基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中國農(nóng)情信息速報系統(tǒng)設(shè)計

周筱靚　楊惠明　陳世品　林一娟　鄭海鴻

摘要：根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計了一種對中國農(nóng)情信息全天候采集、分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的報文信息服務(wù)，能夠高速率、高精度、實時地將不同時間、不同地區(qū)的農(nóng)作物種植面積、農(nóng)作物生長情況、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測與糧食生產(chǎn)估計等信息傳送到地面并進(jìn)行分析處理，便于中國農(nóng)情的統(tǒng)計、分析及預(yù)測。

關(guān)鍵詞：中國農(nóng)情信息 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航 報文信息

中圖分類號：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0160-02

目前我國使用雷達(dá)遙感收集農(nóng)情信息費用昂貴，且收集到的信息不夠精確。其中遙感數(shù)據(jù)購買費用和地樣采集成本較高，共占總費用的三分之二。提取農(nóng)作物種植面積的最主要的數(shù)據(jù)源是美國陸地衛(wèi)星TM/ETM遙感數(shù)據(jù)和水稻用雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)。如果主要數(shù)據(jù)源是TM等遙感數(shù)據(jù)，則成本較高。而且獲取農(nóng)作物面積以TM遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源所得到的數(shù)據(jù)精度不高，尤其是對間作套作普遍、品種繁多的秋糧作物。另外，雨天條件下，生長期的農(nóng)作物對遙感數(shù)據(jù)的接收率非常低。

在測繪工程、電信通訊、農(nóng)林牧魚、交通水利、搶險救災(zāi)、林區(qū)防火和公共安全等諸多領(lǐng)域，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的社會效益十分明顯。本文作者設(shè)想可利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立一個能夠快速、準(zhǔn)確地將不同時間、不同地區(qū)的農(nóng)情信息速報系統(tǒng)，以方便中國農(nóng)情的統(tǒng)計、分析及預(yù)測。

1 系統(tǒng)分析

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有定位，授時，收發(fā)報文消息的特點，本文作者提出了建立一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的農(nóng)情信息采集系統(tǒng)見圖1。

但是由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用報文服務(wù)的通信頻道和報文長度是有限的以及存在丟包問題，限制了它的應(yīng)用。系統(tǒng)采用“傳輸——回應(yīng)——重傳”機(jī)制，使報文信息可靠且安全地傳輸。在便攜式數(shù)據(jù)采集終端輸入農(nóng)情信息，然后利用北斗導(dǎo)航定位短報文通信模塊，將該訊息傳遞至地面數(shù)據(jù)接收中心，地面數(shù)據(jù)接收中心同時應(yīng)答該報文信息，完成一次報文信息的通信，同時該中心對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并通過Internet與各地授權(quán)用戶分享處理后的信息。

1.1 硬件平臺搭建

根據(jù)ARM和Windows CE 6.0（WINCE 6.0）的BD-2船載定位終端硬件平臺，所有部件將采用成熟電子元器件。該系統(tǒng)硬件包括BD-2導(dǎo)航模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)通信接口和PVT（ARM）解算模塊等。

BD-2導(dǎo)航模塊主要由射頻模塊及加載了A/D模擬數(shù)字化中頻信號的基帶信號處理模塊作為ADC的轉(zhuǎn)換時鐘，同時作為信號跟蹤基準(zhǔn)時鐘輸入到基帶信號處理模塊?；鶐盘柼幚砟K進(jìn)行信號的捕捉、追蹤、調(diào)制，從而輸出原始觀測量。PVT（ARM）解算模塊主要由耗能極低的ARM9處理器，S3C2440，NAND Flash，SDRAM等硬件構(gòu)成。PVT（ARM）解算模塊控制基帶信號處理模塊，并提取解算基帶信號處理模塊得到的觀測量，得到解算結(jié)果，同時處理整個系統(tǒng)的運(yùn)行。為實現(xiàn)綜合導(dǎo)航，數(shù)據(jù)通信接口部分設(shè)計CAN總線接口、RS-485接口等。

1.2 定位解算算法流程

設(shè)計硬件電路BD-2導(dǎo)航模塊主要以北斗GPS導(dǎo)航基帶芯片來進(jìn)行基帶信號處理，該芯片具有多頻、精密的特點，可同時接收BD-2的B3和B1頻點信號（本文主要是利用B1頻點進(jìn)行導(dǎo)航定位解算），輸出原始觀測量；擁有并行數(shù)據(jù)總線接口（16bit），通過該接口的ARM微處理器S3C2440（32bit）可對HwaNavchip-1進(jìn)行配置，得到集成電路、導(dǎo)航電文等反映工作狀態(tài)的信息。通過ADS（ARM Developer Suit）對ARM進(jìn)行調(diào)試，解算用戶位置、速度、時間等信息。

根據(jù)偽距定位的最小二乘算法，通過偽距計算用戶的位置：首先初始化用戶位置，將其作為地球中心；然后，計算用戶與衛(wèi)星之間的距離和信號傳輸時間；接著，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)修正衛(wèi)星位置，并采用以用戶為中心的坐標(biāo)系更新衛(wèi)星位置；接著，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正；最后通過迭代運(yùn)算得到DOP，并保存ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)導(dǎo)得到的CGCS2000坐標(biāo)系結(jié)果。

1.3 軟件開發(fā)平臺

模塊化的、可延展的WINCE6.0具有良好的實時性能和強(qiáng)大的通信功能，支持多種CPU的嵌入式操作系統(tǒng)，與Windows系列有很好的兼容性，支持WIN 32 API，以至于具有多線程、多任務(wù)等特點的產(chǎn)品能夠快速開發(fā)。因此，該設(shè)計選用WINCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)。建立一個基本W(wǎng)INCE 6.0系統(tǒng)平臺的程序是：設(shè)置系統(tǒng)平臺；建立操作系統(tǒng)鏡像；將平臺搭建至目標(biāo)設(shè)備；調(diào)試系統(tǒng)平臺。利用Platform Builder應(yīng)用程序設(shè)置平臺，建立操作系統(tǒng)鏡像。

1.4 便攜式數(shù)據(jù)采集終端

利用S3C-2440搭建該便攜式終端，包括顯示模塊、輸入模塊、接口模塊幾部分，以標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口與之連接。

1.5 地面數(shù)據(jù)接收處理中心

采用“傳輸——回應(yīng)——重傳”機(jī)制確保報文信息可靠地傳輸。因此，地面數(shù)據(jù)接收中心需要及時響應(yīng)每條報文信息。由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)每條報文信息需要一分鐘的發(fā)送間隔，這可能會致使地面端無法及時應(yīng)答報文信息，使報文信息多次重發(fā)或發(fā)送失敗。為了避免出現(xiàn)該情況，地面端可構(gòu)建一套由12個北斗數(shù)據(jù)傳書終端組成的北斗發(fā)送矩陣，迅速、及時、安全、準(zhǔn)確地響應(yīng)報文信息。同時分析處理由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)來的各農(nóng)情信息，形成各地區(qū)農(nóng)情信息報告，并根據(jù)用戶請求實時反饋。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 終端發(fā)送模塊

采用具有“傳輸——回應(yīng)——重傳”機(jī)制的報文信息發(fā)送模塊的便攜式終端設(shè)備，該設(shè)備將加密編碼農(nóng)情信息，利用北斗定位通信模塊，將加密編碼后的農(nóng)情信息發(fā)送回地面數(shù)據(jù)處理中心。

2.2 數(shù)據(jù)接收中心報文信息處理流程

地面數(shù)據(jù)接收中心收到報文信息后，將通過一定的規(guī)律轉(zhuǎn)置所收到的報文信息，然后基于報文信息類型進(jìn)行分類處理，同時利用北斗發(fā)送陣列對農(nóng)情報文信息發(fā)送應(yīng)答報文進(jìn)行響應(yīng)。

2.3 性能分析

（1）導(dǎo)航系統(tǒng)的精度：定位、測速和授時的開放服務(wù)是全球免費的，定位精度通過差分系統(tǒng)已經(jīng)能做到極度精準(zhǔn)，測速精度與授時精度也會隨著技術(shù)的提高不斷升級。

（2）定位原理：采用主動式雙向測距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，提供三維定位數(shù)據(jù)到用戶終端。

（3）有一定的保密、抗干擾和抗摧毀的特點：是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，準(zhǔn)確，穩(wěn)定，保密性強(qiáng)。

（4）范圍大，沒有通訊盲區(qū)。北斗系統(tǒng)不單單可為中國服務(wù)，還可為周邊國家服務(wù)。

這些優(yōu)點能夠快速定位農(nóng)作物所在地區(qū)，可靠地收集不同時間、不同地區(qū)的農(nóng)情信息，便于中國農(nóng)情的統(tǒng)計分析和預(yù)測。

3 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的人工采集方式，該系統(tǒng)采集方式省時省力且能獲取大量信息。相對于雷達(dá)遙感方式采集信息，該系統(tǒng)采集方式費用較低。為此。根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航，提出了一種農(nóng)情信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集、分析及處理農(nóng)情信息及時、準(zhǔn)確，為后期建立中國農(nóng)情的質(zhì)量控制和檢驗體系打下了夯實的基礎(chǔ)。

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