黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)三種GPS差分方式比較研究

1、黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)三種GPS差分方式比較研究 王熙1資助項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)（課題編號(hào)：2003AA209090）資助作者簡(jiǎn)介：王熙，1962.9，男，山西新絳，教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)科研工作。聯(lián)系方式：郵編：163319 E-mail：ndwangxi 王新忠 王智敏 莊衛(wèi)東 汪春（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院 大慶 163319）摘 要：為了黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范需要，采用了GPS定位差分系統(tǒng)，以提高GPS系統(tǒng)定位精度。本文對(duì)黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)三種GPS差分方式進(jìn)行了介紹，并對(duì)三種GPS差分方式進(jìn)行了比較研究。關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，全球定位系統(tǒng)

2、，差分系統(tǒng)1.前 言2002年黑龍江農(nóng)墾總局在友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)引進(jìn)美國(guó)CASE公司整套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地。2003年黑龍江農(nóng)墾總局又在大西江農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)美國(guó)JOHN DEERE公司整套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了大西江精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地。2005年黑龍江農(nóng)墾總局引進(jìn)美國(guó)CASE公司精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了八五二農(nóng)場(chǎng)和寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地。通過對(duì)四個(gè)試驗(yàn)示范基地GPS差分方式的比較，對(duì)三種GPS差分方式有了一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。2. 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）全球定位系統(tǒng)GPS (Global Positioning System)是美國(guó)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

3、GPS的空間部分使用24顆衛(wèi)星組成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，每天24小時(shí)為全球陸、海、空用戶全天候提供三維位置、速度和時(shí)間信息。全球定位系統(tǒng)(GPS)自從建立以來，已得到非常廣泛的應(yīng)用。但美國(guó)出于其戰(zhàn)略上的考慮，對(duì)外應(yīng)用上,于1991年7月開始實(shí)施SA政策，SA(Selective Availability)稱為有選擇可用技術(shù),即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS定位精度，使用戶的GPS接收機(jī)精度都在100米左右。雖然美國(guó)政府1999年取消SA政策，但定位精度仍然在15米左右，這樣的精度不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要，也給使用者帶來極大不便。3. 差分GPS定位系統(tǒng)（DGPS）為了提高GPS定位

4、精度，采用差分技術(shù)（Differential GPS）可以改善因各種誤差所影響的定位精度，使定位精度提高到亞米級(jí)或厘米級(jí)。差分定位是在一個(gè)地理位置準(zhǔn)確已知點(diǎn)建立差分基準(zhǔn)臺(tái)，實(shí)時(shí)計(jì)算出差分誤差信息，并將此信息傳送給用戶，用戶即可得到高精度定位。3.1 友誼農(nóng)場(chǎng)區(qū)域自主型地面站RTCM方式的GPS差分系統(tǒng)友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗(yàn)基地DGPS定位系統(tǒng)采用區(qū)域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用偽距差分方式（RTCM方式，Radio Technical Commission for Maritime Services，航海無線電技術(shù)委員會(huì)），在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)求得它至可見衛(wèi)

5、星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較求出其偏差，然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差利用數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)傳輸給田間作業(yè)機(jī)器（如聯(lián)合收割機(jī)），田間作業(yè)機(jī)器上的GPS接收機(jī)接收GPS信號(hào)的同時(shí)利用數(shù)傳接收電臺(tái)接收測(cè)距誤差來改正測(cè)量的偽距，最后利用改正后的偽距來解出自身的位置，從而消去公共誤差，提高定位精度。GPS的定位誤差一般在15m以內(nèi)，而RTCM差分后的DGPS的定位誤差是亞米級(jí)的，即定位誤差在1m以內(nèi)，這種精度能保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的定位需求。區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1 區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Block diagram of regional self-

6、determination GPS differential system1.聯(lián)合收割機(jī)；2.車載AG132型GPS天線；3.數(shù)傳接收電臺(tái)天線；4.GPS衛(wèi)星；5. 35瓦PCC數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)天線；6.固定AG214型GPS天線；7.友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)辦公樓黑龍江省友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)DGPS系統(tǒng)由地面固定式GPS差分站和移動(dòng)式DGPS接收系統(tǒng)組成。地面GPS差分站設(shè)備包括Ag214（MS750）型雙頻GPS接收機(jī)，GPS接收天線、35瓦PCC數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)、PCC數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線、12伏直流穩(wěn)壓電源等組成。Ag214（MS750）型GPS接收機(jī)由美國(guó)天寶（Trimble）公司生產(chǎn)，為精確動(dòng)態(tài)定位而

7、設(shè)計(jì)的雙頻GPS接收機(jī)，在精確定位、導(dǎo)航及控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，該接收機(jī)的精度高，適合作為地面GPS差分基準(zhǔn)站的接收機(jī)。數(shù)據(jù)鏈（差分?jǐn)?shù)據(jù)的無線傳輸）使用的是甚高頻（UHF）的無線電通訊設(shè)備（數(shù)傳電臺(tái)），傳輸距離與電臺(tái)發(fā)射天線高度、功率及移動(dòng)站天線和基準(zhǔn)站天線間的阻擋有關(guān)。友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)辦公樓頂部PCC數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線長(zhǎng)度2米，架設(shè)高度為14米。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，數(shù)傳電臺(tái)作用距離為30公里，完全可以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)需要。移動(dòng)式DGPS接收系統(tǒng)由接收衛(wèi)星信號(hào)的移動(dòng)式Ag132型GPS接收機(jī)和用于接收差分信號(hào)的PCC無線電數(shù)傳接收機(jī)組成，PCC無線電數(shù)傳接收機(jī)通過RS-232串行接口與Ag132

8、型GPS接收機(jī)相連接，RS-232串行接口數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置為RTCM格式，即差分信號(hào)格式，波特率為9600b/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、沒有校驗(yàn)位。3.2 大西江農(nóng)場(chǎng)GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)黑龍江墾區(qū)九三農(nóng)墾分局大西江農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地采用GPS差分方式是衛(wèi)星差分形式。GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。（圖中為表示清楚，聯(lián)合收割機(jī)上安裝的GPS接收機(jī)天線和差分信號(hào)接收機(jī)天線為分置的，實(shí)際兩個(gè)天線合置在一個(gè)圓球形天線內(nèi)部，特此說明。）圖2 GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Block diagram of GPS differential system大西江農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)的約翰迪

9、爾公司（GreenStar）“綠色之星”精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用(StarFire) “星火”DGPS接收機(jī)，該DGPS接收機(jī)采用雙頻差分SF2衛(wèi)星差分系統(tǒng)，平均定位精度誤差為±4英寸（±10厘米）。StarFire是NavCom建立的全球雙頻GPS差分定位系統(tǒng)，它不需要建立基準(zhǔn)站，能夠自由地在全球任何地方得到實(shí)時(shí)的分米級(jí)定位精度。StarFire系統(tǒng)有五部分組成：參考站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站、國(guó)際海事地球同步衛(wèi)星（INMARSAT）、用戶站。美國(guó)約翰迪爾（JOHN DEERE）公司下屬的NavCom公司建立了一套由雙頻GPS接收機(jī)組成的全球參考站網(wǎng)絡(luò)，這些參考站每時(shí)每刻都在接收來

10、自于GPS衛(wèi)星的信號(hào)。從這些參考站獲得的數(shù)據(jù)被送到位于California的Redondo Beach和位于Illinois的Moline的兩個(gè)處理中心，經(jīng)過處理以后生成差分的改正數(shù)據(jù)。這些差分改正數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊鏈路傳送到衛(wèi)星注入站并上傳至INMARSAT國(guó)際海事地球同步衛(wèi)星，向全球發(fā)布。用戶站的GPS接收機(jī)實(shí)際上同時(shí)有兩個(gè)接收部分，一個(gè)是GPS接收機(jī)，一個(gè)是L波段的通信接收器。GPS接收機(jī)跟蹤所有可見的衛(wèi)星，然后獲得GPS衛(wèi)星的測(cè)量值。同時(shí)，L波段的接收器通過L波段的衛(wèi)星接收改正數(shù)據(jù)。當(dāng)這些改正數(shù)據(jù)被應(yīng)用在GPS測(cè)量中時(shí)，一個(gè)實(shí)時(shí)的高精度的點(diǎn)位就確定了。StarFire服務(wù)是有償?shù)?。用戶?/p>

11、據(jù)自己預(yù)先計(jì)劃好的工作時(shí)間來向NavCom購(gòu)買。用戶可以每季度、每半年、或者每年一次的向當(dāng)?shù)氐拇砩藤?gòu)買或者直接通過因特網(wǎng)向NavCom公司購(gòu)買。NavCom對(duì)于一些需要StarFire服務(wù)的特殊用戶提供預(yù)先支付、使用時(shí)計(jì)費(fèi)等方式。 3.3 八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)區(qū)域自主型地面站RTK方式的GPS差分系統(tǒng)八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗(yàn)基地DGPS定位系統(tǒng)采用區(qū)域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用載波相位差分方式（RTK方式，Real Time Kinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。與

12、偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)的大型拖拉機(jī)安裝有電液控制的自動(dòng)駕駛設(shè)備，依靠DGPS設(shè)備對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航駕駛。為了避免重播、漏播，要求配備在拖拉機(jī)上的DGPS定位設(shè)備定位導(dǎo)航精度比較高，因此使用了采用載波相位差分方式。寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)地面GPS差分站設(shè)備，包括Ag214（MS750）型雙頻GPS接收機(jī)，GPS接收天線、25瓦Trimble 數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)、Trimble 數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線、直流12伏輸出10安培穩(wěn)壓電源等組成。GPS差分站設(shè)備安裝在場(chǎng)部辦公樓內(nèi)，GPS天線和數(shù)傳

13、電臺(tái)發(fā)射天線架設(shè)在場(chǎng)部辦公樓頂，數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線長(zhǎng)度3米，架設(shè)高度為26米。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，數(shù)傳電臺(tái)作用距離為25公里。八五二農(nóng)場(chǎng)地面GPS差分站設(shè)備包括型雙頻GPS接收機(jī)，GPS接收天線、30瓦PCC 數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)、PCC 數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線、直流12伏輸出10安培穩(wěn)壓電源等組成。將GPS差分站設(shè)備安裝在二分場(chǎng)一隊(duì)農(nóng)具場(chǎng)內(nèi)，GPS天線和數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線架設(shè)在農(nóng)具場(chǎng)內(nèi)獨(dú)立的天線架上，數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線長(zhǎng)度3米，架設(shè)高度為40米。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，數(shù)傳電臺(tái)作用距離為30公里。4. 三種差分方式比較研究黑龍江墾區(qū)GPS差分形式目前有地面站差分和衛(wèi)星差分兩種形式。友誼農(nóng)場(chǎng)采用地面基準(zhǔn)站RTCM差分方式；大西江

14、農(nóng)場(chǎng)采用衛(wèi)星RTG差分方式；八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)采用地面基準(zhǔn)站RTK差分方式,這三種差分方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。表1 三種差分方式對(duì)比表Table 1 Table title in English (be placed at the center)單位 差分方式 定位精度 使用費(fèi)用 友誼農(nóng)場(chǎng) RTCM 亞米級(jí) 一次性投入 大西江農(nóng)場(chǎng) RTG 分米級(jí) 每年投入寶泉嶺農(nóng)場(chǎng) RTK 厘米級(jí) 一次性投入 八五二農(nóng)場(chǎng) RTK 厘米級(jí) 一次性投入 友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)試驗(yàn)示范基地應(yīng)用區(qū)域自主型RTCM單站DGPS系統(tǒng)，一次性建站投資比較大，后期運(yùn)行費(fèi)用比較低，沒有衛(wèi)星差分信號(hào)服務(wù)費(fèi)用，但服務(wù)半徑相對(duì)較小，大約為3

15、0公里左右?；鶞?zhǔn)站采用AG214型雙頻GPS接收機(jī)，定位精度較高，但價(jià)格也較高；車載移動(dòng)GPS采用AG132型單頻GPS接收機(jī),價(jià)格較低，但定位精度低于雙頻接收機(jī)，差分信號(hào)傳輸格式為偽距差分（RTCM）。友誼農(nóng)場(chǎng)DGPS系統(tǒng)經(jīng)過兩年試驗(yàn)示范表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、定位精度達(dá)到目前友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范需要。大西江農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用的DGPS系統(tǒng)為RTG衛(wèi)星差分GPS系統(tǒng)，該差分方式是一種收費(fèi)提供差分服務(wù)的形式，服務(wù)半徑比較大，每臺(tái)“星火”DGPS定位系統(tǒng)每年要向約翰迪爾公司交納800美元差分信號(hào)服務(wù)費(fèi)用。車載移動(dòng)DGPS采用“星火”雙頻差分GPS接收機(jī), 定位精度較高，價(jià)格相應(yīng)也較貴。由于大西江農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)

16、的大型氣吹式變量施肥播種機(jī)幅寬18米，配備劃印器比較困難，沒有安裝劃印器，依靠DGPS設(shè)備對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航。為了避免重播、漏播，要求配備在拖拉機(jī)上的DGPS定位設(shè)備定位導(dǎo)航精度比較高，配套的“星火” DGPS定位設(shè)備 “趟趟”運(yùn)動(dòng)精度誤差為±10厘米，目前使用效果良好。八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)采用地面基準(zhǔn)站RTK差分GPS系統(tǒng)，一次性建站投資比較大，沒有衛(wèi)星差分信號(hào)服務(wù)費(fèi)用，后期運(yùn)行費(fèi)用比較低，但服務(wù)半徑相對(duì)較小，大約為2030公里左右?；鶞?zhǔn)站采用雙頻GPS接收機(jī)，定位精度較高，但價(jià)格也較高；車載移動(dòng)GPS采用雙頻GPS接收機(jī),價(jià)格相應(yīng)較高，但定位精度是三種差分方式中最高的，用于大

17、型拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航和駕駛。參 考 文 獻(xiàn)1 王熙,王新忠,王智敏等.基于GPS的收獲機(jī)產(chǎn)量監(jiān)視儀試驗(yàn)研究J.北京:農(nóng)機(jī)科技推廣,2002.3(1):26272 王新忠,王熙,王智敏.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與變量施肥技術(shù)J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2002.14(4):25273 王熙,王新忠,莊衛(wèi)東等.DGPS在友誼農(nóng)場(chǎng)土壤取樣中的應(yīng)用J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2003.15(1):44464 王新忠,王熙,王智敏等.差分GPS定位系統(tǒng)在友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2003.290(9):32335 Xianglin Liu, Christian Tiberius and K

18、ees de Jong Modelling of differential single difference receiver clock bias for precise positioning .Springer-Verlag GmbH ,2004 ,volume 7: 209 221. 6 G. Fotopoulos, M. E. Cannon, A. Bogle, et al. Assessment of the LandStar Real-Time DGPS Service under Several Operational Conditions .Springer-Ve

19、rlag GmbH , 1999, volume 2: 22 34. 7 M.O. Kechine, C.C.J.M. Tiberius, H. Marel An experimental performance analysis of real-time kinematic positioning with NASAs Internet-Based Global Differential GPS .Springer-Verlag GmbH ,2004，volume： 9 22.8 Hisakazu Hada, Hideki Sunahara, Keisuke Uehara, et al. DGPS and RTK Positioning Using the Internet . Springer-Verlag GmbH , 2000,volume 4: 34 44.Study on the Comparison of Th