黑龙江垦区精准农业两种GPS差分方式比较研究

摘要：为了精准农业技术示范试验需要，采用了GPS定位差分系统，以提高GPS系统定位精度。本文对黑龙江垦区现有两种精准农业GPS差分方式进行了介绍，并对两种GPS差分方式进行了比较研究。

　　关键词：精准农业，全球定位系统，差分系统

　　1.前言

　　2002年黑龙江农垦总局在友谊农场五分场二队引进美国CASE公司整套精准农业机械设备，建立了友谊农场精准农业试验示范基地。2003年黑龙江农垦总局又在大西江农场引进美国JOHNDEERE公司整套精准农业机械设备，建立了大西江精准农业试验示范基地。通过对两个试验示范基地GPS差分方式的比较，对两种GPS差分方式有了一个初步认识。

　　2.全球卫星定位系统（GPS）

　　全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)是美国的第二代卫星导航定位系统。GPS的空间部分使用24颗卫星组成全球卫星定位系统，每天24小时为全球陆、海、空用户全天侯提供三维位置、速度和时间信息。全球定位系统(GPS)自从建立以来，已得到非常广泛的应用。但美国出于其战略上的考虑，对外应用上,于1991年7月开始实施SA政策，SA(SelectiveAvailability)称为有选择可用技术,即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度，使用户的GPS接收机精度都在100米左右。虽然美国政府1999年取消SA政策，但定位精度仍然在15米左右，这样的精度不能满足实际应用需要，也给使用者带来极大不便。

　　3.差分GPS定位系统（DGPS）

　　为了提高GPS定位精度，采用差分技术（DifferentialGPS）可以改善因各种误差所影响的定位精度，使定位精度提高到亚米级或厘米级。差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台，实时计算出差分误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到高精度定位。

　　3.1友谊农场区域自主型地面站GPS差分系统

　　友谊农场精准农业技术示范试验基地DGPS定位系统采用区域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用伪距差分方式（RTCM方式，RadioTechnicalCommissionforMaritimeServices，航海无线电技术委员会），在基准站上的GPS接收机求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较求出其偏差，然后将所有卫星的测距误差利用数传发射电台传输给田间作业机器（如联合收割机），田间作业机器上的GPS接收机接收GPS信号的同时利用数传接收电台接收测距误差来改正测量的伪距，**后利用改正后的伪距来解出自身的位置，从而消去公共误差，提高定位精度。GPS的定位误差一般在15m以内，而RTCM差分后的DGPS的定位误差是亚米级的，即定位误差在1m以内，这种精度能保证农业生产中的定位需求。区域自主型GPS差分系统组成如图1所示。

　　图1区域自主型GPS差分系统组成示意图

　　1.联合收割机；2.车载AG132型GPS天线；3.数传接收电台天线；4.GPS卫星；5.35瓦PCC数传发射电台天线；6.固定AG214型GPS天线；7.友谊农场五分场二队办公楼

　　黑龙江省友谊农场五分场二队DGPS系统由地面固定式GPS差分站和移动式DGPS接收系统组成。地面GPS差分站设备包括Ag214（MS750）型双频GPS接收机，GPS接收天线、35瓦PCC数传发射电台、PCC数传电台发射天线、12伏直流稳压电源等组成。

　　Ag214（MS750）型GPS接收机由美国天宝（Trimble）公司生产，为精确动态定位而设计的双频GPS接收机，在精确定位、导航及控制等领域有着广泛的应用，该接收机的精度高，适合作为地面GPS差分基准站的接收机。

　　数据链（差分数据的无线传输）使用的是甚高频（UHF）的无线电通讯设备（数传电台），传输距离与电台发射天线高度、功率及移动站天线和基准站天线间的阻挡有关。友谊农场五分场二队办公楼顶部PCC数传电台发射天线长度2米，架设高度为14米。经过实际测试，数传电台作用距离为30公里，完全可以满足精准农业试验需要。

　　移动式DGPS接收系统由接收卫星信号的移动式Ag132型GPS接收机和用于接收差分信号的PCC无线电数传接收机组成，PCC无线电数传接收机通过RS-232串行接口与Ag132型GPS接收机相连接，RS-232串行接口数据传输设置为RTCM格式，即差分信号格式，波特率为9600b/s、8个数据位、1个起始位、1个停止位、没有校验位。

　　3.2大西江农场GPS卫星差分系统

　　黑龙江垦区九三农垦分局大西江农场精准农业试验示范基地采用GPS差分方式是卫星差分形式。GPS卫星差分系统组成示意图如图2所示。（图中为表示清楚，联合收割机上安装的GPS接收机天线和差分信号接收机天线为分置的，实际两个天线合置在一个圆球形天线内部，特此说明。）

　　图2GPS卫星差分系统组成示意图

　　大西江农场的约翰迪尔公司“绿色之星”精准农业系统采用“星火”DGPS接收机，该DGPS接收机采用双频差分SF2卫星差分系统，平均定位精度误差为±4英寸（±10厘米）。地球同步卫星差分系统是由美国修斯顿OMNISTAR公司提供，OMNITSTAR广域卫星差分服务被约翰迪尔的“绿色之星”系统所使用。OMNISTAR卫星差分信号，覆盖全球90%的区域，约翰迪尔公司“星火”GPS网络卫星差分系统，有两个地面注入站，将差分信号送上修斯顿公司三颗地面同步卫星。

　　4.差分方式比较研究

　　黑龙江垦区GPS差分形式目前有地面站差分和卫星差分两种形式。友谊农场采用地面基准站差分方式；大西江农场采用卫星差分方式，这两种差分方式各有优缺点。

　　友谊农场五分场二队试验示范基地应用区域自主型单站DGPS系统，一次性建站投资比较大，后期运行费用比较低，没有卫星差分信号服务费用，但服务半径相对较小，大约为30公里左右。基准站采用AG214型双频GPS接收机，定位精度较高，但价格也较高；车载移动GPS采用AG132型单频GPS接收机,价格较低，但定位精度低于双频接收机，差分信号传输格式为伪距差分（RTCM）。友谊农场DGPS系统经过两年试验示范表明，该系统工作稳定、定位精度达到目前友谊农场精准农业试验示范需要。

　　大西江农场应用的DGPS系统为卫星差分GPS系统，该差分方式是一种收费提供差分服务的形式，服务半径比较大，每台“星火”DGPS定位系统每年要向约翰迪尔公司交纳800美元差分信号服务费用。车载移动DGPS采用“星火”双频差分GPS接收机,定位精度较高，价格相应也较贵。由于大西江农场引进的大型气吹式变量施肥播种机幅宽18米，配备划印器比较困难，没有安装划印器，依靠DGPS设备对拖拉机进行自动导航。为了避免重播、漏播，要求配备在拖拉机上的DGPS定位设备定位导航精度比较高，配套的“星火”DGPS定位设备“趟—趟”运动精度误差为±10厘米。由于设备引进的时间比较短，定位精度能否达到达到大西江农场精准农业导航（高定位精度）试验示范需要，还需要进一步测试和试验。

　　作者简介：王新忠，女，41岁，黑龙江八一农垦大学工程学院副教授，主要从事工程力学教学及精准农业科研工作。

　　资助项目：国家高技术研究发展计划（课题编号：2003AA209090）资助

　　作者联系方式：黑龙江省大庆市开发区黑龙江八一农垦大学工程学院王新忠

发表于 @ 2008年06月29日 10:43:00 |点击数（）

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