衛(wèi)星定位技術在農業(yè)機械上的應用及發(fā)展分析

呂明杰

摘 要：我國是農業(yè)生產的大國，近年來我國農業(yè)機械發(fā)展迅猛，衛(wèi)星定位技術是現(xiàn)代農業(yè)機械動化的關鍵技術，在一定程度上引領者農業(yè)機械未來的發(fā)展方向，介紹了農業(yè)機械中應用衛(wèi)星定位技術的相關知識，說明了衛(wèi)星定位技術在農業(yè)機械領域應用的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)階段存在的問題，并說明了衛(wèi)星定位技術在我國農業(yè)機械領域未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：衛(wèi)星定位；農業(yè)機械；精確農業(yè)；自動化

中圖分類號：S220 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.08.010

0 前言

農業(yè)是我國的重要產業(yè)之一，農業(yè)機械技術的發(fā)展關系到我國農業(yè)的各個方面，是國計民生的大事。雖然我國的耕地面積很大，但是由于人均耕地較少且質量較差耕地所占的比例較大，按照傳統(tǒng)的耕作模式，農業(yè)產量難以滿足農民的日常生活需要，這就需要先進的農業(yè)機械來提高農業(yè)作業(yè)效率，從而提高農產品的產量，使農民獲得更多的收益。近年來，隨著我國農業(yè)技術的發(fā)展，種植戶的農田呈現(xiàn)多承包和面積擴大化的特點，在此趨勢下，為了能夠更好的進行分析和處理田間問題，提高先進農業(yè)機械作業(yè)的可靠程度，在農業(yè)機械中應用衛(wèi)星定位技術將起到關鍵作用。衛(wèi)星定位技術也被稱作GPS技術，它是一種利用衛(wèi)星技術及通訊技術進行測時和測距的先進技術。尤其是在平原地區(qū)的農田進行大范圍的農業(yè)機械化作業(yè)時，更需要重視GPS技術的使用，現(xiàn)階段的GPS技術不僅可進行全球衛(wèi)星定位服務，甚至可以和其他學科結合，進行地理條件分析、氣候預測以及進行種植技術的推薦等工作。GPS技術是現(xiàn)代精準農業(yè)概念下的一個重要組成部分，它能夠在很大程度上節(jié)省農業(yè)作業(yè)的各項投入，促使農業(yè)合理化，提高農作物產量和效益，并有利于環(huán)境和土地資源的保護。

1 衛(wèi)星定位技術及農機GPS發(fā)展過程介紹

1.1 衛(wèi)星定位技術介紹

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱GPS）由美國科學家在20世紀 70年代進行開發(fā)和研究，并在1994年全面推向市場，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用全新一代衛(wèi)星設備使其成為具有定位能力和導航能力的一套高技術系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)是包含了24顆衛(wèi)星所組成的系統(tǒng)，它可以保證在地球上任何一個位置和任何一個時刻都能被四顆衛(wèi)星所觀測到，以確保衛(wèi)星可以準確的采集到觀測位置的經(jīng)緯度和高度信息，從而實現(xiàn)定位、導航、授時等功能。它可以對飛機、船舶或車輛進行安全和準確的導航及路線規(guī)劃，并通過衛(wèi)星的實時定位提供更加準確的信息。

1.2 國際農機GPS技術發(fā)展介紹

在20世紀90年代，GPS技術在美國開始逐步地應用于農業(yè)機械之上，GPS技術以其精度高、操作簡單、速度快、成本低等優(yōu)勢被各種農業(yè)機械廣泛采用，例如播種機、中耕機、收獲機以及拖拉機等。1992年，一所美國大學的科學研究人員通過多次試驗，在農業(yè)灌溉機械上應用了GPS技術，取得了很有價值的成果，在通過農用飛機對大面積農田進行植?；驗⑺喔茸鳂I(yè)時，利用GPS 航空導航系統(tǒng)事先設置好飛機的飛行速度、飛行高度以及飛行路線，成功的完成了大面積的田間灌溉作業(yè)，并且精確的引導飛行員進行噴灑作業(yè)的銜接，提高了噴灑的覆蓋面積和作業(yè)的可靠程度。至今，美國的農業(yè)機械超過50%使用GPS與網(wǎng)絡連接作業(yè)，幾乎所有的中大型農場都配備了帶有GPS的定位系統(tǒng)。很多的聯(lián)合收獲機裝備了GPS模塊，通過便捷的導航系統(tǒng)，可實現(xiàn)農業(yè)機械的全自動化作業(yè)，同時，通過GPS與互聯(lián)網(wǎng)相連接可以實時的將對應位置的產量和糧食質量等信息傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)，方便以后的農業(yè)耕作。在日本，某農業(yè)研究機構自動化無人播種機就利用GPS系統(tǒng)的精準定位技術來進行播種，其播種誤差在8 cm以內，而隨著技術開發(fā)的不斷完善，該中心所推出的稻田插秧機的插秧精度可控制在2 cm之內。近年來，日本在農業(yè)機械方面還在大力探索無人駕駛技術，由日本北海道大學與日本某家農業(yè)機械廠聯(lián)合開發(fā)的無人駕駛拖拉機可以實現(xiàn)從農機具倉庫到農場的全程無人駕駛， 它利用GPS測量技術進行瞬間定位， 精確程度極高。

1.3 我國農機GPS技術發(fā)展過程

全球衛(wèi)星定位技術在我國農業(yè)機械上的應用較晚，精確農業(yè)概念于1994年被我國農業(yè)機械專家建立為研究課題，此后展開了對于GPS技術在農業(yè)機械之中的研究，并將此研究列入國家引進國際先進農業(yè)科學技術項目，我國農業(yè)機械專家與其他領域專家配合在多地建立了農業(yè)機械全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的試驗基地，通過對國外先進技術的學習和考察，引進了大量的先進GPS設備，進行了卓有成效的研究和創(chuàng)新，為我國衛(wèi)星定位技術在農業(yè)機械中的使用奠定了理論基礎。到20世紀末，我國科研機構及高等院校對衛(wèi)星定位技術的應用性研究取得了長足的進步。我國GPS技術在農業(yè)機械中的應用在技術層面已經(jīng)相當成熟，下圖為我國北斗衛(wèi)星導航技術在拖拉機上的應用展示。

至今，伴隨著我國農村地區(qū)的快速發(fā)展，國家也積極建設了大量的基礎工程，這使農業(yè)機械應用GPS技術變得更加便捷，同時農業(yè)機械發(fā)展的高技術化也拉近了與GPS技術之間的距離，現(xiàn)階段我國的農業(yè)機械處于一個技術、制造、配套設施齊備的高平臺之上，這為農業(yè)機械全自動化發(fā)展提供了新的機遇，隨著各地區(qū)GPS跟蹤站的逐步建立和我國自主BDS技術的研制成功，GNSS技術在我國農業(yè)機械上的應用也正朝著更深的層次發(fā)展。

2 GPS技術在農業(yè)機械上應用存在的問題

雖然衛(wèi)星定位技術應用在農業(yè)機械領域有著精確定位、導航、實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及作業(yè)質量與產量的實時監(jiān)測等眾多好處，但是由于我國的實際情況限制，衛(wèi)星定位技術在我國農業(yè)機械上的發(fā)展還存在很多問題。

（1） 我國的耕地面積較大，不同地區(qū)的農業(yè)用地存在的地形地貌差異很大，除了我國北方平原地區(qū)的農業(yè)耕地大面積相連接以外，剩余的地區(qū)由于地形不平和地塊面積小等問題，不利于大規(guī)模的農業(yè)機械化作業(yè)，同時由于土壤、地勢、氣候等條件的限制，能夠使用的農業(yè)機械也各不相同，這就造成農業(yè)機械在自動化程度、種類以及型號等各個方面極為雜亂，在半自動化地區(qū)更不利于GPS技術的普及和使用。

（2） 由于衛(wèi)星定位技術所包含的知識極為廣泛，所依托的技術層面和科學類別也很多，單獨應用于農業(yè)機械的衛(wèi)星定位技術的研發(fā)存在著較多的問題，而現(xiàn)階段專門應用于農機衛(wèi)星定位研究的經(jīng)費有限、科研團隊及從業(yè)人員較少、農業(yè)機械GPS行業(yè)的利潤較低等因素，都限制了農業(yè)機械衛(wèi)星定位技術的發(fā)展。

（3） 現(xiàn)階段我國的衛(wèi)星定位技術大部分依托于引進技術，這個過程所消耗的經(jīng)費極高，且發(fā)展速度相對于發(fā)達國家更慢，雖然我國自主GPS技術已研制成功，但現(xiàn)階段應用范圍較小，農業(yè)機械的使用更少。

（4） 由于技術進口和GPS系統(tǒng)技術含量高，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安裝和使用費用較高，很多農場及農村家庭無法承擔這項費用，在一定程度上制約了GPS技術的推廣。

（5） GPS系統(tǒng)需要進行專業(yè)的培訓才能操作和使用，農民在使用過程中存在一定難度，且農民對GPS突發(fā)問題的處理能力較弱，現(xiàn)階段專門從事GPS技術服務的人員較少，服務水平參差不齊。

（6） 現(xiàn)階段我國市場上的農業(yè)機械所使用的GPS產品存在著功能不全、品種單一和質量不過關等問題，很多產品不進行技術研發(fā)，一味仿造國外先進品牌，在技術的理解和開發(fā)能力上都存在一定的欠缺。

3 農業(yè)機械GPS技術發(fā)展方向展望

由于我國的人口眾多，對糧食等農產品的需求量很大，這對新時期我國農業(yè)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，衛(wèi)星定位技術作為農業(yè)機械自動化的關鍵技術，理應成為當前的研究重點，現(xiàn)階段GPS對農機的導航和定位已經(jīng)可以在一定程度上提高農業(yè)機械的工作效率和作業(yè)質量，還能減輕農機駕駛人員的工作強度，盡管如此，由于農業(yè)機械的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，這就要求導航系統(tǒng)具有很高的適應能力，以針對不同情況下的農業(yè)機械作業(yè)，例如在衛(wèi)星信號受到干擾的情況下，應該運用更為先進的分析技術或視覺導航技術保證農業(yè)機械能夠行駛出信號較弱區(qū)域。再例如農業(yè)機械在預定路線行駛中遇到突發(fā)情況需調整行駛路線，或在已經(jīng)改變行駛路線的情況下，要求導航系統(tǒng)能夠及時的設計新的工作路線，以保證農業(yè)作業(yè)的可靠程度。農業(yè)機械的GPS傳感器需要有一定的適應能力，能夠應對噪音、氣候、地理環(huán)境等多方因素的干擾，從而適應農業(yè)機械在工作時的復雜環(huán)境，保證農業(yè)機械的工作效率。

現(xiàn)階段，我國仍需大力提升衛(wèi)星定位技術在農業(yè)機械領域的研發(fā)力度，尤其是在平原地區(qū)大面積的連接田地，衛(wèi)星定位技術可以在播種、收獲、灌溉等易于實現(xiàn)農業(yè)機械自動化的作業(yè)環(huán)境中起到相當大的作用。衛(wèi)星定位技術將引導農業(yè)機械向著更實用的方向發(fā)展。近年來，對于蔬菜、瓜果的自動收獲機器人也相繼研發(fā)成功，農業(yè)行進機械在GPS定位和導航的控制下，向著無人駕駛和自動收獲前進。國際農機發(fā)展經(jīng)驗告訴我們，現(xiàn)代農業(yè)未來的發(fā)展方向是精確農業(yè)，GPS技術作為精確農業(yè)中重要組成部分，它在精確農業(yè)中的應用必不可少。

4 結束語

近年來，我國農業(yè)機械技術逐漸向著現(xiàn)代化方向發(fā)展，呈現(xiàn)出信息化、自動化、 精確化、規(guī)模化等特點，在農業(yè)機械中應用衛(wèi)星定位技術，并將它與網(wǎng)絡技術、自動控制技術和計算機技術有機地結合起來，能夠極大地提高農業(yè)機械的自動化和智能化程度。我國作為農業(yè)大國，人均耕地面積較少，這就要求我國必須盡快完成農業(yè)機械自動化進程，以提高農業(yè)的耕作效率，提高農作物產量。而目前我國對于精確農業(yè)方面的研究力度還不夠，對于衛(wèi)星定位技術在農機上應用的重視程度也還不足，但相信，隨著科學技術的不斷發(fā)展，GPS技術在農業(yè)機械領域的應用會越來越廣泛，我國的農業(yè)機械技術也會有質的飛躍。

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