北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

楊杰

摘 要：目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，比如軍事、農(nóng)業(yè)、海洋漁業(yè)、水利工程、道路交通管理和地質(zhì)監(jiān)測(cè)等，均獲得了較好的應(yīng)用效果。對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了概述，并分析了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用、不足等。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域；應(yīng)用研究；自然資源

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.102

科技的發(fā)展推動(dòng)了技術(shù)的更新。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然資源的依賴程度較高，隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、配方施肥等多種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理模式的出現(xiàn)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展體系的構(gòu)建，衛(wèi)星導(dǎo)航在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用將越來越廣泛。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用導(dǎo)航，是指將自動(dòng)化控制技術(shù)與通信、導(dǎo)航相結(jié)合，利用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)田間管理，根據(jù)農(nóng)業(yè)區(qū)域作物的生長(zhǎng)情況和具體的環(huán)境條件因地制宜地開展對(duì)施藥、施肥、播種和收割等的管理工作，以實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)業(yè)投入，提升作物質(zhì)量、產(chǎn)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的，從而更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的概述和建設(shè)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是由2個(gè)地球同步衛(wèi)星、1顆備份衛(wèi)星、校準(zhǔn)系統(tǒng)、中控系統(tǒng)和用戶終端五部分組成，主要工作原理為：通過中樞系統(tǒng)向2個(gè)地球同步衛(wèi)星傳送詢問訊號(hào)，通過衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器在服務(wù)區(qū)域內(nèi)向用戶廣播，用戶會(huì)對(duì)兩顆衛(wèi)星中的1顆發(fā)送信號(hào)，作為響應(yīng)，并將相關(guān)信號(hào)傳回2個(gè)衛(wèi)星，地球同步衛(wèi)星將接收到的衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給中樞系統(tǒng)，通過中樞系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理可完成用戶的定位服務(wù)工作。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)最先出現(xiàn)于1983年，該系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是衛(wèi)星數(shù)量較少、區(qū)域性定位、全天候服務(wù)，且用戶終端設(shè)備較為簡(jiǎn)單。分析北斗一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可通過地球同步衛(wèi)星為用戶提供較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位服務(wù)，并可通過較簡(jiǎn)短的報(bào)文形式實(shí)現(xiàn)授時(shí)服務(wù)和通信。在第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期，先后發(fā)射了4顆北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星的發(fā)射完善了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使定位更為準(zhǔn)確、兼容性更強(qiáng)、抗干擾能力更強(qiáng)、定位區(qū)域更廣，并完成了對(duì)亞太地區(qū)的覆蓋，已基本可滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防等眾多領(lǐng)域的需要。根據(jù)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年前后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將擁有約35顆衛(wèi)星，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍的覆蓋。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著二代導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和普及，在我國(guó)周邊地區(qū)實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)已成為可能。此外，北斗衛(wèi)星為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。

2.1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)：①具有較強(qiáng)的信號(hào)覆蓋能力。北斗系統(tǒng)特有的星座分布使北斗衛(wèi)星更多的在東經(jīng)84°～160°的區(qū)域內(nèi)分布。隨著二代北斗系統(tǒng)建設(shè)的逐漸深入，北斗系統(tǒng)在我國(guó)各區(qū)域定位服務(wù)中將進(jìn)一步體現(xiàn)其優(yōu)越性。北斗系統(tǒng)在復(fù)雜地形和環(huán)境條件下也能占有較多的可用信號(hào)，可提供較為穩(wěn)定的定位服務(wù)，可更好地為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供連續(xù)、穩(wěn)定的定位服務(wù)，以滿足其對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。②定位精度較高。采用三頻定位，定位精準(zhǔn)度大大提高。

2.2 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要模式

我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)候，需與我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、現(xiàn)狀進(jìn)行有效結(jié)合。受耕地分布、人口密度、經(jīng)濟(jì)水平等因素的影響，我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種先進(jìn)技術(shù)的普及程度較低、技術(shù)推廣率較低、基地性的大型農(nóng)耕用地較少，因此，自動(dòng)化農(nóng)機(jī)應(yīng)用范圍相對(duì)較小，主要的操作工具和操作手段仍為人工。北斗衛(wèi)星在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用模式主要有2種：①輔助作業(yè)應(yīng)用。其是在中大型農(nóng)田中應(yīng)用精度較高的接收機(jī)體制。②無人作業(yè)應(yīng)用。其是在大型農(nóng)田或特大型農(nóng)田中應(yīng)用的差分定位體制。

無人作業(yè)模式中的地面設(shè)備具有北斗地基差分站（站內(nèi)有自動(dòng)化農(nóng)機(jī)和北斗差分接收機(jī)）。通常情況下，1臺(tái)移動(dòng)差分接收機(jī)能接收并處理數(shù)千米內(nèi)的信號(hào)，也能使定位的精度大大提升。接收機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)土壤、作物的監(jiān)測(cè)定位；控制中心主要負(fù)責(zé)分析處理接收到的信息，進(jìn)而生成決策。北斗差分站負(fù)責(zé)接收來自空間的差分信號(hào)和導(dǎo)航信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確定位。比如自動(dòng)化農(nóng)機(jī)接收到控制中心信號(hào)后，根據(jù)相關(guān)的定位數(shù)據(jù)按照預(yù)定的規(guī)劃軌跡行進(jìn)并完成相關(guān)作業(yè)任務(wù)，也可根據(jù)作業(yè)區(qū)域?qū)ψ陨淼淖鳂I(yè)強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，比如作物播種密度、噴淋速率和流量等情況，并通過地面通信系統(tǒng)將地位信息實(shí)時(shí)傳遞到控制中心。

輔助作業(yè)模式中不含地面差分站，該模式中使用的接收機(jī)為高精度接收機(jī)，主要包括通信線路和控制中心，也可采取提前規(guī)劃作業(yè)的方式。該應(yīng)用在土壤、作物監(jiān)測(cè)中的精準(zhǔn)度相對(duì)較低，但仍可從一定程度上滿足信息分析的要求。當(dāng)采取提前規(guī)劃作業(yè)方式時(shí)，其對(duì)農(nóng)機(jī)的作業(yè)任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)控能力相對(duì)較差，但在實(shí)際的應(yīng)用中仍有較好的效果。圖1和圖2為北斗系統(tǒng)應(yīng)用在輔助作業(yè)模式和無人作業(yè)模式中的流程圖。

2.3 北斗導(dǎo)航設(shè)備與自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的有效整合

RTK定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用為自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的使用提供了可能。自動(dòng)化農(nóng)機(jī)主要包括自主作業(yè)、自主駕駛。自主作業(yè)是指農(nóng)機(jī)能在指定區(qū)域內(nèi)完成規(guī)定強(qiáng)度和種類的作業(yè)任務(wù)；自主駕駛是指農(nóng)機(jī)能按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡自主進(jìn)行速度控制和運(yùn)行。在實(shí)際作業(yè)中，要想實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航設(shè)備與自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的有效整合，就需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、自動(dòng)駕駛、變量控制和有效通信等眾多環(huán)節(jié)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可通過RTK接收機(jī)進(jìn)行高精準(zhǔn)度定位，可為農(nóng)機(jī)的正常作業(yè)和運(yùn)行提供重要的位置信息；可通過北斗RDSS通信進(jìn)行管理中心與農(nóng)機(jī)之間的信息交換；可通過RTK多天線技術(shù)獲得重要的測(cè)量數(shù)據(jù)，為農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動(dòng)控制提供重要測(cè)量信息。

3 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中存在的不足

雖然北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用中獲得了較好的發(fā)展，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用過程中仍存在一定的缺陷和不足，比如系統(tǒng)的推廣和使用受到某些因素的制約，在某些領(lǐng)域中尚未推廣使用。具體體現(xiàn)在終端設(shè)備的研發(fā)較為落后，嚴(yán)重滯后于導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程，原因?yàn)榻K端設(shè)備的芯片研制成本較高、難度較大，且研發(fā)起步較晚。目前，由于國(guó)家對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用和開發(fā)的激勵(lì)力度不足，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域較小、資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，需要不斷改進(jìn)和完善，加大激勵(lì)力度，加快該系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用大大提升了我國(guó)信息化建設(shè)的水平，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化農(nóng)田管理工作，開啟了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新模式。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用北斗系統(tǒng)能合理控制對(duì)作物的播種、施肥、灌溉、收割等工作，有效減少了人力支出，更好地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的不斷完善，系統(tǒng)的功能和性能也在不斷完善和提升，該系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也加快了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的完善進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： At present， the Beidou navigation system has been widely used in various fields， such as military， agriculture， fishery， water conservancy project， road traffic management and geological monitoring， good results were obtained. The Beidou navigation system is summarized， and the application and shortage of Beidou navigation system in the field of agriculture in China are analyzed.

Key words： Beidou navigation system； agricultural field； application research； natural resources