我國農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端技術(shù)性能分析

○農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化總站 王揚(yáng)光 王慶厚 彭俊明 李 博

近年來，黨中央、國務(wù)院高度重視農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備轉(zhuǎn)型升級，明確提出“加快大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)和應(yīng)用，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化”。 加快運(yùn)用電子計算機(jī)、現(xiàn)代通信、智能控制、導(dǎo)航定位等信息技術(shù)，推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備向信息化、智能化發(fā)展，是農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必然要求，是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展方式的重要手段，是提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展質(zhì)量效益的重要舉措，對于增加農(nóng)機(jī)用戶收入、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)抗風(fēng)險能力，加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有十分重要的意義。

農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端主要由主機(jī)、天線、數(shù)據(jù)處理平臺和各類傳感器組成，安裝于拖拉機(jī)、收割機(jī)及插秧機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械上，通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動通信技術(shù)和計算機(jī)處理技術(shù)，可實現(xiàn)機(jī)具定位、作業(yè)面積計算、故障上報等功能，是農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化、智能化的現(xiàn)實應(yīng)用。本文結(jié)合工作實踐，對我國農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端定位精度、作業(yè)面積誤差等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，梳理出農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端委托檢驗中的有關(guān)建議，以期為業(yè)界同行提供借鑒參考。

一、監(jiān)測終端定位類型及原理

1.定位類型。

農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的定位類型可分為單點(diǎn)定位和差分定位兩種，差分定位又分為偽距差分定位和載波相位差分定位兩種。根據(jù)2020年度申請農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端委托檢驗的19家企業(yè)的24個產(chǎn)品，表1顯示了各種類型監(jiān)控終端的分布。由表1可見，差分定位占了近9成，載波相位差分定位的監(jiān)測終端占比接近60%，是當(dāng)前農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端最主流的定位類型。

表1 監(jiān)測終端定位類型分布

2.定位原理。

（1）單點(diǎn)定位。

單點(diǎn)定位即以衛(wèi)星和監(jiān)測終端信號接收機(jī)之間的距離觀測量為基準(zhǔn)，利用已知的衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)來確定監(jiān)測終端（農(nóng)業(yè)機(jī)械）在地球坐標(biāo)系中所處位置的定位方法，這一位置在坐標(biāo)系中是唯一的，所以也稱為絕對定位。單點(diǎn)定位系統(tǒng)僅需用監(jiān)測終端信號接收機(jī)即可實現(xiàn)獨(dú)立定位，數(shù)據(jù)處理簡單，接收機(jī)價格便宜。但由于單點(diǎn)定位受導(dǎo)航衛(wèi)星星歷誤差和大氣延遲誤差等影響，定位精度不高，動態(tài)單點(diǎn)定位精度一般僅有10～40m。

精密單點(diǎn)定位（PPP）是近年來發(fā)展的新技術(shù)，它利用國際GNSS服務(wù)組織提供的高精度的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差對監(jiān)測終端接收的載波相位或測碼偽距觀測值進(jìn)行解算，實現(xiàn)高精度定位的一種方法。精密單點(diǎn)定位精度可達(dá)20～40cm，甚至可以實現(xiàn)厘米級精度，但初始化時間長，信號易丟失，且技術(shù)成熟度不及差分定位技術(shù)。

（2）差分定位。

差分定位是使用監(jiān)測終端信號接收機(jī)與設(shè)置在坐標(biāo)已知點(diǎn)（基準(zhǔn)站）上的衛(wèi)星接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，確定監(jiān)測終端（農(nóng)業(yè)機(jī)械）相對于基準(zhǔn)站的位置，也就是相對位置。差分定位是相對定位的一種實現(xiàn)方式。差分定位的基本方法是在定位區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個或若干個基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站連續(xù)跟蹤觀測視野內(nèi)的衛(wèi)星，經(jīng)與已知距離對比，得出偽距修正值（也稱差分修正參數(shù)），修正值按一定格式播發(fā)到監(jiān)測終端的接收機(jī)上，監(jiān)測終端跟蹤觀測距衛(wèi)星的距離，同時接收基準(zhǔn)站發(fā)來的偽距修正值，對相應(yīng)的衛(wèi)星距離進(jìn)行修正，用修正后的偽距進(jìn)行定位。差分定位可以削弱衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射誤差和接收機(jī)鐘差對定位結(jié)果的影響，因此差分定位的定位精度高。根據(jù)觀測值類型，差分定位可分為偽距差分定位、載波相位差分定位。

偽距差分定位：偽距差分定位（RTD）是利用衛(wèi)星測距碼信號進(jìn)行差分定位的方法，是目前用途最廣的一種測距定位技術(shù)，具有定位速度快，無多值性問題等優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星測距碼有C、A碼和P碼兩種，C/A碼差分定位精度可達(dá)3m，P碼差分定位精度可達(dá)到30cm。

載波相位差分定位：載波相位差分定位（RTK）是利用衛(wèi)星信號的載波相位觀測值和差分觀測值進(jìn)行差分定位的方法。載波相位差分定位利用的載波相位解算技術(shù)，可以達(dá)到厘米級的定位精度，主要問題是相位解算復(fù)雜。

二、監(jiān)測終端技術(shù)性能分析

1. 整體技術(shù)性能分析。

農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的主要技術(shù)指標(biāo)為水平定位精度和作業(yè)面積測量誤差。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水平定位精度應(yīng)≤2m，且水平定位精度≤2m的點(diǎn)數(shù)合格率應(yīng)達(dá)到80%，作業(yè)面積誤差應(yīng)小于3%。

表2是24臺監(jiān)測終端主要技術(shù)指標(biāo)的檢驗結(jié)果統(tǒng)計。整體上看，監(jiān)測終端的水平定位精度、水平定位精度≤2m的點(diǎn)數(shù)合格率、作業(yè)面積誤差等技術(shù)性能指標(biāo)的均值都滿足合格判定要求，說明我國農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端產(chǎn)品的技術(shù)性能水平較高。但從每項技術(shù)指標(biāo)看，不同產(chǎn)品的技術(shù)性能存在較大差異，如水平定位精度最小值為0.07m，最大值則達(dá)到了2.19m，兩者相差2.12m，作業(yè)面積誤差最大值是最小值的79.9倍，且水平定位精度和作業(yè)面積誤差指標(biāo)的最大值都不滿足合格判定要求。

表2 監(jiān)測終端檢驗結(jié)果統(tǒng)計

引起農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端間技術(shù)性能差別的因素有很多，其中主要原因一是主機(jī)板卡配置及定位類型不同，二是數(shù)據(jù)處理平臺對作業(yè)軌跡識別能力有差距，作業(yè)面積算法不同。

2.不同定位類型技術(shù)性能分析。

將監(jiān)測終端產(chǎn)品按定位類型劃分，然后統(tǒng)計技術(shù)性能指標(biāo)，如表3所示。從表中可知，采用載波相位差分定位的檢測終端技術(shù)性能最好，其水平定位精度最高，所有產(chǎn)品水平定位精度≤2m的點(diǎn)數(shù)合格率均為100%，水平定位精度平均值較偽距差分定位終端提高了2.37倍，較單點(diǎn)定位終端提高了4.09倍，其作業(yè)面積誤差也最小，是偽距差分定位終端的44.9%，是單點(diǎn)定位終端的23.6%；采用偽距差分定位的監(jiān)測終端技術(shù)性能的均值都滿足合格判定要求，其技術(shù)性能全面優(yōu)于單點(diǎn)定位的終端技術(shù)性能；從各定位類型檢驗合格項占全部檢驗項的比例（合格項占比）也可得出相同判斷。由此可以得出農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端技術(shù)性能與終端定位類型密切相關(guān)，定位類型定位精度高，監(jiān)測終端技術(shù)性能就好。

表3 終端監(jiān)測檢驗結(jié)果分類統(tǒng)計

三、結(jié)論與建議

基于農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端檢驗結(jié)果，本文分析了監(jiān)測終端的定位原理和技術(shù)性能。分析得出，我國農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端核心性能指標(biāo)的均值滿足合格判定要求，整體上具有較高水平，但不同監(jiān)測終端間技術(shù)性能存在一定差別，從監(jiān)測終端不同定位類型分析，載波相位差分定位的監(jiān)測終端技術(shù)性能最好，偽距差分定位的監(jiān)測終端技術(shù)性能居中，單點(diǎn)定位的監(jiān)測終端技術(shù)性能相對較差。

針對農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端現(xiàn)場檢驗實施情況和檢驗結(jié)果分析，對委托企業(yè)提出以下建議：

一是要與檢驗機(jī)構(gòu)技術(shù)人員進(jìn)行充分溝通。提前了解對監(jiān)測終端在檢驗方法、檢驗項目、設(shè)備安裝調(diào)試和采集數(shù)據(jù)格式等方面的要求，以提高現(xiàn)場工作效率，保證檢驗數(shù)據(jù)真實可追溯。

二是要選擇適宜的試驗用地。試驗用地面積應(yīng)不少于0.33 hm2，地勢平坦，地表整潔，視野開闊，視場內(nèi)障礙物的環(huán)視高度角不宜超過15°，且遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓輸電線和大型建筑物等，以避免衛(wèi)星信號受干擾，影響定位精度。

三是加強(qiáng)市場調(diào)研，提升售后服務(wù)水平。監(jiān)測終端在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用尚處于起步階段，一方面企業(yè)要加強(qiáng)市場研究，切實滿足農(nóng)機(jī)用戶生產(chǎn)的實際需求，并以此契機(jī)加大研發(fā)力度，向農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)的信息化、智能化、無人化方向拓展；另一方面大多數(shù)農(nóng)機(jī)用戶首次使用農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，對其工作原理、功能組成缺少了解，很難排除使用中出現(xiàn)的故障，因此企業(yè)要提高服務(wù)意識，從咨詢培訓(xùn)、配件供應(yīng)、及時維修等方面提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)保障。