GNSS導航技術在精準農業中的應用

張傲 鮑志雄 林國利

摘 要：文章首先介紹了GNSS導航技術在精準農業中的應用。在基于國外農業機械GNSS導航技術的研究上，分析了我國農業機械GNSS導航技術發展趨勢及可能存在的問題。最后介紹了中海達OutBack 系統應用案例，可以有效減少農機作業強度，提高作業效率。

關鍵詞：GNSS導航技術；農業機械；OutBack 系統

精準農業[1]是通過信息技術操作與管理現代化農業，即定量、實時診斷耕地和作物長勢，并通過土壤形狀、光照、濕度、溫度等影響因素，動態調整作物投入，從而提高土地生產力的過程，最終實現農業的可持續發展。

美國率先將GPS技術應用到農業生產領域，并在1992年4月召開第1次精準農業學術研討會，標志著精準農業技術體系初步形成。隨著俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國北斗衛星導航系統，以及相關增強系統的不斷發展，GNSS導航技術在精準農業的應用越來越廣泛。

1 GNSS導航技術及其在農業機械中的作用

1.1 GNSS導航技術

GNSS通過距離計算衛星的實際位置，距離通常以無線電信號的傳輸時間量測。絕對定位，是接收機天線的絕對坐標，通過一臺接收機獲得數據。相對定位[2]，根據2臺以上接收機對同一組衛星觀測獲得的數據確定接收機天線位置關系。GNSS測量誤差主要有與傳播路徑、與衛星有關、與接收機有關及其他誤差等。

1.2 GNSS在農業機械主要作業形式

GNSS可以實時確定農業機械位置，將原有的精度和速度進行提升，進而促進農業生產和作業效率的提高。

1.2.1 農機作業導航

根據安裝在農業機械上的GNSS接收機獲取的數據[3]，經過中央控制器處理后，得到實時高精度實時農業機械位置和方向，對駕駛員操作進行指導。

1.2.2 變量施肥

在計算機決策系統的支持下，安裝有GNSS接收機的噴施器，根據農田土壤養分含量的分布圖及依據衛星信號確定的實時位置，實現對田間各區域不同類別的變量控制。

1.2.3 農田產量監測

影響作物產量的因素通過以GIS技術直觀表達的產量監控器[4]獲得的數據，并結合土壤分布情況進行確定。根據對各種因素的實時測量，幫助種植者對做農作物進行管理。

2 全球農業機械GNSS導航技術發展及市場分析

2.1 國外農業機械GNSS導航技術發展

美國在聯合收割機上裝備全球衛星定位系統后，荷蘭、加拿大、日本、英國等國家相繼開始進行精確農業實時計劃，實現高產和最大經濟效益的獲取，為農業技術的進步帶來巨大推動作用。

由日本農林水產省農業研究中心研制的播種機，誤差在8cm以內；稻田無人插秧機，精度2cm以內。此外，由北海道大學與農業機械廠聯合研制的無人駕駛拖拉機精度達2cm。

除科研機構進行精準農業相關技術的研究外，一些商業公司也紛紛推出面向農業而開發的產品。如NavCom公司研發的StarFire 系統，Trimble公司推出的Omnistar 系統等，極大的推進了精準農業的發展。

2.2 國外農業機械GNSS導航技術市場

據GSA報告稱，2012年全球GNSS設備在精準農業市場出貨量達16萬臺，復合增長率達21.3%；銷售業績$7億元。出貨量主要集中在農機作業導航領域，占據出貨量45%，創造銷售業績的66%。

據GSA預測，到2020年GNSS設備在精準農業市場出貨量為61萬臺，復合增長率14.3%；銷售業績達$20億元，復合增長率10.3%；GNSS在精準農業市場滲透率達33%。其中，農機作業導航和變量施肥預計整個精準農業業績的80%。北美市場依然為全球主要市場，份額達43.8%。

3 我國農業機械GNSS導航技術的發展及市場分析

3.1 我國農業機械GNSS導航技術發展

在國家新農村建設工程大力開展的過程中，國內農機業發生了巨大的變化。

2009年國務院發布《裝備制造業調整和振興規劃》，要求“充分發揮市場在資源配置中的基礎性作用，促進農業機械制造企業有序競爭。”

2010年國務院發布《國務院關于促進農業機械化和農機工業又好又快發展的意見》，指出“到2015年，農機總動力達到10億千瓦，主要農作物耕種收綜合機械化水平達到55%以上。”

2011年工業和信息化部發布《全國農機工業十二五發展規劃》，要求“到2015年，年農機工業總產值達到4000億元以上。”

GNSS技術在農業領域發揮重要作用，尤其是對推動社會主義新農村建設及促進農業轉型升級有著積極的推動作用。但是目前我國正處在GNSS技術在農業應用的試驗階段，相關技術和設備還需進一步加強和完善，尤其是適用于大規模機械化生產的技術仍處于起步階段，因此，必須重視GNSS技術在農業管理中的技術研究和應用。

3.2 我國農業機械GNSS導航技術市場

截至2012年底，全國30個省、區、市共有家庭農場87.7萬個，經營耕地面積達到1.76億畝，經營總收入為1620億元，各類扶持家庭農場發展資金總額達到6.35億元，其中江蘇和貴州超過1億元。

截至2012年底，國家農機購置補貼共計投入$122.65億，復合增長率105%；補貼各類農機具2272.6萬臺（套）。

4 中海達OutBack 系統應用案例

4.1 OutBack 系統構成及功能

OutBack 自動導航駕駛系統由基準站、車載衛星定位組件、決策支持組件以及自動控制組件組成等四部分構成。

基準站組件通過接收定位衛星信號，計算出信號中包含的誤差，并通過電臺或者網絡等通訊手段將改正數播發出去，傳送至安裝在拖拉機頂棚上的車載衛星定位組件，將機械當前位置、速度等信息定位精度提高至1～2cm。決策支持組件根據人工設定的路線指引拖拉機行駛，并通過自動控制系統控制車輛轉向，實現自動控制。

4.2 黑龍江七星泡農場應用案例

2012年，OutBack 自動導航駕駛系統成功安裝在黑龍江省七星泡農場30套的迪爾7830、克拉斯836等拖拉機上，根據后期數據統計，在秋整地和秋起壟作業過程中，該系統大幅度提升了駕駛人員的工作效率，節約了生產成本。30套機車共計節約資金59.25萬元，主燃料79t，增加時間利用7個百分點，提高效率20%以上，最終實現118.56萬元資金的節省，進一步提高農民的創收。

參考文獻

[1]臧榮春，歐陽斌林.GPS技術在精確農業中的應用[J].農機化研究，2001（4）：86-88.

[2]宋變蘭，黃道友，路鵬，等.全球定位系統技術及其在農業中的應用[J].湖南農業科學，2005（3）：67-69.

[3]盧建剛，過靜君.GPS在精細農業中應用的研究[J].工程勘查，2002（1）：50-52.

[4]翟傳鳳.GPS在精準農業中的應用[J].當代農機，2007（6）：60-61.

作者簡介：張傲（1986-），女，山西省臨汾市人，工作單位：廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，職務：工程師，研究方向：衛星導航技術的創新與應用。