農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中的GPS定位誤差分析

劉國有

（吉林省大安市職教中心，吉林大安　131300）

?

農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中的GPS定位誤差分析

劉國有

（吉林省大安市職教中心，吉林大安131300）

摘要：GPS定位已在農(nóng)業(yè)機械裝備中得到廣泛應(yīng)用，但定位過程會產(chǎn)生一定的誤差。導(dǎo)航中GPS定位誤差分析，可采用目前應(yīng)用比較廣泛的差分技術(shù)及聯(lián)合卡爾曼濾波算法；在動態(tài)定位數(shù)據(jù)的處理中，利用基于時間序列的處理方式，能顯著的降低定位誤差。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航；GPS；定位誤差

目前GPS系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中應(yīng)用最為廣泛，通過GPS定位可以使農(nóng)業(yè)機械在作業(yè)環(huán)境下自動除草、收獲、施肥等，即農(nóng)業(yè)機械可自動感知周圍環(huán)境，實時按照要求完成既定任務(wù)。GPS定位的基本原理是通過空中衛(wèi)星不斷發(fā)射信號，用戶接收機接到信號后反饋，空中衛(wèi)星確定接收機的位置、運動狀態(tài)等信息。但在定位過程難免會產(chǎn)生一定的誤差，主要包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差和接收機誤差。在此基礎(chǔ)上，本文主要研究如何改善GPS的定位精度，分析GPS的定位誤差。

農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中GPS定位誤差的描述

GPS定位精度主要是指預(yù)測估計值和真值之間的接近程度。主要是通過均方根差、圓概率誤差和球概率誤差來描述。

均方根差也稱為標(biāo)準(zhǔn)差。設(shè)一維方向上的定位誤差為正態(tài)分布，那么在一倍的標(biāo)準(zhǔn)差誤差區(qū)域中的概率為68.3%，兩倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域中的概率為95.5%，三倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域的概率為99.7%。這里采用的是一倍標(biāo)準(zhǔn)差來定位此項誤差。

二維空間定義誤差用的是置信橢圓的距離：σ2B為緯度方向標(biāo)準(zhǔn)差，σ2L為經(jīng)度方向標(biāo)準(zhǔn)差。

三維空間定義誤差用的是置信橢球的距離：σ2H為高度方向標(biāo)準(zhǔn)差。

圓概率誤差定義為：CEP=0.59（σB+σL）。

球概率誤差定義為：SEP=0.51（σB+σL+σH）。

2　　GPS差分技術(shù)及聯(lián)合卡爾曼濾波算法

由于GPS技術(shù)存在較大的誤差，需要通過差分GPS去消除這種誤差，特別是衛(wèi)星鐘差和部分傳播誤差。目前差分技術(shù)主要分為位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、微博相位差分等4種。為了提高動態(tài)的定位精度，還會采用GPS動態(tài)濾波的方法，來消除隨機誤差。聯(lián)合卡爾曼濾波器的分析方式可大大降低計算量，實現(xiàn)最優(yōu)的濾波，從而減少不必要的誤差。

位置差分法：已知基站的精確位置和基站動態(tài)解算的GPS位置，通過廣播鏈路將差值發(fā)送到移動站點，移動站點在自身解算的基礎(chǔ)上進行修正。

偽距差分：基站覆蓋范圍增大，原理是基準(zhǔn)站在解算位置時要求得到它至可見衛(wèi)星的距離，求出真實距離和含誤差的測量值之間的偏差，將誤差傳給移動站，移動站計算出修正偽距，從而改正自身位置的估值。

相位平滑偽距差分:利用載波相位的測量精度比碼相位的測量精度高的特點，獲得無噪聲的偽距測量。

載波相位差分技術(shù)：基于靜態(tài)載波相位的相對定位基礎(chǔ)，主要是單差、雙差、三差。

聯(lián)合卡爾曼濾波算法：如果在綜合的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，采用單一濾波來處理所有信息源的數(shù)據(jù)，不僅會造成系統(tǒng)方程過于龐大,計算量增加，影響系統(tǒng)實時響應(yīng)的性能，而且任何一個子系統(tǒng)的故障都會影響到整個系統(tǒng)。因此需要采用聯(lián)合卡爾曼濾波器，避免產(chǎn)生混沌現(xiàn)象和混沌狀態(tài)，計算好遞推迭代的穩(wěn)定點，對估計誤差進行補償。

3　　GPS定位誤差分析

目前GPS接收機輸出的信號在時間上是離散的，定位數(shù)據(jù)也隨之變化，當(dāng)前時刻的誤差和之前時刻的誤差并不能夠獨立，需要建立一個GPS誤差模型，對誤差進行預(yù)測和修正。本文采用基于時間序列分析的卡爾曼濾波組合導(dǎo)航的方式去計算和分析GPS定位誤差，描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，預(yù)測GPS定位誤差的信號變化規(guī)律。

利用卡爾曼濾波處理GPS靜態(tài)定位數(shù)據(jù)：對于GPS單機定位來說，常用卡爾曼濾波和最小二乘法來不斷的預(yù)測和修正遞推過程，降低隨機誤差的數(shù)值。目前，在靜態(tài)定位中，可以將所有的待測點位置和速度作為狀態(tài)變量，將系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)，離散化狀態(tài)方程，形成新的矩陣方程，獲取位置信息。此種辦法應(yīng)用比較廣泛，實驗的精度值不夠，但這是利用卡爾曼濾波處理GPS動態(tài)定位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，需要把握好此種處理方式。

利用卡爾曼濾波處理GPS動態(tài)定位數(shù)據(jù)：GPS定位精度是一種誤差概率特性，主要采用的是基于時間序列分析的卡爾曼濾波組合去分析農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中的GPS定位誤差，以提高農(nóng)業(yè)機械組合導(dǎo)航中的定位精度。在卡爾曼濾波中融合不同源信息的信號，可以提高導(dǎo)航的精確程度。在誤差的提取過程中，需要注意的是GPS的真值是指利用卡爾曼濾波過濾處理后的GPS原始定位數(shù)據(jù)，而其比較對象是原始的GPS定位數(shù)據(jù)，利用基于時間序列的誤差模型，對計算值進行預(yù)測和修正，要求降低其誤差相關(guān)性，接近白噪聲。

在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中，利用卡爾曼濾波過程中，初始值可以任意選定，隨著濾波的不斷進行，將記錄好的GPS定位數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波處理，與農(nóng)業(yè)機械當(dāng)時的實際位置的數(shù)值進行比較，若結(jié)果接近，則證明基于時間序列的誤差模型可以在導(dǎo)航動態(tài)條件下較好地對GPS進行定位。

4　結(jié)語

通過對農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航中GPS定位的誤差分析，可以探索適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)高精度、低成本定位需求的GPS誤差處理方式。我國對農(nóng)業(yè)機械GPS導(dǎo)航的研究起步落后于發(fā)達(dá)國家，目前在一定的技術(shù)基礎(chǔ)下，更多的研究人員投入到此項技術(shù)的研究過程中，建立相關(guān)模型，減少GPS定位誤差，精細(xì)化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)運行，達(dá)到改良作業(yè)質(zhì)量和延長作業(yè)時間的作用。

參考文獻

［1］張智剛，羅錫文，趙祚喜，等.基于Kalman濾波和純追蹤模型的農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航控制［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，（1）：6-12.

［2］王友權(quán)，周俊，姬長英，等.基于自主導(dǎo)航和全方位轉(zhuǎn)向的農(nóng)用機器人設(shè)計［J］農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，（7）：110-113.

［3］陳軍，蔣浩然，劉沛，張勤.果園移動機器人曲線路徑導(dǎo)航控制［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，（4）：179-182.

The Analysis of GPS Positioning Error in Agricultural Machinery Navigation

LIU Guo-you
（Jilin Daan Vocational Education Center，Daan，Jilin 131300，China）

Abstract:GPS positioning has been widely used in agricultural machinery equipment.However，during the positioning process，certain errors may occur.The analysis of GPS positioning error inagricultural machinery navigation can adopt the widely used difference technique combined with Calman filtering algorithm.During the processing of dynamic positioning data，using method based on time series can significantly reduce positioning error.

Key words:agricultural machinery navigation；GPS；Positioning error

作者簡介：劉國有（1966-），男，吉林省大安市，中專，工程師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機械化。

收稿日期：2015-12-28

中圖分類號：TN967.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0007-02