農機衛星定位導航精度評估方法研究

吉輝利，王　熙

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶　163319)

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農機衛星定位導航精度評估方法研究

吉輝利，王熙

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319)

摘要：在實現精準農業的過程中，農機衛星定位導航自動駕駛作業得到了廣泛的應用。針對于我國衛星導航產品種類的繁多，缺乏一種規范的、標準的測試評估方法等問題，設計分析了3種評估農機衛星定位導航精度的測試方法，并提出了以壟向直線度(RL)和壟間平行度(PBR)兩個指標作為農機衛星定位導航精度評估的標準，旨在為今后農機衛星定位導航精度測試方法和評估標準的發展提供參考依據。

關鍵詞：衛星定位導航；測試方法；評估；精度；農業機械

0引言

隨著我國農業技術不斷地發展和提高，精準農業已經成為了我國實現農業現代化的重要途徑之一。精準農業的實現離不開農業機械，農業機械的精確作業離不開GNSS(global navigation satellite system)全球導航衛星系統技術。所以，在精準農業的技術體系中，GNSS全球導航衛星系統技術起到了十分關鍵的作用，是實現精準農業作業的基礎。

目前，全球有多個廠商提供基于GNSS全球導航衛星系統的衛星導航接收機來保障農業機械生產過程中的精確作業，包括美國天寶(Trimble)公司、日本拓普康(Topcon)公司、加拿大半球(Heimisphere)公司及瑞士徠卡(Leica)等[1-4]。而在2012年底，隨著我國的北斗衛星導航系統正式提供衛星導航服務[5]，以華測為代表的國內企業相繼推出了自主研發與生產的基于北斗導航系統的衛星導航產品。

在多種多樣的衛星導航接收機產品中，由于具有衛星時差、產品性能和差分技術的差異，使得各自的產品在農業機械作業過程中的定位導航精度也參差不齊。然而，在我國對于農機衛星定位導航精度卻沒有一個統一的、規范的評估方法，使得用戶在購買衛星導航接收機產品時，無法準確地判斷所購買的衛星導航產品能否滿足于農機衛星定位導航的作業要求，是否能達到農藝生產要求。因而，本文將從農機衛星定位導航精度測試評估方法方面來探討分析，提供一個良好的評估農機衛星定位導航精度的測試指標，為今后農機衛星定位導航精度評估方法和評估標準的發展提供參考依據。

1農機衛星定位導航技術

1.1　農機衛星定位導航系統

農機衛星定位導航系統是由GNSS全球導航衛星系統、衛星信號接收系統(衛星導航接收機)和自動駕駛導航控制系統組成[6]。

農業機械在人工設定行進路線(直線或曲線)后，由衛星導航接收機將實時接收到的GNSS衛星連續播發的定位信號，采用差分解算的方法適時地將定位結果傳輸給自動駕駛導航控制系統的控制中樞，然后由控制中樞向自動控制組件給出指令，控制農業機械轉向，最終實現衛星定位導航自動駕駛。

1.2　定位方式

衛星導航的定位方式根據用戶接收機天線所處的狀態可分為靜態定位和動態定位兩種。在農業生產中，接收機天線將隨著農業機械的作業而不停的運動，為了適應復雜的作業環境及滿足農藝作業要求，不但要求衛星導航接收機的抗震性強，還使得其要在極短的時間采集一個點的實時定位數據，適時的處理定位數據，及時的給出定位結果。所以，要求裝載在農業機械上的衛星導航接收機能夠滿足于動態定位實時性和穩定性。

1.3　差分技術

目前，衛星導航常用的差分定位方法主要為位置差分、偽距差分(DGPS)和載波相位差分(RTK)3種。為了實現農藝要求的厘米級高精度導航定位，農機衛星導航定位一般采用的是載波相位(RTK)差分定位。

RTK差分衛星導航系統主要由1個基準站、若干個移動站及數據通訊系統組成。在RTK差分工作模式下，所設定的基準站對所有可見的GNSS衛星進行連續觀測，并通過數據通訊系統以數據鏈的形式將其觀測值和測站坐標信息直接傳送給移動站；移動站在采集GNSS衛星觀測數據的同時，通過數據通訊系統接收來自基準站的信息，并求解組成差分觀測值進行實時處理，從而實現厘米級的動態定位結果[7]。其工作原理如圖1所示。

圖1　RTK差分工作原理

2農機衛星定位導航精度評估的方法

據國家及黑龍江省地方制定的農業機械田間作業質量標準[8-9]，農業機械在起壟作業時，壟形要直，其壟向直線度要在50m壟長直線度誤差中不大于5cm；壟距要相等，壟體寬度按農藝要求形成標準壟形，壟距誤差為±2cm，往復結合壟距誤差為±3cm，起壟工作幅誤差為±5cm。當只有農業機械起壟作業質量達到這一標準時，才能滿足農田起壟、播種、施肥、噴灌等重復性作業精度要求。因而，對于衛星定位導航精度較高的農業機械，不僅在生產作業時能大大減少土地的“重、漏”現象，增加土地的利用率，而且還能提高作業質量，增加用戶的收入。因而，如何準確地評估出農機衛星定位導航的精度，是遴選出高質量衛星導航接收機產品的重要參考依據。而測試方法的準確性是農機衛星定位導航精度評估結果準確的關鍵所在。

在進行農機衛星導航作業精度測試時，為了使測試評估的結果更真實、準確地反應出農機衛星導航自動駕駛的作業質量，通常在選取測試地段時需要將地塊兩端的地頭去除，以減少將農業機械在地頭換向對行時的較大誤差引入測試數據中。目前，國內對于農機衛星定位導航精度的評估沒有一個系統的、規范的測試方法，本文主要從標尺測量、經緯儀測量和GPS測量這3種測試方法來分析，希望可以為今后的農機衛星定位導航精度評估方法提供一定的參考。

2.1　標尺測量法

本測試方法采用100m測繩(繩上每10m一個標識點)、50m鋼尺和2m鋼卷尺作為主要測量工具，根據農機作業的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，每組均選同一幅壟作為測試對象。測試地段選在每幅壟的地中段，根據壟長在壟臺中心每隔100m選取一個點，每組共設10個點(即為1 000m)，通過拉直測繩作為測量基準，每隔10m測壟臺中心與基準線之間距離，規定測繩左側的偏差值為正，右側的偏差值為負，求出偏差平均值即為壟向直線度。用50m的鋼尺，在垂直于壟向的方向上，將各組被測壟的壟臺中心插上標記，測相鄰2個耕幅(即兩組)的距離，求得的各壟距與標準壟距之差即為壟間平行度。測量方法如圖2所示

圖2　標尺測量法

其中，在計算壟向直線度時，為了防止偏差值互相抵消，需將每個測量值進行非負處理。其壟向直線度(RL)表達式為

式中RLi—第i組的壟向直線度(m)；

Ni—第i組的測量點數目(個)；

Xij—第i組的第j個測量點的偏差(m)。

從上式易知，壟向直線度(RL)值越小，則表明壟形越直；反之，則表明壟形不直。

同樣地，壟間平行度(PBR)表達式為

ΔLij=Lij-L0

式中ΔLij—第i+1組與第i組間的第j個測量點間壟距與標準壟距的偏差(m)；

PBRi—第i+1組與第i組間的壟間平行度(m)；

Ni—第i組的測量點數目(個)；

Lij—第i+1組與第i組的第j個測量點間的壟距(m)；

L0—標準壟距，即農機作業幅寬(m)。

從上式不難發現，若壟距偏差值大于0，則表示農業機械在作業時，在相鄰2個耕幅間地塊存在遺漏；若壟距偏差值小于0，則表示在相鄰2個耕幅間有重疊作業。為了提高土地的利用率和作業效率，這兩種作業情況都是在農業生產中應盡量減少或避免的。

標尺測量法的優點是測量數據處理方便、測試成本低、測試過程操作簡單；但因為標尺的最小標度為毫米，因而容易由于測量誤差和讀數誤差等系列操作誤差的帶入增大了系統誤差，使得測試結果的可靠性和準確性下降，從而導致評估精度的真實性下降。

2.2　經緯儀測量法

本測試方法的測量工具為經緯儀、50m鋼尺和100m測繩，根據農機作業的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，將每組的中心壟溝作為測試對象。測試地段選在每幅壟的地中段，根據壟長在壟溝中心每隔25m選取一個點，每組共設20個點，然后分別以這些點為端點，每隔50m和100m分別設定一個點，每測量小組點數共3個。首先將第一個測量點(A)設為基準點，完成儀器的對中、整平等基礎操作后，分別對準另外25m(B)、50m(C1)和100m(C2)的點進行測量，根據所測出各點的標數作差求出角BAC1(BAC2)的角度值；這樣就可以用數學方法計算出C1(C2)點到直線AB間的距離偏差，依次測量、計算后即可求出偏差平均值即為壟向直線度。壟間平行度的測量方法與標尺測量法相同。壟向直線度的測量方法如圖3所示。

圖3　經緯儀測量法

其中，在測量各點時，規定左為正值、右為負值。在計算壟向直線度時，同樣為了防止偏差值互相抵消，需將每個測量值進行非負處理。其壟向直線度(RL)表達式為

式中RLi—第i組的壟向直線度(m)；

Ni—第i組的測量點數目(個)；

lAC—測量點A到C的直線距離(m)；

αij—第i組的第j個測量點的水平角。

從上式易知，在測量點距離相同的條件下，壟向直線度與被測量點的角度成正比。被測量點的夾角越小，壟向直線度越小，壟形越直；反之，被測量點的夾角越大，則壟向直線度越大，壟形越彎。

經緯儀測量法的優點是測量精度較高，引入的系統誤差較小，測試數據的可靠性和準確性較高；但因為每到一個新的測量基準點均需重新進行儀器的對中、整平等基礎操作，增大了工作量和勞動強度，降低了工作效率。

2.3　GPS測量法

GPS測量法是利用一套高精度的RTK差分的衛星導航系統進行單點的靜態相對定位，并通過手持機將測量點的經緯度記錄下來；事后進行測試數據的統計計算分析，得出相應的壟向直線度和壟間平行度。

由于RTK差分衛星導航系統采用的是無線電臺通訊的方式進行數據鏈的傳輸，因而在選擇測試地塊時，需盡量避開茂密樹林、高壓輸電線及高層建筑等一些干擾、阻擋信號傳輸的地段。需將GPS基準站架設在視野開闊的地帶，以便基準站盡可能跟蹤和觀測到所有在視野中的衛星。具體的測試方法為：根據農機作業的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，將每組的中心壟溝作為測試對象；測試地段選在每幅壟的地中段，根據壟長在壟溝中心每隔100m(50m)選取一個測量點，每幅壟測量點共設11個(即1 000m或500m)；用50m的鋼尺，在垂直于壟向的方向上，將各組被測壟的中心壟溝插上標記。測量點設定后，在地塊地勢較高、視野開闊的區域架設好RTK差分GPS基準站，同時將GPS移動站連接好，等RTK差分信號接收穩定后，再按組進行逐點測量，每個點記錄10個數據，并將測量數據通過手持機記錄下來；然后利用數據處理軟件進行數據計算分析，得出測量地塊的壟向直線度和壟間平行度。其測量方法如圖4所示。

在進行壟向直線度和壟間平行度計算前，需先將GPS接收機測量輸出的WGS-84大地坐標(即經度、緯度和高程)投影轉換為二維平面直角坐標(XY坐標)。坐標投影變換的方法有許多，如UTM投影、Lambuda投影和高斯-克呂格投影等。在我國一般常用高斯-克呂格投影來進行大地坐標與平面直角坐標的轉換。采用高斯投影坐標轉換的方法可以保證X、Y坐標計算精度達到毫米級，滿足GPS數據分析的精度要求。因而，在本文也是采用高斯投影方法進行坐標的轉換。根據高斯投影轉換公式得到的X、Y坐標具體表達式為

X=

Y=

將大地坐標轉換為平面直角坐標后，首先求出每個測量點的平均坐標值，然后再根據每組測量點的平均坐標值求解線性回歸方程，繼而求出測量點與回歸方程的偏差，求出所得偏差平均值即為壟向直線度。具體的公式表達式為

式中ΔXij—第i組的第j個測量點與回歸方程的偏差值(m)；

A、B、C—線性回歸方程系數；

壟間平行度表達式為

GPS測量法因為不需要進行人工測量讀數，減輕了測試人員的工作量和勞動強度，并極大地降低了系統誤差，大大地提高了測量精度。

圖4　GPS測量法

3結論

本文主要介紹了3種評估農機衛星定位導航精度的測試方法，提出了以壟向直線度(RL)和壟間平行度(PBR)兩個指標作為農機衛星定位導航精度的評估標準。這3種方法均能對農機衛星定位導航精度進行一個定量的分析，但由于人為因素引起的操作誤差影響因子較大，也使得各自的測量結果誤差不盡相同，這樣也使得各自最后的評估精度也不同。對于測試評估精度結果來看，GPS測量法的測試評估精度要遠高于其他兩種測試方法，而標尺測量法的測試評估精度最低。

另外，由于采用的是人工測量采集數據，在實際應用時，耗時較長，工作效率不高，測試結果并不理想。因而，研究如何利用一種準確的、客觀的測試方法和評估標準進行精確評估農機衛星導航自動駕駛作業的精度，具有重要的現實意義。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0242-EA

The Research of Agricultural Machinery is about Satellite NavigationAccuracy of the Evaluation Method

Ji Huili, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract：In the process of realization of precision agriculture, satellite navigation autopilot operation of agricultural machinery has been widely used. Although there are various kinds of satellite navigation products in china, there is lack of a specification and standardized methods. We proposed three approaches to assess the accuracy of the agricultural machinery of the satellite navigation .Meanwhile, two index-RL and PBR-was regarded as an evaluation criteria The accuracy of satellite navigation of agricultural machinery. This method and the evaluation criteria was provided a reference for Satellite navigation of agricultural machinery in the future.

Key words：satellite navigation and positioning; yhe test method; evaluation; precision; agricultural machinery

中圖分類號：S127

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0242-04

作者簡介：吉輝利(1989-),男，湖南安化人，碩士研究生，(E-mail) 240516443@qq.com。通訊作者：王熙(1962-)，男，山西新絳人，教授，博士生導師，(E-mail)ndwangxi@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD04B01-06)；“十二五”國家高技術研究發展計劃(863)項目(2013AA040401)

收稿日期：2015-10-20