準農業生產。目前我國用于精準農業的北斗導航定位裝備： 支持北斗/GPS雙模定位;支持單點定位/動態RTK 位;支持基準站/ 流動站切換;單點定位精度，水平1.8m垂直3.6m;動態RTK定位精度，水平 10mm±1ppm 垂直 20mm±1ppm。大規橫的應用推廣的區域主要分布在黑龍江和新疆，其應用領域主要集中在播種環節，如玉米棉花馬鈴薯、水稻的播種。

4、結語

北斗應用于精準農業導航，有效提高了作業質量和改善了作物生長環境，大大提高了作業效率，但還存在一些問題：

（1）應用裝備領域行業標準缺失，產品良莠不齊;

（2）在差分增強基礎設施建設方面，缺少技術和管理協調，基準站重復建設現象嚴重;設備故障維修成本高等。

隨著相關技術的進步，上述問題會不斷得到解決，北斗在精細農業中的應用將會更加廣泛。

參考文獻：

[1]郭信平 曹紅杰.衛星導航系統應用大全[M].北京： 電子工業出版社，2011.

[2]閔士權.衛星遙感與衛星定位在我國農業信息化建設中的應用[C].2007衛星通信與農村信息化發展研討會，2007.2009（8）：242-244.

[3]李強 李永奎.我國農業機械GPS導航技術的發展[J].農機化研究，2009（8）：242-244.

[4]何成龍.北斗導航系統在我國精準農業中的應用[J].衛星應用，2014（12）：24-27.

[5]吳才聰.美國標準農業技術應用概況及北斗農業應用思考 [J].衛星應用，2015.

[6]董柳柳 沈 飛.北斗技術在精準農業中的應用與展望[J].農機科技推廣，2019（10）：44-46.