區域農用GNSS基準站云端管理方法與系統研究

吳才聰 胡冰冰 韓碧云 趙 明 楊衛中

(中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083)

0 引言

農機自動駕駛導航是近年發展較為迅速的精準農業技術。該技術可以減少用工成本，延長作業時間，提高作業質量和土地利用率[1-2]。農機自動駕駛導航要求高精度、高可靠和高并發的全球衛星導航系統(Global navigation satellite system, GNSS)差分信號源，以實現行對行±2.5 cm的作業精度[3-6]。

厘米級農用GNSS差分增強主要有4種技術：①基于單基準站的載波相位差分(Real time kinematic, RTK)技術[7]，通過電臺或移動通信鏈路，向機載導航終端播發差分信號。②基于多基準站的網絡RTK差分技術，通過移動通信鏈路提供虛擬差分服務，如測繪用連續運行參考站系統(Continuously operating reference stations, CORS)[8-10]，站間距可達70～100 km，可靠性取決于通信鏈路，并發性取決于軟件解算能力。③GNSS廣域差分技術[11]，通過地球同步衛星(Geostationary satellite, GEO)提供差分服務，如OmniSTAR HP與G2，最高可達約10 cm定位精度。④精密單點定位(Precise point positioning, PPP)技術[12-13]，通過衛星或移動通信鏈路，提供差分增強服務，如CenterPoint RTX系統，可以達到3.8 cm的定位精度[14-15]，標準收斂時間30 min，在部分區域可縮短至1～5 min。普渡大學2015年度的精準農業服務調查表明[16]，美國11.7%的用戶自建RTK基準站，購買OminSTAR XP或HP、StarFire 2信號服務的比例為27.2%，購買網絡RTK差分服務的比例為25.7%。據作者調查，我國農機自動駕駛導航應用，基本采用固定式和移動式單基準站RTK差分方式。

差分增強信號的傳播易受到地形、地物等環境的影響，會導致連接中斷。單一差分增強信號，無法完全滿足農業對高可靠性的要求。為此，國際上發展了主差分和副差分的備份模式。例如，當RTK或虛擬差分信號失鎖時，Trimble xFill斷點續測技術可以在20 min內維持RTK固定解[17]。xFill將單基準站或CORS作為主差分信號源，將星基信號作為副差分信號源。主副差分信號瞬時切換，沒有延時。

目前，由于缺乏中國境內的基準站數據，OmniSTAR、StarFire、CenterPoint RTX等商業系統無法在中國提供厘米級定位服務。大部分省市測繪用CORS[10-18]，其可靠性和并發能力不足，不能滿足規?；r機導航業務需求。作者參與規劃了石河子農用CORS[5]，包含6個基準站，虛擬差分精度為±2.0 cm，但由于農區移動通信質量較差，該系統還不能滿足近1600臺終端的并發訪問。截至2017年5月，石河子已建成固定基準站近百個，移動基準站10余個，形成了CORS、固定基準站和移動基準站共存的局面。上述基準站由多家企業建設，由于缺乏站址、頻率和協議協調，導致基準站冗余率高、電臺頻率干擾嚴重等問題[19-21]。在美國，其聯邦通訊委員會(FCC)下屬機構負責非政府用戶無線電頻率指配，可以較好地避免頻率干擾[20-22]。

由以上分析可知，我國缺乏必要的農用GNSS差分增強設施及規劃，在區域農用基準站建設方面，缺乏必要的站址、頻率和數據協議管理與協調。本文擬針對上述問題，從技術和管理2方面，提出云端管理構架，以石河子為研究區，分析基準站冗余和頻率干擾，開展坐標平差，研發管理服務系統原型，以提高基準站管理效率和減少頻率干擾。

1 材料與方法

1.1 數據獲取及預處理

石河子地處天山北麓中段，準噶爾盆地和古爾班通古特大沙漠南緣，東西長約116 km，南北長約213 km。國土面積7 762 km2，耕地面積1 973 km2。

參照《衛星導航定位基準站建設備案辦法(試行)》(國測法發〔2016〕4號)，對石河子所建設的固定基準站進行備案。備案的主要內容包括：建設單位、運營單位、站點坐標、電臺頻率、主要用途、覆蓋范圍、數據傳輸方式、軟硬件設備性能指標等內容。

圖1為石河子部分農用GNSS基準站分布圖，此次總計精確統計84個固定基準站，由H、S、L 3個企業建設，約占石河子固定基準站總數的90%，具有較好的代表性。未及時備案的基準站由多家企業零星建設，主要在上述3家企業覆蓋區域之外。

圖1 石河子農用GNSS基準站分布圖Fig.1 Distribution map of agricultural GNSS reference stations in Shihezi

從備案數據中，抽取基準站名稱Si、站點經度Li、站點緯度Ii和電臺頻率Fi，形成數據集D。

(1)

式中m——站點數量

計算任意2個基準站的站間距ΔD(m)和頻率差ΔF(MHz)，形成數據集E。

(2)

式中n——任意2個基站組成的對數

維度m與維度n之間的關系為

(3)

基準站Si(αi,βi)和基準站Sj(αj,βj)的站間距和頻率差的計算式為

ΔDi_ j=Rarccos(cosβicosβjcos(αi-αj)+sinβisinβj)

(4)

ΔFi_ j=|Fi-Fj|

(5)

式中R——地球半徑Fi——第i個基準站頻率α——基準站經度Fj——第j個基準站頻率β——基準站緯度 ΔDi_ j——第i個和第j個基準站間的距離

1.2 基準站冗余分析

由于農田邊界不規則、基準站分布不均勻、無線電臺傳播距離存在不確定性等，使得準確計算基準站冗余率存在較大難度。為此，本文采取如下方法估算基準站冗余率。

首先，選擇某區域的k個基準站，假定電臺傳播半徑均為r(km)，在ArcGIS軟件中，提取以上基準站信號覆蓋的包絡面積Ar(km2)。其次，計算k個基準站按照理想蜂窩狀(正六邊形)布設所覆蓋的面積Ac(km2)。進而，計算Ac和Ar的比值λ(%)，作為基準站平均冗余率，計算公式為

(6)

其中

(7)

1.3 同近頻干擾統計

頻率干擾與站間距直接相關。為此，基于數據集E，利用SPSS“對個案內的值計數”功能，進行同近頻統計。同頻統計時ΔF=0，近頻統計時ΔF>0且小于設定的頻率差閾值。ΔD設為搜索半徑，按不同站間距統計頻率相同或相近的基準站對數。

1.4 基準站平差與驗證

2017年4月7日20:00至4月8日10:00，記錄H13和H14原始觀測數據(基準站接收機為華測N71)，進而利用華測CGO平差軟件，與石河子農用CORS進行平差處理。

在H13覆蓋區域內，選擇3個驗證點，利用中繪i70智能RTK測量系統，基于H13和石河子CORS進行對比測量，每個點測量3次取其均值，對坐標進行求差，對H13的平差質量進行初步檢驗。

由于3個驗證點均在H14覆蓋范圍之外，故未對H14的精度進行檢驗。

1.5 系統設計與開發

農用GNSS管理服務系統的主要角色包括建設者、使用者和管理者。固定基準站往往由導航企業建設，建設地點一般為樓頂，作業期持續工作，為多臺農機提供差分服務，電臺功率較大，服務半徑較大。臨時基準站大都由農機手架設，由機組隨機攜帶，放置在田間地頭，往往為單個機組或少數臨近農機提供差分服務，其位置和頻率變動頻繁，作業時臨時架設，作業后隨即收存，電臺功率較小，服務半徑較小。臨時基準站的建設者同時是臨時基準站的使用者，這類用戶的行為具有較大的隨機性，是主要干擾源。管理員負責審核、管理基準站和用戶信息。

圖2a為管理服務系統的基本構架，主要包括云管理服務系統、移動端及APP、基準站3個組成部分?；鶞收居职ü潭ɑ鶞收竞鸵苿踊鶞收緝深?。圖2b為農用基準站建設、管理和應用的基本流程，是基準站管理服務系統原型設計的基本依據。當基準站建設者或使用者開始工作時，首先基于云平臺或APP進行站址或作業田塊周邊已有基準站的查詢，如果有可用基準站覆蓋作業區，則直接利用，如無可用基準站，或有基準站但不可靠，則可自建基準站，從APP獲得規劃或推薦的頻率，并通過APP進行基準站備案。

云管理服務系統為B/S構架，主框架采用Spring MVC、持久層采用MyBatis、數據庫采用MySQL。APP利用Spring mvc接口，基于Android系統和百度地圖進行二次開發。

圖2 基于云端協同的農用基準站管理服務系統原型Fig.2 Cloud based architecture for management and service prototype system of agricultural reference station

2 結果與討論

2.1 總體情況

如圖3所示，總計統計了石河子84個基準站，所用電臺頻率極小值、極大值和均值分別為440.340 0、467.075、458.624 9 MHz，占用了26.7 MHz頻帶，利用率最高的頻帶是455～465 MHz?？傆嬍褂昧?7個頻率，30個基準站使用單獨的頻率，54個基準站復用頻率。在復用的頻點中，461.050 0 MHz為H5等6個基準站所共用，為復用次數最多的頻點。

圖3 電臺頻率分布Fig.3 Distribution of radio frequency

由圖3可見，石河子基準站占用了較寬的民用頻段，頻點復用率較低，存在較大的無線電頻率資源浪費。調查表明，實際使用過程中，由于占用頻段過寬，不僅農用基準站之間存在相互干擾，農用基準站與水利勘測等不同行業之間，也存在干擾現象。

2.2 基準站冗余

選取圖1右上16個基準站和2個企業N的基準站開展冗余分析。這些基準站服務于石河子第148、149和150團場，來自4家企業，企業H、S、L和N的基準站數量分別為5、5、6、2個。企業N未進行備案，故數據集并不包含該企業的數據。r取10 km，可獲得圖4所示的基準站信號覆蓋包絡圖。

一般而言，35 W電臺有效傳播距離約為10 km。圖4中，差分信號包絡面積Ar(10)=1 744 km2。進一步，計算18個基準站按照理想蜂窩狀布設的覆蓋面積分別為Ac(10)=4 590 km2。由此獲得基準站冗余率λ(10)=263.2%。λ(10)的數值表明區域平均冗余較為顯著。

圖4 區域基準站信號覆蓋包絡圖Fig.4 Envelope diagram of regional reference stations

考慮到圖4中基準站分布不均勻，該區域的冗余程度是不一致的，即邊緣區域冗余度低或無冗余，中心區域冗余度高。顯然，多家企業缺乏協調和地方政府缺乏規劃，導致了上述問題。

圖5 基準站分布與冗余Fig.5 Distribution and redundancy of reference stations

如圖5a所示，蜂窩狀架設基準站可以最大限度地提高基準站覆蓋面積，減少基準站冗余。但在實際應用中，由于地形及地物的影響及各自獨立建站，導致基準站覆蓋重疊，由此產生的冗余，需要一分為二地分析。一方面，必要的冗余可以提高基準站服務的可靠性，即流動站可以有更多的信號源可供選擇。另一方面，同一個區域有超過2個基準站覆蓋，則可視為無效冗余，如圖5b中的Ⅳ區塊，為3個基準站共同覆蓋區域。

2.3 頻率干擾

小區中如有多路中心頻率相同或相近的無線電覆蓋，則會產生頻率干擾問題[20]。由于特高頻(Ultra high frequency，UHF)無線電波的傳播具有一定的不確定性，故設定多個搜索半徑ΔD，基于數據集E，進行同近頻統計分析。

針對同頻分析，設定ΔF=0，ΔD分別取10、20、30、40 km及不限距離，同頻的基準站對數如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著站間距的增加，同頻的基準站數量快速增加。站間距40 km以內，有18對基準站頻率完全相同。例如，H15和H16隸屬同一家企業，站間距為5.41 km，均使用461.05 MHz頻率。同樣，H21和H27的站間距為15.64 km，均使用457.05 MHz頻率。而S12和L24分屬于兩家企業，站間距為30.39 km，均使用459.012 5 MHz頻率。顯然，站間距越小，同頻干擾的影響越顯著。

圖6 站間距與同頻關系Fig.6 Relationship between distance and same frequency

在短距離內，如30 km范圍內，大部分干擾來自同一企業。究其原因，在于石河子采用統一采購制度，往往集中采購同一企業的自動駕駛系統。經與企業H、L、S等核實，這種企業內部干擾現象確實存在。站間距30 km以上時，則來自不同企業的頻率干擾現象逐漸增加。而應引起高度重視的是2個企業覆蓋區域的結合部，這是同近頻干擾的高發地段。

圖7 站間距與近頻數量關系Fig.7 Relationship between distance and near frequency

針對近頻分析，設定ΔF取25 kHz，ΔD分別取10、20、30、40 km及不限距離，近頻的基準站對數如圖7所示。可以看出，L27和H5分屬2個企業，對應頻率分別為461.075 MHz和461.050 MHz，頻率差為25 kHz，站間距為9.25 km。頻率相近，電臺功率稍大的情況下，易產生干擾[20]。

進一步設定ΔF取50 kHz，經檢索發現，區域中有87對基準站符合條件，站間距40 km內有29對基準站符合條件。由此可見，近頻現象是普遍存在的，這埋下了頻率干擾的隱患。

區域內農用基準站頻率干擾產生的原因主要有2種。一是固定基準站因缺乏協調引起的頻率干擾，這種干擾，通過區域統籌規劃(頻分多址和空分多址)、基準站備案和信息分享，可以得到有效解決。二是臨時建站引起的頻率干擾，即移動基準站干擾。例如，移動或外來作業機組，未經掃頻與協調，臨時架設基準站，導致其電臺與小區內電臺發生頻率干擾。這種情況具有很大的隨機性，難以排除。針對這種情況，有關管理部門應統籌規劃農用無線電頻段，區分固定基準站和移動基準站的頻譜范圍，通過頻分多址等實現頻率的優化配置，避免移動基準站對固定基準站的無序干擾，然后通過信息分享避免移動基準站之間的頻率干擾。

2.4 坐標平差

固定基準站往往通過自動獲取的方式確定其坐標，誤差達數米；或通過CORS確定其坐標，精度為厘米級；對其進行坐標平差，精度為毫米級。區域內基準站坐標不統一，將導致無法實現區域多基準站聯合作業，不能發揮基準站冗余的效益。在實踐中，基準站坐標不統一常導致作業混亂。例如，在一條長導航線(如A-B線)作業過程中，流動站可能會接入不同的基準站(頻率相同)，導致拖拉機改變導航線。

基準站H13和H14平差結果見表1。從表中可見，平差前H13和H14分別存在0.80 m和1.37 m的中誤差。這2個中誤差均超過了石河子棉花行距(0.7 m)，而且2個基準站誤差的大小與方向不一致。假設自動駕駛導航系統的差分信號源在這2個基準站之間切換，顯然會導致作業陷入混亂。

基準站坐標平差后導航精度及一致性檢驗結果見表2。在經度方向，3個點的坐標差值最大為0.011 m，在緯度方向，3個點的坐標差值最大為0.023 m，分別達到毫米級和厘米級，達到了農機自動駕駛導航對基準站的應用要求。

盡管同頻干擾會影響作業的連續性，但在同頻干擾難以完全排除的情況下，流動站會自動接入信號較強的基準站。因此，對基準站進行坐標平差，統一區域基準站時空基準，作為一種對同頻干擾進行彌補的有效方法。

表1 基準站坐標平差結果Tab.1 Results of coordination adjustment of reference stations

表2 坐標平差精度和一致性檢驗結果Tab.2 Verification result of accuracy and consistency of reference stations after coordination adjustment m

2.5 系統原型

通過以上基準站冗余和頻率干擾分析，可見基準站備案、信息分享和建站輔助的重要性和必要性。基于此設計的農用GNSS基準站管理服務系統原型主要包括B/S系統和移動端APP(圖8)。B/S系統包括后臺和前臺，后臺服務于平臺管理者和基準站建設單位。前臺除提供1.5節所述功能，還可根據臨時基準站設定的生命周期，自動刪除臨時基準站。對于未設定生命周期的臨時基準站，則通過閾值進行管理，如由系統于每日的零點進行自動刪除。

圖8 農用導航基準站管理服務系統原型Fig.8 Prototype of management and service system for agricultural GNSS reference stations

APP的核心功能是通過獲取周邊基準站占用的頻點，向用戶推薦可用的頻點列表，由用戶自行選擇。

基準站的管理與使用具有社會性，基于移動通信在線分享基準站的位置和參數，有助于提高基準站管理的效率和準確性。論文僅開發了系統原型和進行了有限的功能測試，其實用性還有待進一步完善。

3 結論

(1)由于缺乏技術和管理協調，區域農用GNSS基準站無效冗余、頻率干擾和頻率浪費難以避免。以石河子為例，所統計的84個基準站使用了47個頻點，站間距40 km以內，有多達18對基準站頻率相同，有29對基準站頻率相近(頻率差小于25 kHz)。石河子東北18個基準站，平均冗余率達263.2%，中心區冗余率更高。

(2)固定基準站通過坐標平差可以提高站址精

度，有助于發揮基準站冗余的有效性和提高差分信號接入的可靠性。H13基準站平差精度驗證表明，經度方向，3個驗證點的坐標差最大為0.011 m，在緯度方向，3個驗證點的坐標差最大為0.023 m，分別達到毫米級和厘米級，可以滿足自動駕駛導航的要求。

(3)開發了農用GNSS基準站管理服務系統，包括B/S系統和手機端APP。初步測試表明，系統可以實現基準站備案、建站輔助和基準站查詢，能夠自動刪除臨時基準站和向移動用戶推薦可用頻點。系統有助于實現基準站的精準管理與共享。

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