黑龙江垦区精准农业三种GPS差分方式比较研究

1、黑龙江垦区精准农业三种GPS差分方式比较研究 王熙1资助项目：国家高技术研究发展计划(863计划)（课题编号：2003AA209090）资助作者简介：王熙，1962.9，男，山西新绛，教授，硕士，主要从事机电一体化技术教学及精准农业科研工作。联系方式：邮编：163319 E-mail：ndwangxi 王新忠 王智敏 庄卫东 汪春（黑龙江八一农垦大学工程学院 大庆 163319）摘 要：为了黑龙江垦区精准农业试验示范需要，采用了GPS定位差分系统，以提高GPS系统定位精度。本文对黑龙江垦区精准农业三种GPS差分方式进行了介绍，并对三种GPS差分方式进行了比较研究。关键词：精准农业，全球定位系统

2、，差分系统1.前 言2002年黑龙江农垦总局在友谊农场五分场二队引进美国CASE公司整套精准农业机械设备，建立了友谊农场精准农业试验示范基地。2003年黑龙江农垦总局又在大西江农场引进美国JOHN DEERE公司整套精准农业机械设备，建立了大西江精准农业试验示范基地。2005年黑龙江农垦总局引进美国CASE公司精准农业机械设备，建立了八五二农场和宝泉岭农场精准农业试验示范基地。通过对四个试验示范基地GPS差分方式的比较，对三种GPS差分方式有了一个初步认识。2. 全球卫星定位系统（GPS）全球定位系统GPS (Global Positioning System)是美国的第二代卫星导航定位系统。

3、GPS的空间部分使用24颗卫星组成全球卫星定位系统，每天24小时为全球陆、海、空用户全天候提供三维位置、速度和时间信息。全球定位系统(GPS)自从建立以来，已得到非常广泛的应用。但美国出于其战略上的考虑，对外应用上,于1991年7月开始实施SA政策，SA(Selective Availability)称为有选择可用技术,即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度，使用户的GPS接收机精度都在100米左右。虽然美国政府1999年取消SA政策，但定位精度仍然在15米左右，这样的精度不能满足实际应用需要，也给使用者带来极大不便。3. 差分GPS定位系统（DGPS）为了提高GPS定位

4、精度，采用差分技术（Differential GPS）可以改善因各种误差所影响的定位精度，使定位精度提高到亚米级或厘米级。差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台，实时计算出差分误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到高精度定位。3.1 友谊农场区域自主型地面站RTCM方式的GPS差分系统友谊农场精准农业技术示范试验基地DGPS定位系统采用区域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用伪距差分方式（RTCM方式，Radio Technical Commission for Maritime Services，航海无线电技术委员会），在基准站上的GPS接收机求得它至可见卫

5、星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较求出其偏差，然后将所有卫星的测距误差利用数传发射电台传输给田间作业机器（如联合收割机），田间作业机器上的GPS接收机接收GPS信号的同时利用数传接收电台接收测距误差来改正测量的伪距，最后利用改正后的伪距来解出自身的位置，从而消去公共误差，提高定位精度。GPS的定位误差一般在15m以内，而RTCM差分后的DGPS的定位误差是亚米级的，即定位误差在1m以内，这种精度能保证农业生产中的定位需求。区域自主型GPS差分系统组成如图1所示。图1 区域自主型GPS差分系统组成示意图Fig.1 Block diagram of regional self-

6、determination GPS differential system1.联合收割机；2.车载AG132型GPS天线；3.数传接收电台天线；4.GPS卫星；5. 35瓦PCC数传发射电台天线；6.固定AG214型GPS天线；7.友谊农场五分场二队办公楼黑龙江省友谊农场五分场二队DGPS系统由地面固定式GPS差分站和移动式DGPS接收系统组成。地面GPS差分站设备包括Ag214（MS750）型双频GPS接收机，GPS接收天线、35瓦PCC数传发射电台、PCC数传电台发射天线、12伏直流稳压电源等组成。Ag214（MS750）型GPS接收机由美国天宝（Trimble）公司生产，为精确动态定位而

7、设计的双频GPS接收机，在精确定位、导航及控制等领域有着广泛的应用，该接收机的精度高，适合作为地面GPS差分基准站的接收机。数据链（差分数据的无线传输）使用的是甚高频（UHF）的无线电通讯设备（数传电台），传输距离与电台发射天线高度、功率及移动站天线和基准站天线间的阻挡有关。友谊农场五分场二队办公楼顶部PCC数传电台发射天线长度2米，架设高度为14米。经过实际测试，数传电台作用距离为30公里，完全可以满足精准农业试验需要。移动式DGPS接收系统由接收卫星信号的移动式Ag132型GPS接收机和用于接收差分信号的PCC无线电数传接收机组成，PCC无线电数传接收机通过RS-232串行接口与Ag132

8、型GPS接收机相连接，RS-232串行接口数据传输设置为RTCM格式，即差分信号格式，波特率为9600b/s、8个数据位、1个起始位、1个停止位、没有校验位。3.2 大西江农场GPS卫星差分系统黑龙江垦区九三农垦分局大西江农场精准农业试验示范基地采用GPS差分方式是卫星差分形式。GPS卫星差分系统组成示意图如图2所示。（图中为表示清楚，联合收割机上安装的GPS接收机天线和差分信号接收机天线为分置的，实际两个天线合置在一个圆球形天线内部，特此说明。）图2 GPS卫星差分系统组成示意图Fig.2 Block diagram of GPS differential system大西江农场引进的约翰迪

9、尔公司（GreenStar）“绿色之星”精准农业系统采用(StarFire) “星火”DGPS接收机，该DGPS接收机采用双频差分SF2卫星差分系统，平均定位精度误差为±4英寸（±10厘米）。StarFire是NavCom建立的全球双频GPS差分定位系统，它不需要建立基准站，能够自由地在全球任何地方得到实时的分米级定位精度。StarFire系统有五部分组成：参考站、数据处理中心、注入站、国际海事地球同步卫星（INMARSAT）、用户站。美国约翰迪尔（JOHN DEERE）公司下属的NavCom公司建立了一套由双频GPS接收机组成的全球参考站网络，这些参考站每时每刻都在接收来

10、自于GPS卫星的信号。从这些参考站获得的数据被送到位于California的Redondo Beach和位于Illinois的Moline的两个处理中心，经过处理以后生成差分的改正数据。这些差分改正数据通过数据通讯链路传送到卫星注入站并上传至INMARSAT国际海事地球同步卫星，向全球发布。用户站的GPS接收机实际上同时有两个接收部分，一个是GPS接收机，一个是L波段的通信接收器。GPS接收机跟踪所有可见的卫星，然后获得GPS卫星的测量值。同时，L波段的接收器通过L波段的卫星接收改正数据。当这些改正数据被应用在GPS测量中时，一个实时的高精度的点位就确定了。StarFire服务是有偿的。用户根

11、据自己预先计划好的工作时间来向NavCom购买。用户可以每季度、每半年、或者每年一次的向当地的代理商购买或者直接通过因特网向NavCom公司购买。NavCom对于一些需要StarFire服务的特殊用户提供预先支付、使用时计费等方式。 3.3 八五二农场、宝泉岭农场区域自主型地面站RTK方式的GPS差分系统八五二农场、宝泉岭农场精准农业技术示范试验基地DGPS定位系统采用区域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用载波相位差分方式（RTK方式，Real Time Kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与

12、伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。八五二农场、宝泉岭农场引进的大型拖拉机安装有电液控制的自动驾驶设备，依靠DGPS设备对拖拉机进行自动导航驾驶。为了避免重播、漏播，要求配备在拖拉机上的DGPS定位设备定位导航精度比较高，因此使用了采用载波相位差分方式。宝泉岭农场地面GPS差分站设备，包括Ag214（MS750）型双频GPS接收机，GPS接收天线、25瓦Trimble 数传发射电台、Trimble 数传电台发射天线、直流12伏输出10安培稳压电源等组成。GPS差分站设备安装在场部办公楼内，GPS天线和数传

13、电台发射天线架设在场部办公楼顶，数传电台发射天线长度3米，架设高度为26米。经过实际测试，数传电台作用距离为25公里。八五二农场地面GPS差分站设备包括型双频GPS接收机，GPS接收天线、30瓦PCC 数传发射电台、PCC 数传电台发射天线、直流12伏输出10安培稳压电源等组成。将GPS差分站设备安装在二分场一队农具场内，GPS天线和数传电台发射天线架设在农具场内独立的天线架上，数传电台发射天线长度3米，架设高度为40米。经过实际测试，数传电台作用距离为30公里。4. 三种差分方式比较研究黑龙江垦区GPS差分形式目前有地面站差分和卫星差分两种形式。友谊农场采用地面基准站RTCM差分方式；大西江

14、农场采用卫星RTG差分方式；八五二农场、宝泉岭农场采用地面基准站RTK差分方式,这三种差分方式各有优缺点。表1 三种差分方式对比表Table 1 Table title in English (be placed at the center)单位 差分方式 定位精度 使用费用 友谊农场 RTCM 亚米级 一次性投入 大西江农场 RTG 分米级 每年投入宝泉岭农场 RTK 厘米级 一次性投入 八五二农场 RTK 厘米级 一次性投入 友谊农场五分场二队试验示范基地应用区域自主型RTCM单站DGPS系统，一次性建站投资比较大，后期运行费用比较低，没有卫星差分信号服务费用，但服务半径相对较小，大约为3

15、0公里左右。基准站采用AG214型双频GPS接收机，定位精度较高，但价格也较高；车载移动GPS采用AG132型单频GPS接收机,价格较低，但定位精度低于双频接收机，差分信号传输格式为伪距差分（RTCM）。友谊农场DGPS系统经过两年试验示范表明，该系统工作稳定、定位精度达到目前友谊农场精准农业试验示范需要。大西江农场应用的DGPS系统为RTG卫星差分GPS系统，该差分方式是一种收费提供差分服务的形式，服务半径比较大，每台“星火”DGPS定位系统每年要向约翰迪尔公司交纳800美元差分信号服务费用。车载移动DGPS采用“星火”双频差分GPS接收机, 定位精度较高，价格相应也较贵。由于大西江农场引进

16、的大型气吹式变量施肥播种机幅宽18米，配备划印器比较困难，没有安装划印器，依靠DGPS设备对拖拉机进行自动导航。为了避免重播、漏播，要求配备在拖拉机上的DGPS定位设备定位导航精度比较高，配套的“星火” DGPS定位设备 “趟趟”运动精度误差为±10厘米，目前使用效果良好。八五二农场、宝泉岭农场采用地面基准站RTK差分GPS系统，一次性建站投资比较大，没有卫星差分信号服务费用，后期运行费用比较低，但服务半径相对较小，大约为2030公里左右。基准站采用双频GPS接收机，定位精度较高，但价格也较高；车载移动GPS采用双频GPS接收机,价格相应较高，但定位精度是三种差分方式中最高的，用于大

17、型拖拉机自动导航和驾驶。参 考 文 献1 王熙,王新忠,王智敏等.基于GPS的收获机产量监视仪试验研究J.北京:农机科技推广,2002.3(1):26272 王新忠,王熙,王智敏.精准农业与变量施肥技术J.黑龙江八一农垦大学学报,2002.14(4):25273 王熙,王新忠,庄卫东等.DGPS在友谊农场土壤取样中的应用J.黑龙江八一农垦大学学报,2003.15(1):44464 王新忠,王熙,王智敏等.差分GPS定位系统在友谊农场精准农业中的应用J.现代化农业,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