衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用及發(fā)展分析

呂明杰

摘 要：我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大國，近年來我國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅猛，衛(wèi)星定位技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械動化的關(guān)鍵技術(shù)，在一定程度上引領(lǐng)者農(nóng)業(yè)機(jī)械未來的發(fā)展方向，介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)的相關(guān)知識，說明了衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)階段存在的問題，并說明了衛(wèi)星定位技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位；農(nóng)業(yè)機(jī)械；精確農(nóng)業(yè)；自動化

中圖分類號：S220 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.08.010

0 前言

農(nóng)業(yè)是我國的重要產(chǎn)業(yè)之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到我國農(nóng)業(yè)的各個方面，是國計民生的大事。雖然我國的耕地面積很大，但是由于人均耕地較少且質(zhì)量較差耕地所占的比例較大，按照傳統(tǒng)的耕作模式，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量難以滿足農(nóng)民的日常生活需要，這就需要先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械來提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，從而提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，使農(nóng)民獲得更多的收益。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，種植戶的農(nóng)田呈現(xiàn)多承包和面積擴(kuò)大化的特點，在此趨勢下，為了能夠更好的進(jìn)行分析和處理田間問題，提高先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的可靠程度，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)將起到關(guān)鍵作用。衛(wèi)星定位技術(shù)也被稱作GPS技術(shù)，它是一種利用衛(wèi)星技術(shù)及通訊技術(shù)進(jìn)行測時和測距的先進(jìn)技術(shù)。尤其是在平原地區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行大范圍的農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)時，更需要重視GPS技術(shù)的使用，現(xiàn)階段的GPS技術(shù)不僅可進(jìn)行全球衛(wèi)星定位服務(wù)，甚至可以和其他學(xué)科結(jié)合，進(jìn)行地理條件分析、氣候預(yù)測以及進(jìn)行種植技術(shù)的推薦等工作。GPS技術(shù)是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念下的一個重要組成部分，它能夠在很大程度上節(jié)省農(nóng)業(yè)作業(yè)的各項投入，促使農(nóng)業(yè)合理化，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和效益，并有利于環(huán)境和土地資源的保護(hù)。

1 衛(wèi)星定位技術(shù)及農(nóng)機(jī)GPS發(fā)展過程介紹

1.1 衛(wèi)星定位技術(shù)介紹

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱GPS）由美國科學(xué)家在20世紀(jì) 70年代進(jìn)行開發(fā)和研究，并在1994年全面推向市場，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用全新一代衛(wèi)星設(shè)備使其成為具有定位能力和導(dǎo)航能力的一套高技術(shù)系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)是包含了24顆衛(wèi)星所組成的系統(tǒng)，它可以保證在地球上任何一個位置和任何一個時刻都能被四顆衛(wèi)星所觀測到，以確保衛(wèi)星可以準(zhǔn)確的采集到觀測位置的經(jīng)緯度和高度信息，從而實現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時等功能。它可以對飛機(jī)、船舶或車輛進(jìn)行安全和準(zhǔn)確的導(dǎo)航及路線規(guī)劃，并通過衛(wèi)星的實時定位提供更加準(zhǔn)確的信息。

1.2 國際農(nóng)機(jī)GPS技術(shù)發(fā)展介紹

在20世紀(jì)90年代，GPS技術(shù)在美國開始逐步地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械之上，GPS技術(shù)以其精度高、操作簡單、速度快、成本低等優(yōu)勢被各種農(nóng)業(yè)機(jī)械廣泛采用，例如播種機(jī)、中耕機(jī)、收獲機(jī)以及拖拉機(jī)等。1992年，一所美國大學(xué)的科學(xué)研究人員通過多次試驗，在農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)械上應(yīng)用了GPS技術(shù)，取得了很有價值的成果，在通過農(nóng)用飛機(jī)對大面積農(nóng)田進(jìn)行植保或灑水灌溉作業(yè)時，利用GPS 航空導(dǎo)航系統(tǒng)事先設(shè)置好飛機(jī)的飛行速度、飛行高度以及飛行路線，成功的完成了大面積的田間灌溉作業(yè)，并且精確的引導(dǎo)飛行員進(jìn)行噴灑作業(yè)的銜接，提高了噴灑的覆蓋面積和作業(yè)的可靠程度。至今，美國的農(nóng)業(yè)機(jī)械超過50%使用GPS與網(wǎng)絡(luò)連接作業(yè)，幾乎所有的中大型農(nóng)場都配備了帶有GPS的定位系統(tǒng)。很多的聯(lián)合收獲機(jī)裝備了GPS模塊，通過便捷的導(dǎo)航系統(tǒng)，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的全自動化作業(yè)，同時，通過GPS與互聯(lián)網(wǎng)相連接可以實時的將對應(yīng)位置的產(chǎn)量和糧食質(zhì)量等信息傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)，方便以后的農(nóng)業(yè)耕作。在日本，某農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)自動化無人播種機(jī)就利用GPS系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位技術(shù)來進(jìn)行播種，其播種誤差在8 cm以內(nèi)，而隨著技術(shù)開發(fā)的不斷完善，該中心所推出的稻田插秧機(jī)的插秧精度可控制在2 cm之內(nèi)。近年來，日本在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面還在大力探索無人駕駛技術(shù)，由日本北海道大學(xué)與日本某家農(nóng)業(yè)機(jī)械廠聯(lián)合開發(fā)的無人駕駛拖拉機(jī)可以實現(xiàn)從農(nóng)機(jī)具倉庫到農(nóng)場的全程無人駕駛， 它利用GPS測量技術(shù)進(jìn)行瞬間定位， 精確程度極高。

1.3 我國農(nóng)機(jī)GPS技術(shù)發(fā)展過程

全球衛(wèi)星定位技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用較晚，精確農(nóng)業(yè)概念于1994年被我國農(nóng)業(yè)機(jī)械專家建立為研究課題，此后展開了對于GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械之中的研究，并將此研究列入國家引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)項目，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械專家與其他領(lǐng)域?qū)＜遗浜显诙嗟亟⒘宿r(nóng)業(yè)機(jī)械全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的試驗基地，通過對國外先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和考察，引進(jìn)了大量的先進(jìn)GPS設(shè)備，進(jìn)行了卓有成效的研究和創(chuàng)新，為我國衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的使用奠定了理論基礎(chǔ)。到20世紀(jì)末，我國科研機(jī)構(gòu)及高等院校對衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用性研究取得了長足的進(jìn)步。我國GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用在技術(shù)層面已經(jīng)相當(dāng)成熟，下圖為我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用展示。

至今，伴隨著我國農(nóng)村地區(qū)的快速發(fā)展，國家也積極建設(shè)了大量的基礎(chǔ)工程，這使農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用GPS技術(shù)變得更加便捷，同時農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的高技術(shù)化也拉近了與GPS技術(shù)之間的距離，現(xiàn)階段我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械處于一個技術(shù)、制造、配套設(shè)施齊備的高平臺之上，這為農(nóng)業(yè)機(jī)械全自動化發(fā)展提供了新的機(jī)遇，隨著各地區(qū)GPS跟蹤站的逐步建立和我國自主BDS技術(shù)的研制成功，GNSS技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用也正朝著更深的層次發(fā)展。

2 GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用存在的問題

雖然衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域有著精確定位、導(dǎo)航、實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及作業(yè)質(zhì)量與產(chǎn)量的實時監(jiān)測等眾多好處，但是由于我國的實際情況限制，衛(wèi)星定位技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械上的發(fā)展還存在很多問題。

（1） 我國的耕地面積較大，不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)用地存在的地形地貌差異很大，除了我國北方平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕地大面積相連接以外，剩余的地區(qū)由于地形不平和地塊面積小等問題，不利于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)，同時由于土壤、地勢、氣候等條件的限制，能夠使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械也各不相同，這就造成農(nóng)業(yè)機(jī)械在自動化程度、種類以及型號等各個方面極為雜亂，在半自動化地區(qū)更不利于GPS技術(shù)的普及和使用。

（2） 由于衛(wèi)星定位技術(shù)所包含的知識極為廣泛，所依托的技術(shù)層面和科學(xué)類別也很多，單獨應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的衛(wèi)星定位技術(shù)的研發(fā)存在著較多的問題，而現(xiàn)階段專門應(yīng)用于農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位研究的經(jīng)費有限、科研團(tuán)隊及從業(yè)人員較少、農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS行業(yè)的利潤較低等因素，都限制了農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展。

（3） 現(xiàn)階段我國的衛(wèi)星定位技術(shù)大部分依托于引進(jìn)技術(shù)，這個過程所消耗的經(jīng)費極高，且發(fā)展速度相對于發(fā)達(dá)國家更慢，雖然我國自主GPS技術(shù)已研制成功，但現(xiàn)階段應(yīng)用范圍較小，農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用更少。

（4） 由于技術(shù)進(jìn)口和GPS系統(tǒng)技術(shù)含量高，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安裝和使用費用較高，很多農(nóng)場及農(nóng)村家庭無法承擔(dān)這項費用，在一定程度上制約了GPS技術(shù)的推廣。

（5） GPS系統(tǒng)需要進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)才能操作和使用，農(nóng)民在使用過程中存在一定難度，且農(nóng)民對GPS突發(fā)問題的處理能力較弱，現(xiàn)階段專門從事GPS技術(shù)服務(wù)的人員較少，服務(wù)水平參差不齊。

（6） 現(xiàn)階段我國市場上的農(nóng)業(yè)機(jī)械所使用的GPS產(chǎn)品存在著功能不全、品種單一和質(zhì)量不過關(guān)等問題，很多產(chǎn)品不進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，一味仿造國外先進(jìn)品牌，在技術(shù)的理解和開發(fā)能力上都存在一定的欠缺。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS技術(shù)發(fā)展方向展望

由于我國的人口眾多，對糧食等農(nóng)產(chǎn)品的需求量很大，這對新時期我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，衛(wèi)星定位技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的關(guān)鍵技術(shù)，理應(yīng)成為當(dāng)前的研究重點，現(xiàn)階段GPS對農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航和定位已經(jīng)可以在一定程度上提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，還能減輕農(nóng)機(jī)駕駛?cè)藛T的工作強度，盡管如此，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，這就要求導(dǎo)航系統(tǒng)具有很高的適應(yīng)能力，以針對不同情況下的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，例如在衛(wèi)星信號受到干擾的情況下，應(yīng)該運用更為先進(jìn)的分析技術(shù)或視覺導(dǎo)航技術(shù)保證農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠行駛出信號較弱區(qū)域。再例如農(nóng)業(yè)機(jī)械在預(yù)定路線行駛中遇到突發(fā)情況需調(diào)整行駛路線，或在已經(jīng)改變行駛路線的情況下，要求導(dǎo)航系統(tǒng)能夠及時的設(shè)計新的工作路線，以保證農(nóng)業(yè)作業(yè)的可靠程度。農(nóng)業(yè)機(jī)械的GPS傳感器需要有一定的適應(yīng)能力，能夠應(yīng)對噪音、氣候、地理環(huán)境等多方因素的干擾，從而適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作時的復(fù)雜環(huán)境，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作效率。

現(xiàn)階段，我國仍需大力提升衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研發(fā)力度，尤其是在平原地區(qū)大面積的連接田地，衛(wèi)星定位技術(shù)可以在播種、收獲、灌溉等易于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的作業(yè)環(huán)境中起到相當(dāng)大的作用。衛(wèi)星定位技術(shù)將引導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械向著更實用的方向發(fā)展。近年來，對于蔬菜、瓜果的自動收獲機(jī)器人也相繼研發(fā)成功，農(nóng)業(yè)行進(jìn)機(jī)械在GPS定位和導(dǎo)航的控制下，向著無人駕駛和自動收獲前進(jìn)。國際農(nóng)機(jī)發(fā)展經(jīng)驗告訴我們，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展方向是精確農(nóng)業(yè)，GPS技術(shù)作為精確農(nóng)業(yè)中重要組成部分，它在精確農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用必不可少。

4 結(jié)束語

近年來，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)逐漸向著現(xiàn)代化方向發(fā)展，呈現(xiàn)出信息化、自動化、 精確化、規(guī)模化等特點，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)，并將它與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，能夠極大地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化和智能化程度。我國作為農(nóng)業(yè)大國，人均耕地面積較少，這就要求我國必須盡快完成農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化進(jìn)程，以提高農(nóng)業(yè)的耕作效率，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。而目前我國對于精確農(nóng)業(yè)方面的研究力度還不夠，對于衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)機(jī)上應(yīng)用的重視程度也還不足，但相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)也會有質(zhì)的飛躍。

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