農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星定位校正方法研究

夏利利 ， 卞兆娟

（江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 南京 210017）

0 引言

鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略是解決我國(guó)“三農(nóng)”問(wèn)題、優(yōu)化社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的根本路徑，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的支撐[1]。隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)領(lǐng)域[2]。其中，農(nóng)業(yè)機(jī)械的高精度定位是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)，其在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用正在迅速增長(zhǎng)。衛(wèi)星定位技術(shù)是獲取農(nóng)機(jī)田間位置的關(guān)鍵技術(shù)，利用精確的衛(wèi)星定位技術(shù)能實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)位置的精確獲取，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中安裝衛(wèi)星定位終端后，衛(wèi)星終端可通過(guò)與多個(gè)衛(wèi)星的連接實(shí)現(xiàn)定位[3]，并在地面衛(wèi)星基站的定位修正下實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度[4]，具有操作性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是高精度定位產(chǎn)品幾十萬(wàn)的高昂價(jià)格，使得這種高精尖的定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚不廣泛[5]。隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)經(jīng)濟(jì)的高精度定位校正方法的需求變得日益迫切。

為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度，許多學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展。王壯等[6]認(rèn)為對(duì)導(dǎo)航中GPS定位誤差分析，可采用目前應(yīng)用比較廣泛的差分技術(shù)及聯(lián)合卡爾曼濾波算法。劉進(jìn)一等[7]為解決實(shí)際農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的位姿信息易受跟蹤衛(wèi)星數(shù)動(dòng)態(tài)變化、天線遮擋、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等因素影響，造成定位精度和穩(wěn)定性變差的問(wèn)題，提出了基于GNSS/MIMU/DR的農(nóng)業(yè)機(jī)械組合導(dǎo)航定位方法，使其各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得到了明顯的改善。

為了解決高精度RTK設(shè)備價(jià)格昂貴的問(wèn)題，劉國(guó)有[5]以農(nóng)田導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用為首要目的，以美國(guó)Swift公司的Piksi定位模塊為基礎(chǔ)，構(gòu)建RTK系統(tǒng)進(jìn)行研究，使用濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終成功將PiksiRTK系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)田拖拉機(jī)上。此外，吳超[8]、吳東明等[9]、吳賽敏[10]提出基于視覺(jué)和GPS導(dǎo)航的組合導(dǎo)航方法，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提升定位精度，進(jìn)一步提升導(dǎo)航定位的精度。針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星會(huì)由于各種原因出現(xiàn)定位誤差的問(wèn)題，本文提出預(yù)測(cè)軌跡定位校正法來(lái)提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度，使其能夠在以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。該方法通過(guò)安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的GNSS接收器對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行定位，并對(duì)其接收到的坐標(biāo)進(jìn)行一次預(yù)測(cè)校正，隨后又測(cè)量一次校正軌跡與期望軌跡之間的偏差，再根據(jù)偏差進(jìn)行二次校正。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星定位校正系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)通信架構(gòu)

全球定位技術(shù)既用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)施的初始階段，也用于后期階段。初始階段主要包括坐標(biāo)定位，后期階段主要包括并行駕駛、控制和核算油耗、農(nóng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，必須使得至少兩個(gè)設(shè)備聯(lián)合工作：一個(gè)GNSS接收器和一個(gè)用于從GNSS接收器收集和處理信息的集中式服務(wù)器。系統(tǒng)組件之間交互的總體組織方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組件交互圖

在該方案中，可以分配3個(gè)部分，每個(gè)部分應(yīng)用不同的通信技術(shù)和協(xié)議：

1）在全球?qū)Ш较到y(tǒng)的衛(wèi)星和安裝在設(shè)備中的GNSS接收器之間，使用標(biāo)準(zhǔn)GPS NMEA-0183協(xié)議。

2）在GNSS接收器和服務(wù)器之間，使用Wialon IPS 1.1協(xié)議。GNSS接收器主要將其坐標(biāo)及其運(yùn)行所需的參數(shù)通過(guò)Wialon IPS協(xié)議傳輸?shù)椒?wù)器，如移動(dòng)開始后的時(shí)間、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可靠性系數(shù)（HDOP）、加速度傳感器的值、車載網(wǎng)絡(luò)的溫度和電壓等。

3）服務(wù)器和用戶之間的區(qū)域是通過(guò)HTTP或HTTPS與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)連接。

1.2 Wialon IPS協(xié)議的雙向授權(quán)

Wialon IPS在GNSS接收器和服務(wù)器之間支持雙向數(shù)據(jù)傳輸。通常，從GNSS接收器到服務(wù)器，傳輸GNSS接收器坐標(biāo)和前面描述的其他參數(shù)；從服務(wù)器到GNSS接收器則傳輸控制命令。為了數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的精準(zhǔn)定位，系統(tǒng)使用了基于Wialon IPS協(xié)議的雙向授權(quán)。

根據(jù)Wialon IPS協(xié)議，在建立連接時(shí)，GNSS接收器首先發(fā)送一個(gè)登錄數(shù)據(jù)包用于對(duì)服務(wù)器的訪問(wèn)，其中包含GNSS接收器的唯一標(biāo)識(shí)符，通常是密碼和國(guó)際移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí)。服務(wù)器對(duì)登錄數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析匹配，并將其存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。在服務(wù)器成功匹配了GNSS接收器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，服務(wù)器向GNSS接收器發(fā)送授權(quán)信息，然后服務(wù)器等待接收GNSS接收器的信息，當(dāng)服務(wù)器接收到正確的信息后，雙向授權(quán)完成，允許雙向交換數(shù)據(jù)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星定位校正試驗(yàn)

本次試驗(yàn)使用了UM220北斗模塊及其配套天線作為北斗定位接收設(shè)備和基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相關(guān)控制器。試驗(yàn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械為拖拉機(jī)，并且配備了上述GNSS接收器和控制系統(tǒng)，同時(shí)配備農(nóng)機(jī)輔助導(dǎo)引系統(tǒng)來(lái)校正定位誤差。農(nóng)機(jī)輔助導(dǎo)引系統(tǒng)的主要原理為預(yù)測(cè)軌跡定位校正法。

2.1 預(yù)測(cè)軌跡定位校正方法

預(yù)測(cè)軌跡定位校正法的示意圖，如圖2所示。該方法利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位精度的歷史數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以預(yù)測(cè)出全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度，根據(jù)預(yù)測(cè)定位精度和期望軌跡可以預(yù)測(cè)出校正前實(shí)際軌跡大概的坐標(biāo)，校正前的實(shí)際軌跡與期望軌跡的誤差很大，因此必須對(duì)此時(shí)的實(shí)際軌跡進(jìn)行坐標(biāo)校正。首先，根據(jù)預(yù)測(cè)定位精度對(duì)實(shí)際定位坐標(biāo)進(jìn)行修正，使實(shí)際定位坐標(biāo)校正到與期望軌跡相近的坐標(biāo)，這一過(guò)程稱為一次校正，得到的曲線稱為一次校正預(yù)測(cè)軌跡。在一次校正完成以后，進(jìn)行二次校正，二次校正通過(guò)測(cè)量一次校正預(yù)測(cè)軌跡與期望軌跡之間的誤差，假設(shè)期望軌跡的坐標(biāo)為(X0(t),Y0(t))，一次校正預(yù)測(cè)軌跡的坐標(biāo)為(X1(t),Y1(t))，可以根據(jù)以下方程式確定每次測(cè)量時(shí)一次校正預(yù)測(cè)軌跡與期望軌跡的誤差(bias(t))：

圖2 預(yù)測(cè)軌跡定位校正法示圖

然后對(duì)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以此來(lái)校正農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度，二次校正后得到的軌跡即農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡。從上述論述中可以看出，預(yù)測(cè)定位精度是相對(duì)于GNSS接收器而言的，因此GNSS接收器的位置應(yīng)該置于期望軌跡之上，因此本試驗(yàn)將GNSS接收器設(shè)置在農(nóng)業(yè)機(jī)械的中間位置。

2.2 定位校正分析

本研究首先使用了基于北斗信號(hào)接收器的智能設(shè)備定位法進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)這一試驗(yàn)可以得到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位精度的大量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些定位精度數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)出初始的定位精度；隨后的預(yù)測(cè)定位精度由兩部分?jǐn)?shù)據(jù)共同產(chǎn)生，一部分是上述的定位精度數(shù)據(jù)，另一部分是農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前一時(shí)刻的定位精度數(shù)據(jù)。

在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)機(jī)輔助導(dǎo)引系統(tǒng)再次進(jìn)行試驗(yàn)。兩次試驗(yàn)分別重復(fù)進(jìn)行兩次，以此來(lái)保證試驗(yàn)的可靠性，在50個(gè)輔助觀測(cè)點(diǎn)處分別記錄一次校正后的軌跡、二次校正后的軌跡與期望軌跡的偏差，以此來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)軌跡定位校正法，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 智能設(shè)備定位法校正精度

圖4 一次校正校正精度

圖5 二次校正校正精度

圖3的試驗(yàn)結(jié)果是使用基于北斗信號(hào)接收器的智能設(shè)備定位法的結(jié)果，其主要反映了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度在2.3 m左右，這為后續(xù)定位精度的預(yù)測(cè)提供了大量的數(shù)據(jù)。圖4的試驗(yàn)結(jié)果是進(jìn)行一次校正后得到的結(jié)果，從中可以看出，一次校正大幅度降低了與期望軌跡的誤差。圖5的試驗(yàn)結(jié)果是二次校正后的結(jié)果，也即校正后的實(shí)際軌跡與期望軌跡的偏差，從中可以看出，此時(shí)的定位精度已經(jīng)可以滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械的正常作業(yè)了。因此，預(yù)測(cè)軌跡定位校正法的效果值得肯定。

3 總結(jié)

本研究首先對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星定位校正系統(tǒng)進(jìn)行了概述，介紹了其主要的通信協(xié)議以及為了數(shù)據(jù)安全而開發(fā)的一種基于Wialon IPS協(xié)議的雙向授權(quán)算法。在此基礎(chǔ)上，在農(nóng)機(jī)輔助導(dǎo)引系統(tǒng)中運(yùn)用了預(yù)測(cè)軌跡定位校正法，對(duì)只有北斗信號(hào)接收器的農(nóng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)配有農(nóng)機(jī)輔助導(dǎo)引系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)兩次試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得出預(yù)測(cè)軌跡定位校正法可以顯著降低定位誤差，提高定位精度，滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械的正常作業(yè)。如果要進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位精度，筆者認(rèn)為需要進(jìn)行更多試驗(yàn)，積累更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練，從而提升對(duì)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位精度的預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化一次校正的預(yù)測(cè)坐標(biāo)，最后改善二次校正的精度。