北斗地基增強系統在黑龍江精準農業中的應用

● 文| 褚鵬飛魏玉嶠李慶龍閆明明

1.哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司 2.航天恒星科技有限公司

北斗地基增強系統在黑龍江精準農業中的應用

● 文| 褚鵬飛1魏玉嶠2李慶龍2閆明明2

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精準農業已成為現代農業的標志，而精準定位是其可行的關鍵。從精準農業含義出發，結合在黑龍江省哈爾濱市大用合作社的農業精準作業實踐，闡明了北斗地基增強系統的典型工作原理。通過與傳統單基站RTK模式的對比，分析了北斗地基增強系統的技術優勢和先進性，指出了在精準農業生產中推廣北斗地基增強系統的意義。

一、概述

精準農業（Precision Agriculture）是一種基于信息和知識管理的現代農業生產系統。精準農業綜合應用全球衛星導航定位系統（GNSS）、地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）和計算機自動控制系統等先進技術，對農業資源、農業作業實施精確定時、定位、定量控制，可最大限度地提高農業生產力，高效利用農業資源，保護生態環境，是實現優質、高產、低耗、環保的可持續發展農業的有效途徑。其中，基于高精度衛星導航定位的農機自動駕駛系統是精準農業技術體系的重要組成部分，可以實現在大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動化作業，可用于播種、收割等多個生產環節，極大地提高生產效率和土地利用率，已在國內外得到了廣泛應用。

多年以來，黑龍江省在精準農業技術的應用推廣領域居于全國領先地位。黑龍江省人均耕地面積大、土地規劃好、農田相對平整、機械化水平高，其農業集約化水平較高，在推廣精準農業方面具有得天獨厚的優勢。以哈爾濱市大用合作社為例，該合作社實施精準農業技術起步較早，技術水平國內領先。目前基于差分GPS技術（DGPS）的農機自動駕駛系統在該合作社的深耕、播種等作業中已經獲得了應用，極大地提高了生產效率。

但目前黑龍江省采用的農機自動控制技術也存在著一些不足。首先，已裝配的農機控制系統均基于美國GPS系統，在農業生產中廣泛依賴GPS系統不利于我國的戰略安全和農業信息安全；其次，目前采用的農機駕駛系統均基于傳統的移動式單基站RTK模式，具有成本較高、數據傳輸穩定性差、覆蓋面積小、操作不便等缺陷。而基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統則能夠較好地解決上述問題，代表了精準農業技術未來的發展方向。

二、北斗地基增強系統

20世紀90年代以來，美國的GPS系統以其全球范圍、全天候的高精度實時定位、測速和授時（PVT）服務能力，在全球衛星導航領域占據統治地位。隨著差分GPS技術的發展，基于移動式單基站GPS RTK的農機自動駕駛系統逐漸在我國黑龍江、新疆等大農業地區得到了廣泛應用。但在農業領域廣泛應用基于GPS的衛星導航設備，不利于我國的農業信息安全，且上述基于移動式單基站的GPS RTK技術存在諸多不足之處。

隨著我國衛星導航科技領域的技術進步，我國自主研發、自主管理的北斗全球衛星導航定位系統目前已經具備運行服務能力，定位精度和可靠性與GPS系統相當。在農機自動駕駛系統中使用基于北斗系統的導航設備，有利于我國戰略安全和農業信息安全，有利于推動北斗導航產業的健康發展。同時，隨著高精度衛星導航定位領域的技術進步，基于先進的網絡RTK技術的地基增強系統正逐步取代傳統的單基站RTK技術。北斗地基增強系統是在一定區域范圍內，由若干個連續運行的基準站、數據通信鏈路、數據中心和用戶終端構成的局域網絡。北斗地基增強系統綜合應用衛星導航定位技術、計算機技術、數據通信和互聯網（LAN/WAN）技術進行實時差分改正信息解算，可向用戶自動提供經過檢驗的衛星導航信號觀測值（載波相位、偽距）、差分改正數、狀態信息等衛星導航增強信息，為不同行業、不同類型用戶提供多種多樣的高精度導航定位解算服務。

北斗地基增強系統具有服務覆蓋范圍廣、定位精度高、可靠性高、操作簡便、坐標基準統一、可提供多元化服務等優點，代表了北斗高精度衛星導航定位技術的發展趨勢。建設北斗地基增強系統，推廣北斗衛星導航系統和網絡RTK技術在農業領域的應用，對精準農業技術的升級、信息化水平的提高、農業生產效率的提高均具有重要意義。

三、系統組成

為徹底解決目前基于移動式單基站RTK模式農機駕駛系統的存在的問題，哈爾濱市大用合作社基于網絡RTK技術組建了北斗地基增強系統，該系統由三個基準站和一個數據中心組成，可覆蓋合作社全部可耕地面積，并可以為上百臺農機提供高精度導航定位增強服務。系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 哈爾濱市大用合作社北斗地基增強系統組成示意圖

該北斗地基增強系統由數據中心子系統、數據通信子系統、基準站子系統、用戶終端子系統4部分組成。

1.數據中心子系統

數據中心子系統主要由服務器、計算主機、網絡設備（數據傳輸發送設備）和UPS電源等設備組成，是整個系統的核心和大腦。數據中心接收各基準站發回的數據，檢查各基準站工作狀況；全面控制網絡中所有基準站的接收機，通過處理所有基準站的數據，生成網絡改正數據，并向用戶終端提供VRS模式的改正數據流，提供網絡RTK服務；生成差分數據格式文件，實時發送給用戶。數據中心子系統的組成結構如圖2所示。

圖2 數據中心子系統組成示意圖

2.數據通信子系統

數據通信子系統主要由有線VPN專網和無線網組成，是整個系統的橋梁和紐帶。數據通信子系統將基準站和數據中心聯系在一起，也實現了數據中心與用戶之間的通信。其中，各基準站通過有線VPN專網直接連接至數據中心，用戶終端則通過無線網絡完成與數據中心的通信。基準站與數據中心的通信系統如圖3所示，用戶終端與數據中心的通信系統則如圖4所示。

圖3 基準站與數據中心的通信系統示意圖

圖4 用戶終端與數據中心的通信系統示意圖

3.基準站子系統

基準站子系統主要包括3個基準站，每個基準站由測量型天線、GNSS接收機、網絡設備、機柜、以及防雷設備等相應的防護設備組成，其功能是衛星導航定位數據跟蹤、采集、傳輸、以及系統可靠性（完備性）監測。基準站子系統的組成結構如圖5所示。

圖5 基準站子系統組成示意圖

4.用戶終端子系統

用戶終端子系統由流動站接收機和農機控制系統組成，負責具體操作農機完成自動化精細作業。流動站接收機接收數據處理中心發送的差分改正數，進行厘米級精度的定位解算，并將解算結果反饋給農機控制系統。農機控制系統根據流動站接收機提供的高精度定位解算結果，按照預先設定的軌跡線行駛，完成精細作業。用戶終端子系統的組成結構如圖6所示。

圖6 用戶終端子系統組成示意圖

四、工作原理

北斗地基增強系統的工作原理如圖7所示。各基準站每天24h不間斷采集衛星觀測數據，并通過VPN網絡發送給數據處理中心。數據處理中心的網絡RTK軟件根據各基準站的數據進行網平差解算，生成覆蓋整個地基增強系統覆蓋范圍的網絡RTK誤差改正模型。用戶終端子系統通過無線網登錄數據中心，即可獲取地基增強系統提供的差分增強服務，在整個地基增強系統覆蓋范圍內能夠獲得均勻的厘米級定位精度，不像傳統的單基站RTK模式，誤差會隨著用戶終端和基準站的距離增大而增大。經測試，地基增強系統可在整個網絡覆蓋范圍內獲得水平3cm、高程5cm的實時定位精度。

五、技術先進性

目前，黑龍江省使用的農機自動駕駛系統均基于傳統移動式單基站GPS RTK模式，在實際應用中暴露出了設備操作不便、設備成本較高、覆蓋范圍較小、數據傳輸穩定性差等缺陷，而基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統能夠有效地解決上述不足，具有傳統方式所不能比擬的諸多優勢。基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統的優勢如下：

1）設備操作簡便。傳統的單基站RTK模式的農機自動駕駛系統，在每次作業時都需要在田邊臨時架設移動式基準站接收機和發射電臺，以及其配套的電源、發射天線、電纜、三角架等設備，操作繁瑣。而且，由于基準站接收機是臨時架設的，不可能具有精確的坐標，因此每次作業時，農機在農田中行駛的第一條直線都必須由人工完成，通過插標桿的方式保證其筆直程度，操作非常繁瑣，農戶普遍存在改進這一技術的愿望。而使用基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統，農戶不需要架設任何基準站，只需要開機并輸入所耕作地塊的編號，裝配在農機上的用戶終端設備就能夠自動登錄系統，并接受地基增強系統提供的差分改正信息，完成高精度自動導航作業。由于地基增強系統的各基準站是永久性的，擁有固定的基準站坐標，因此農機在農田中行駛時，第一條直線不需要人工標定，極大地簡化了農戶的操作過程，提高了生產自動化水平。

2）設備成本低。基于傳統單基站RTK模式的農機自動駕駛系統，是所謂“一對一”模式的系統，即每臺農機都需要配備1套基準站接收機，再加上發射電臺及其天線的費用，一套設備的成本較高，達到十萬元以上。而基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統，是屬于“一帶多”的方案，在地基增強系統覆蓋范圍內，可以帶動多達上百臺農機同時作業，每套農機自動駕駛系統均可節省基準站接收機及發射電臺費用，成本降低約4萬元。

圖7 北斗地基增強系統工作原理

3）覆蓋范圍大。傳統單基站RTK模式的農機自動駕駛系統，僅能夠在電臺輻射范圍內作業，即使電臺架設在較高的樓頂，其有效覆蓋范圍最大也只能達到10km左右，且由于遮擋物的存在，實際覆蓋范圍往往遠小于這一數值。而北斗地基增強系統建成之后，僅用幾個基準站就能夠覆蓋上百公里的范圍，帶動覆蓋范圍內上百臺農機同時作業，其服務提供能力遠高于單基站RTK模式。

4）數據傳輸穩定。單基站RTK模式的農機自動駕駛系統，其差分增強數據的發送和接收均采用無線電臺方式。無線電臺方式作用范圍有限，易收到遮擋、干擾信號等影響，致使其作用距離被限制在較小的范圍內，影響了農業生產的效率。且基準站發射電臺在發射信號時，容易對其他通信系統造成影響，成為其他通信系統的干擾源。而北斗地基增強系統與農機用戶終端之間的通信通過無線網絡完成，只要作業田塊在無線網信號覆蓋范圍之內，就能夠享受到地基增強系統提供的差分增強服務，且對其他通信系統不產生干擾。因此，北斗地基增強系統能夠支持大范圍內的穩定數據傳輸服務。

綜上所述，基于北斗地基增強系統的農機自動駕駛系統能夠簡化操作、降低成本，提供更為廣闊的覆蓋范圍和更佳的數據傳輸穩定性。因此，該系統在黑龍江省的推廣能夠進一步提高農業生產效率，提高農業生產的集約化水平，將黑龍江省精準農業技術水平提高到一個新的高度。

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