北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制、獨(dú)立運(yùn)行,并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS包括北斗一號和北斗二號兩代導(dǎo)航系統(tǒng)。其中,北斗一號于2003年建成,是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng),也稱雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng),屬于有源定位系統(tǒng),是主動式雙向測距二維導(dǎo)航,由地面中心控制系統(tǒng)解算,提供給用戶三維定位數(shù)據(jù),具備短報(bào)文功能,但其系統(tǒng)容量有限。北斗二號屬于無源定位系統(tǒng),同時(shí)具備短報(bào)文通信能力。截至2012年底,北斗二號已發(fā)射了16顆衛(wèi)星,其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù),初步具備覆蓋亞太大部分區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力,定位精度10 m,測速精度0.2 m/s,授時(shí)精度10 ns。北斗二號計(jì)劃于2020年左右形成全球覆蓋能力,將在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度高可靠性定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)(以下所稱BDS指北斗二號)。
BDS單頻定位精度為10 m,雙頻定位精度從10 m躍升至米級、甚至分米級。在實(shí)際應(yīng)用中,多采用基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度,如在北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬畝示范區(qū)應(yīng)用示范的國內(nèi)首個(gè)“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目”就是采用田間差分基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)利用已知精確三維坐標(biāo)的差分基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測,計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離修正數(shù),并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)發(fā)送修正數(shù)據(jù)。用戶接收機(jī)在進(jìn)行觀測的同時(shí),也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的修正數(shù),并對其定位結(jié)果進(jìn)行修正,從而提高定位精度。
為提高BDS定位精度,各地開始建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)(也可稱為“北斗精密定位服務(wù)系統(tǒng)”),它以BDS為主,可兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過在一定區(qū)域布設(shè)若干個(gè)BDS連續(xù)運(yùn)行參考基站(CORS),對區(qū)域定位誤差進(jìn)行整體建模,通過無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)向用戶播發(fā)定位增強(qiáng)信息(導(dǎo)航信號修正量和輔助定位信號),提高用戶的定位精度。通俗來講,它實(shí)際是在地面建立“站點(diǎn)”,利用地面的“網(wǎng)絡(luò)”來增強(qiáng)天上“網(wǎng)絡(luò)”的定位導(dǎo)航精度[1]。湖北已建成國內(nèi)首個(gè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),上海、重慶也相繼建成。
BDS與航空農(nóng)業(yè)結(jié)合是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展和延伸,其優(yōu)勢是省時(shí)省力不誤農(nóng)時(shí),可完成地面機(jī)械無法完成的項(xiàng)目,節(jié)約種子、農(nóng)藥和化肥,降低成本[2]。BDS在農(nóng)業(yè)航空方面的應(yīng)用主要在播種、植保和施肥領(lǐng)域。在航空作業(yè)前,作業(yè)規(guī)劃人員通過手持北斗用戶終端測量確定作業(yè)區(qū)域的邊界,或通過已有電子地圖確定作業(yè)邊界,形成作業(yè)區(qū)域地圖,并規(guī)劃出作業(yè)航路圖。作業(yè)時(shí),飛機(jī)采用北斗導(dǎo)航儀沿著規(guī)定路線作業(yè),有效避免重復(fù)和遺漏。需要重新加載化肥種子或農(nóng)藥時(shí),通過讀取北斗導(dǎo)航儀記錄的上次結(jié)束作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),待繼續(xù)作業(yè)時(shí)從該關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)繼續(xù)作業(yè)。通過北斗導(dǎo)航儀獲取的飛行軌跡、噴霧系統(tǒng)開與關(guān)、飛行速度等信息,可輸入地理信息系統(tǒng)(GIS)系統(tǒng)中,用以分析作業(yè)質(zhì)量等。
測土配方施肥技術(shù)是指通過對土壤進(jìn)行測試,及時(shí)掌握土壤的肥力狀況,并按照不同農(nóng)作物的需肥特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要進(jìn)行肥料用量和配比,以促進(jìn)農(nóng)作物對肥料的吸收,提高肥料的利用效率,促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn),是一種科學(xué)、有效的施肥方法[3]。采用北斗用戶終端定位,進(jìn)行土壤采樣,記錄采樣位置,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤測試,測試結(jié)果通過GIS繪制土壤養(yǎng)分空間分布圖(包括pH值、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)層等成分的分布情況),結(jié)合作物對肥料的需求特征,決定肥料的最佳施用量,在GIS中繪制變量施肥處方圖。施肥作業(yè)時(shí),根據(jù)施肥處方圖控制不同位置的施肥量。
采用類似方法,BDS可用于病蟲害處方防治和土壤污染情況監(jiān)測、大田水份和溫度監(jiān)測、產(chǎn)量監(jiān)測等農(nóng)田信息采集。
農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)始于1996年,發(fā)展至2014年,跨區(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)數(shù)量已由最初的2.3萬臺增加至30萬臺,對搶種搶收、保農(nóng)時(shí)發(fā)揮了重要作用??鐓^(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī)監(jiān)管通過監(jiān)管服務(wù)平臺和農(nóng)機(jī)車載終端實(shí)現(xiàn)。監(jiān)管服務(wù)平臺是整個(gè)監(jiān)管系統(tǒng)的中心,可及時(shí)向車載系統(tǒng)播發(fā)相關(guān)信息,接收車載終端發(fā)送來的位置信息、求助信息等,還將農(nóng)機(jī)位置顯示于電子地圖上,以便合理有序地引導(dǎo)跨區(qū)作業(yè)農(nóng)機(jī),減少農(nóng)機(jī)供大于求或供不應(yīng)求情況。農(nóng)機(jī)車載終端指北斗用戶終端,機(jī)手可通過它及時(shí)接收服務(wù)平臺播發(fā)的天氣預(yù)報(bào)和作業(yè)需求等信息,農(nóng)機(jī)作業(yè)期間出現(xiàn)故障或事故,機(jī)手也可及時(shí)求助。
拖拉機(jī)自動駕駛技術(shù)的使用可保證精確的作業(yè)行距、方向及間距,并且長時(shí)間作業(yè)無須常規(guī)標(biāo)記,在降低人工技術(shù)需求的同時(shí)提高了作業(yè)精度[4]。拖拉機(jī)自動駕駛系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航控制、路徑規(guī)劃、自動轉(zhuǎn)向、自動變速等關(guān)鍵技術(shù)[5]。我國自主研發(fā)的BDS將深入應(yīng)用于拖拉機(jī)自動駕駛,實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)自動駕駛系統(tǒng)的導(dǎo)航控制,服務(wù)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè),應(yīng)用前景廣闊。在BDS定位精度難以滿足自動駕駛需求的作業(yè)區(qū)域,建立田間差分基準(zhǔn)站,提高定位精度使其滿足自動駕駛精度要求。在田間作業(yè)區(qū)域的電子地圖上事先設(shè)定合理的作業(yè)路線,避免漏耕和重耕。作業(yè)時(shí),實(shí)時(shí)接收BDS定位信號,進(jìn)行導(dǎo)航控制,并通過自動轉(zhuǎn)向和自動變速等技術(shù)設(shè)定路線作業(yè)。但是,農(nóng)田機(jī)械自動導(dǎo)航并不意味著不需要操作者,因?yàn)檎嬲裏o人操作的農(nóng)田機(jī)械除了要實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航外,還要實(shí)現(xiàn)其他工作過程的最優(yōu)化和自動化,這比僅實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航技術(shù)更難,成本更高[6]。農(nóng)機(jī)自動駕駛可有效提高農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量,節(jié)約燃油,爭搶農(nóng)時(shí),將在耕地、整地、起壟、播種、施肥、植保、收獲等諸多田間作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。
BDS用于機(jī)耕道、農(nóng)田灌排渠道選線測量時(shí),比傳統(tǒng)測繪省時(shí)省力。在傳統(tǒng)測繪中,一般以平面測量為主,在確定主線點(diǎn)平面位置后采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行地面高程測量,需要進(jìn)行兩次不同空間測量才能計(jì)算出主線點(diǎn)立體坐標(biāo)。依靠BDS進(jìn)行選線,首先需要采用基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)確保定位精度,此外只需北斗接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號,就能一次性對某一點(diǎn)位進(jìn)行三維坐標(biāo)定位。在機(jī)耕道、農(nóng)田排灌渠道選線測量過程中,遇到障礙物或山坡、河流時(shí),用北斗接收機(jī)取點(diǎn)、增補(bǔ)點(diǎn)簡單快捷,能準(zhǔn)備定位其位置信息,而傳統(tǒng)測繪取點(diǎn)和增補(bǔ)點(diǎn)工作量大,需要反復(fù)測量,增加控制點(diǎn)的數(shù)量。
地籍測繪是對宗地權(quán)屬界線的界址點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確測定,并把宗地及其附著物的位置、面積、權(quán)屬關(guān)系和利用狀況等地籍要素準(zhǔn)確繪制出來的測繪工作。隨著BDS建設(shè)的加強(qiáng)和終端技術(shù)設(shè)備的不斷進(jìn)步,特別是BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的逐步建立和基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)的快速發(fā)展,定位精度越來越高,BDS在地籍繪制、道路渠道選線測繪中有非常廣闊的應(yīng)用前景。
BDS具有定位、測速和授時(shí)功能,在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用主要是定位和測速功能。除上文所述具體應(yīng)用外,BDS還可以應(yīng)用于農(nóng)村規(guī)劃、農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)產(chǎn)品物流等方面。
BDS與GIS、RS相結(jié)合,應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是BDS在農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)上應(yīng)用的一大趨勢。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式,其核心技術(shù)是3S技術(shù)(RS、GIS和GPS的統(tǒng)稱)和計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)[7]。BDS主要用于田間信息的定位采集、田間操作的準(zhǔn)確定位和農(nóng)業(yè)機(jī)械的測速;RS和傳感器監(jiān)測系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集和田間作業(yè)監(jiān)測;GIS則對作物產(chǎn)量分布、地形地貌、土壤類別、土壤分析結(jié)果、農(nóng)藥化肥使用情況等各種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和加工處理,繪制分布圖,并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)給農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng),供其形成施肥、灌水、施藥等田間操作決策。
BDS與GIS、RS相結(jié)合,促進(jìn)精準(zhǔn)播種、大田監(jiān)測、處方農(nóng)業(yè)、作物產(chǎn)量監(jiān)測、智能化農(nóng)機(jī)作業(yè)等應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè),將充分發(fā)揮精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)保、資源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)高效的作用,推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。
智能農(nóng)機(jī)是指裝備有中央處理芯片(CPU)和各種各樣的傳感器或無線通訊系統(tǒng)的現(xiàn)代化農(nóng)機(jī),其特點(diǎn)是智能農(nóng)機(jī)的中央處理器芯片能對傳感器傳回的信號或?qū)χ悄苻r(nóng)機(jī)的其他功能等多個(gè)功能進(jìn)行智能化控制。
BDS應(yīng)用于智能農(nóng)機(jī)將成為農(nóng)機(jī)的“眼睛”,起到引路作用。
[1]彭燁煒.專訪武大施闖教授:讓"北斗"實(shí)現(xiàn)高精度.http://www.cnhubei.com/xwzt/2013/bdw xdh/mtjj/201304/t2546167.shtml.2013-04-22
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