農業機械衛星定位校正方法研究

夏利利 ， 卞兆娟

（江蘇省農業機械試驗鑒定站，江蘇 南京 210017）

0 引言

鄉村振興戰略是解決我國“三農”問題、優化社會經濟發展模式的根本路徑，鄉村振興戰略目標的實現，離不開農業機械設備的支撐[1]。隨著科技的發展，農業機械設備自動化成為當前農業科技創新的熱點領域[2]。其中，農業機械的高精度定位是農業機械設備自動化的重要基礎，其在全球范圍內的應用正在迅速增長。衛星定位技術是獲取農機田間位置的關鍵技術，利用精確的衛星定位技術能實現農機位置的精確獲取，在農業機械中安裝衛星定位終端后，衛星終端可通過與多個衛星的連接實現定位[3]，并在地面衛星基站的定位修正下實現厘米級的定位精度[4]，具有操作性強、應用范圍廣等優點。但是高精度定位產品幾十萬的高昂價格，使得這種高精尖的定位技術在農業領域的應用尚不廣泛[5]。隨著農業自動化技術的發展，人們對經濟的高精度定位校正方法的需求變得日益迫切。

為了提高農業機械的定位精度，許多學者在這一領域進行了研究，并取得了一定的進展。王壯等[6]認為對導航中GPS定位誤差分析，可采用目前應用比較廣泛的差分技術及聯合卡爾曼濾波算法。劉進一等[7]為解決實際農田環境中農業機械自動導航系統的位姿信息易受跟蹤衛星數動態變化、天線遮擋、數據傳輸錯誤等因素影響，造成定位精度和穩定性變差的問題，提出了基于GNSS/MIMU/DR的農業機械組合導航定位方法，使其各項評價指標得到了明顯的改善。

為了解決高精度RTK設備價格昂貴的問題，劉國有[5]以農田導航的實際應用為首要目的，以美國Swift公司的Piksi定位模塊為基礎，構建RTK系統進行研究，使用濾波算法對數據進行處理，最終成功將PiksiRTK系統應用在農田拖拉機上。此外，吳超[8]、吳東明等[9]、吳賽敏[10]提出基于視覺和GPS導航的組合導航方法，結合兩者的優點來提升定位精度，進一步提升導航定位的精度。針對導航衛星會由于各種原因出現定位誤差的問題，本文提出預測軌跡定位校正法來提高農業機械的定位精度，使其能夠在以后的農業生產中得到應用。該方法通過安裝在農業機械上的GNSS接收器對農業機械進行定位，并對其接收到的坐標進行一次預測校正，隨后又測量一次校正軌跡與期望軌跡之間的偏差，再根據偏差進行二次校正。

1 農業機械衛星定位校正系統概述

1.1 系統通信架構

全球定位技術既用于精準農業系統實施的初始階段，也用于后期階段。初始階段主要包括坐標定位，后期階段主要包括并行駕駛、控制和核算油耗、農機狀態監測等。為了實現這些功能，必須使得至少兩個設備聯合工作：一個GNSS接收器和一個用于從GNSS接收器收集和處理信息的集中式服務器。系統組件之間交互的總體組織方案如圖1所示。

圖1 系統組件交互圖

在該方案中，可以分配3個部分，每個部分應用不同的通信技術和協議：

1）在全球導航系統的衛星和安裝在設備中的GNSS接收器之間，使用標準GPS NMEA-0183協議。

2）在GNSS接收器和服務器之間，使用Wialon IPS 1.1協議。GNSS接收器主要將其坐標及其運行所需的參數通過Wialon IPS協議傳輸到服務器，如移動開始后的時間、衛星數據的可靠性系數（HDOP）、加速度傳感器的值、車載網絡的溫度和電壓等。

3）服務器和用戶之間的區域是通過HTTP或HTTPS與網絡服務器的標準連接。

1.2 Wialon IPS協議的雙向授權

Wialon IPS在GNSS接收器和服務器之間支持雙向數據傳輸。通常，從GNSS接收器到服務器，傳輸GNSS接收器坐標和前面描述的其他參數；從服務器到GNSS接收器則傳輸控制命令。為了數據安全和數據的準確性，保證農業機械的精準定位，系統使用了基于Wialon IPS協議的雙向授權。

根據Wialon IPS協議，在建立連接時，GNSS接收器首先發送一個登錄數據包用于對服務器的訪問，其中包含GNSS接收器的唯一標識符，通常是密碼和國際移動設備標識。服務器對登錄數據包進行解析匹配，并將其存儲在服務器的數據庫中。在服務器成功匹配了GNSS接收器發送的數據包后，服務器向GNSS接收器發送授權信息，然后服務器等待接收GNSS接收器的信息，當服務器接收到正確的信息后，雙向授權完成，允許雙向交換數據。

2 農業機械衛星定位校正試驗

本次試驗使用了UM220北斗模塊及其配套天線作為北斗定位接收設備和基于北斗衛星數據的相關控制器。試驗的農業機械為拖拉機，并且配備了上述GNSS接收器和控制系統，同時配備農機輔助導引系統來校正定位誤差。農機輔助導引系統的主要原理為預測軌跡定位校正法。

2.1 預測軌跡定位校正方法

預測軌跡定位校正法的示意圖，如圖2所示。該方法利用全球導航衛星定位精度的歷史數據，基于大數據和神經網絡算法可以預測出全球衛星導航系統對農業機械的定位精度，根據預測定位精度和期望軌跡可以預測出校正前實際軌跡大概的坐標，校正前的實際軌跡與期望軌跡的誤差很大，因此必須對此時的實際軌跡進行坐標校正。首先，根據預測定位精度對實際定位坐標進行修正，使實際定位坐標校正到與期望軌跡相近的坐標，這一過程稱為一次校正，得到的曲線稱為一次校正預測軌跡。在一次校正完成以后，進行二次校正，二次校正通過測量一次校正預測軌跡與期望軌跡之間的誤差，假設期望軌跡的坐標為(X0(t),Y0(t))，一次校正預測軌跡的坐標為(X1(t),Y1(t))，可以根據以下方程式確定每次測量時一次校正預測軌跡與期望軌跡的誤差(bias(t))：

圖2 預測軌跡定位校正法示圖

然后對誤差進行實時修正，以此來校正農業機械的定位精度，二次校正后得到的軌跡即農業機械實際的運動軌跡。從上述論述中可以看出，預測定位精度是相對于GNSS接收器而言的，因此GNSS接收器的位置應該置于期望軌跡之上，因此本試驗將GNSS接收器設置在農業機械的中間位置。

2.2 定位校正分析

本研究首先使用了基于北斗信號接收器的智能設備定位法進行試驗，通過這一試驗可以得到北斗導航衛星定位精度的大量數據，根據這些定位精度數據，使用神經網絡算法預測出初始的定位精度；隨后的預測定位精度由兩部分數據共同產生，一部分是上述的定位精度數據，另一部分是農業機械運動過程中前一時刻的定位精度數據。

在此試驗的基礎上，結合農機輔助導引系統再次進行試驗。兩次試驗分別重復進行兩次，以此來保證試驗的可靠性，在50個輔助觀測點處分別記錄一次校正后的軌跡、二次校正后的軌跡與期望軌跡的偏差，以此來評估預測軌跡定位校正法，其試驗結果如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 智能設備定位法校正精度

圖4 一次校正校正精度

圖5 二次校正校正精度

圖3的試驗結果是使用基于北斗信號接收器的智能設備定位法的結果，其主要反映了北斗衛星導航系統的定位精度在2.3 m左右，這為后續定位精度的預測提供了大量的數據。圖4的試驗結果是進行一次校正后得到的結果，從中可以看出，一次校正大幅度降低了與期望軌跡的誤差。圖5的試驗結果是二次校正后的結果，也即校正后的實際軌跡與期望軌跡的偏差，從中可以看出，此時的定位精度已經可以滿足農業機械的正常作業了。因此，預測軌跡定位校正法的效果值得肯定。

3 總結

本研究首先對農業機械衛星定位校正系統進行了概述，介紹了其主要的通信協議以及為了數據安全而開發的一種基于Wialon IPS協議的雙向授權算法。在此基礎上，在農機輔助導引系統中運用了預測軌跡定位校正法，對只有北斗信號接收器的農機進行測試，然后對配有農機輔助導引系統的農機進行測試，通過兩次試驗結果的對比，得出預測軌跡定位校正法可以顯著降低定位誤差，提高定位精度，滿足農業機械的正常作業。如果要進一步提升農業機械的定位精度，筆者認為需要進行更多試驗，積累更多的試驗數據，進一步對神經網絡算法進行優化訓練，從而提升對北斗衛星定位系統定位精度的預測，進而優化一次校正的預測坐標，最后改善二次校正的精度。