吉輝利，王　熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估方法研究

吉輝利，王熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的過程中，農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航自動駕駛作業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。針對于我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品種類的繁多，缺乏一種規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的測試評估方法等問題，設(shè)計(jì)分析了3種評估農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的測試方法，并提出了以壟向直線度(RL)和壟間平行度(PBR)兩個指標(biāo)作為農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估的標(biāo)準(zhǔn)，旨在為今后農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度測試方法和評估標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位導(dǎo)航；測試方法；評估；精度；農(nóng)業(yè)機(jī)械

0引言

隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷地發(fā)展和提高，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為了我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑之一。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)離不開農(nóng)業(yè)機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械的精確作業(yè)離不開GNSS(global navigation satellite system)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)。所以，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系中，GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)起到了十分關(guān)鍵的作用，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的基礎(chǔ)。

目前，全球有多個廠商提供基于GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)來保障農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程中的精確作業(yè)，包括美國天寶(Trimble)公司、日本拓普康(Topcon)公司、加拿大半球(Heimisphere)公司及瑞士徠卡(Leica)等[1-4]。而在2012年底，隨著我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)[5]，以華測為代表的國內(nèi)企業(yè)相繼推出了自主研發(fā)與生產(chǎn)的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品。

在多種多樣的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品中，由于具有衛(wèi)星時差、產(chǎn)品性能和差分技術(shù)的差異，使得各自的產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過程中的定位導(dǎo)航精度也參差不齊。然而，在我國對于農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度卻沒有一個統(tǒng)一的、規(guī)范的評估方法，使得用戶在購買衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品時，無法準(zhǔn)確地判斷所購買的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品能否滿足于農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航的作業(yè)要求，是否能達(dá)到農(nóng)藝生產(chǎn)要求。因而，本文將從農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度測試評估方法方面來探討分析，提供一個良好的評估農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的測試指標(biāo)，為今后農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估方法和評估標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)

1.1　農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)

農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是由GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)(衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī))和自動駕駛導(dǎo)航控制系統(tǒng)組成[6]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械在人工設(shè)定行進(jìn)路線(直線或曲線)后，由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)將實(shí)時接收到的GNSS衛(wèi)星連續(xù)播發(fā)的定位信號，采用差分解算的方法適時地將定位結(jié)果傳輸給自動駕駛導(dǎo)航控制系統(tǒng)的控制中樞，然后由控制中樞向自動控制組件給出指令，控制農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位導(dǎo)航自動駕駛。

1.2　定位方式

衛(wèi)星導(dǎo)航的定位方式根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，接收機(jī)天線將隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)而不停的運(yùn)動，為了適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及滿足農(nóng)藝作業(yè)要求，不但要求衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗震性強(qiáng)，還使得其要在極短的時間采集一個點(diǎn)的實(shí)時定位數(shù)據(jù)，適時的處理定位數(shù)據(jù)，及時的給出定位結(jié)果。所以，要求裝載在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)能夠滿足于動態(tài)定位實(shí)時性和穩(wěn)定性。

1.3　差分技術(shù)

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航常用的差分定位方法主要為位置差分、偽距差分(DGPS)和載波相位差分(RTK)3種。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝要求的厘米級高精度導(dǎo)航定位，農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航定位一般采用的是載波相位(RTK)差分定位。

RTK差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由1個基準(zhǔn)站、若干個移動站及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)組成。在RTK差分工作模式下，所設(shè)定的基準(zhǔn)站對所有可見的GNSS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)以數(shù)據(jù)鏈的形式將其觀測值和測站坐標(biāo)信息直接傳送給移動站；移動站在采集GNSS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的同時，通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)接收來自基準(zhǔn)站的信息，并求解組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，從而實(shí)現(xiàn)厘米級的動態(tài)定位結(jié)果[7]。其工作原理如圖1所示。

圖1　RTK差分工作原理

2農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估的方法

據(jù)國家及黑龍江省地方制定的農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，農(nóng)業(yè)機(jī)械在起壟作業(yè)時，壟形要直，其壟向直線度要在50m壟長直線度誤差中不大于5cm；壟距要相等，壟體寬度按農(nóng)藝要求形成標(biāo)準(zhǔn)壟形，壟距誤差為±2cm，往復(fù)結(jié)合壟距誤差為±3cm，起壟工作幅誤差為±5cm。當(dāng)只有農(nóng)業(yè)機(jī)械起壟作業(yè)質(zhì)量達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)時，才能滿足農(nóng)田起壟、播種、施肥、噴灌等重復(fù)性作業(yè)精度要求。因而，對于衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度較高的農(nóng)業(yè)機(jī)械，不僅在生產(chǎn)作業(yè)時能大大減少土地的“重、漏”現(xiàn)象，增加土地的利用率，而且還能提高作業(yè)質(zhì)量，增加用戶的收入。因而，如何準(zhǔn)確地評估出農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航的精度，是遴選出高質(zhì)量衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品的重要參考依據(jù)。而測試方法的準(zhǔn)確性是農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵所在。

在進(jìn)行農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航作業(yè)精度測試時，為了使測試評估的結(jié)果更真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)出農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛的作業(yè)質(zhì)量，通常在選取測試地段時需要將地塊兩端的地頭去除，以減少將農(nóng)業(yè)機(jī)械在地頭換向?qū)π袝r的較大誤差引入測試數(shù)據(jù)中。目前，國內(nèi)對于農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的評估沒有一個系統(tǒng)的、規(guī)范的測試方法，本文主要從標(biāo)尺測量、經(jīng)緯儀測量和GPS測量這3種測試方法來分析，希望可以為今后的農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估方法提供一定的參考。

2.1　標(biāo)尺測量法

本測試方法采用100m測繩(繩上每10m一個標(biāo)識點(diǎn))、50m鋼尺和2m鋼卷尺作為主要測量工具，根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，每組均選同一幅壟作為測試對象。測試地段選在每幅壟的地中段，根據(jù)壟長在壟臺中心每隔100m選取一個點(diǎn)，每組共設(shè)10個點(diǎn)(即為1 000m)，通過拉直測繩作為測量基準(zhǔn)，每隔10m測壟臺中心與基準(zhǔn)線之間距離，規(guī)定測繩左側(cè)的偏差值為正，右側(cè)的偏差值為負(fù)，求出偏差平均值即為壟向直線度。用50m的鋼尺，在垂直于壟向的方向上，將各組被測壟的壟臺中心插上標(biāo)記，測相鄰2個耕幅(即兩組)的距離，求得的各壟距與標(biāo)準(zhǔn)壟距之差即為壟間平行度。測量方法如圖2所示

圖2　標(biāo)尺測量法

其中，在計(jì)算壟向直線度時，為了防止偏差值互相抵消，需將每個測量值進(jìn)行非負(fù)處理。其壟向直線度(RL)表達(dá)式為

式中RLi—第i組的壟向直線度(m)；

Ni—第i組的測量點(diǎn)數(shù)目(個)；

Xij—第i組的第j個測量點(diǎn)的偏差(m)。

從上式易知，壟向直線度(RL)值越小，則表明壟形越直；反之，則表明壟形不直。

同樣地，壟間平行度(PBR)表達(dá)式為

ΔLij=Lij-L0

式中ΔLij—第i+1組與第i組間的第j個測量點(diǎn)間壟距與標(biāo)準(zhǔn)壟距的偏差(m)；

PBRi—第i+1組與第i組間的壟間平行度(m)；

Ni—第i組的測量點(diǎn)數(shù)目(個)；

Lij—第i+1組與第i組的第j個測量點(diǎn)間的壟距(m)；

L0—標(biāo)準(zhǔn)壟距，即農(nóng)機(jī)作業(yè)幅寬(m)。

從上式不難發(fā)現(xiàn)，若壟距偏差值大于0，則表示農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)時，在相鄰2個耕幅間地塊存在遺漏；若壟距偏差值小于0，則表示在相鄰2個耕幅間有重疊作業(yè)。為了提高土地的利用率和作業(yè)效率，這兩種作業(yè)情況都是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少或避免的。

標(biāo)尺測量法的優(yōu)點(diǎn)是測量數(shù)據(jù)處理方便、測試成本低、測試過程操作簡單；但因?yàn)闃?biāo)尺的最小標(biāo)度為毫米，因而容易由于測量誤差和讀數(shù)誤差等系列操作誤差的帶入增大了系統(tǒng)誤差，使得測試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性下降，從而導(dǎo)致評估精度的真實(shí)性下降。

2.2　經(jīng)緯儀測量法

本測試方法的測量工具為經(jīng)緯儀、50m鋼尺和100m測繩，根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，將每組的中心壟溝作為測試對象。測試地段選在每幅壟的地中段，根據(jù)壟長在壟溝中心每隔25m選取一個點(diǎn)，每組共設(shè)20個點(diǎn)，然后分別以這些點(diǎn)為端點(diǎn)，每隔50m和100m分別設(shè)定一個點(diǎn)，每測量小組點(diǎn)數(shù)共3個。首先將第一個測量點(diǎn)(A)設(shè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，完成儀器的對中、整平等基礎(chǔ)操作后，分別對準(zhǔn)另外25m(B)、50m(C1)和100m(C2)的點(diǎn)進(jìn)行測量，根據(jù)所測出各點(diǎn)的標(biāo)數(shù)作差求出角BAC1(BAC2)的角度值；這樣就可以用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出C1(C2)點(diǎn)到直線AB間的距離偏差，依次測量、計(jì)算后即可求出偏差平均值即為壟向直線度。壟間平行度的測量方法與標(biāo)尺測量法相同。壟向直線度的測量方法如圖3所示。

圖3　經(jīng)緯儀測量法

其中，在測量各點(diǎn)時，規(guī)定左為正值、右為負(fù)值。在計(jì)算壟向直線度時，同樣為了防止偏差值互相抵消，需將每個測量值進(jìn)行非負(fù)處理。其壟向直線度(RL)表達(dá)式為

式中RLi—第i組的壟向直線度(m)；

Ni—第i組的測量點(diǎn)數(shù)目(個)；

lAC—測量點(diǎn)A到C的直線距離(m)；

αij—第i組的第j個測量點(diǎn)的水平角。

從上式易知，在測量點(diǎn)距離相同的條件下，壟向直線度與被測量點(diǎn)的角度成正比。被測量點(diǎn)的夾角越小，壟向直線度越小，壟形越直；反之，被測量點(diǎn)的夾角越大，則壟向直線度越大，壟形越彎。

經(jīng)緯儀測量法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度較高，引入的系統(tǒng)誤差較小，測試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性較高；但因?yàn)槊康揭粋€新的測量基準(zhǔn)點(diǎn)均需重新進(jìn)行儀器的對中、整平等基礎(chǔ)操作，增大了工作量和勞動強(qiáng)度，降低了工作效率。

2.3　GPS測量法

GPS測量法是利用一套高精度的RTK差分的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)的靜態(tài)相對定位，并通過手持機(jī)將測量點(diǎn)的經(jīng)緯度記錄下來；事后進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，得出相應(yīng)的壟向直線度和壟間平行度。

由于RTK差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是無線電臺通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈的傳輸，因而在選擇測試地塊時，需盡量避開茂密樹林、高壓輸電線及高層建筑等一些干擾、阻擋信號傳輸?shù)牡囟?。需將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開闊的地帶，以便基準(zhǔn)站盡可能跟蹤和觀測到所有在視野中的衛(wèi)星。具體的測試方法為：根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)的幅寬，采用6(12)幅壟為1組，將每組的中心壟溝作為測試對象；測試地段選在每幅壟的地中段，根據(jù)壟長在壟溝中心每隔100m(50m)選取一個測量點(diǎn)，每幅壟測量點(diǎn)共設(shè)11個(即1 000m或500m)；用50m的鋼尺，在垂直于壟向的方向上，將各組被測壟的中心壟溝插上標(biāo)記。測量點(diǎn)設(shè)定后，在地塊地勢較高、視野開闊的區(qū)域架設(shè)好RTK差分GPS基準(zhǔn)站，同時將GPS移動站連接好，等RTK差分信號接收穩(wěn)定后，再按組進(jìn)行逐點(diǎn)測量，每個點(diǎn)記錄10個數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)通過手持機(jī)記錄下來；然后利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得出測量地塊的壟向直線度和壟間平行度。其測量方法如圖4所示。

在進(jìn)行壟向直線度和壟間平行度計(jì)算前，需先將GPS接收機(jī)測量輸出的WGS-84大地坐標(biāo)(即經(jīng)度、緯度和高程)投影轉(zhuǎn)換為二維平面直角坐標(biāo)(XY坐標(biāo))。坐標(biāo)投影變換的方法有許多，如UTM投影、Lambuda投影和高斯-克呂格投影等。在我國一般常用高斯-克呂格投影來進(jìn)行大地坐標(biāo)與平面直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。采用高斯投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法可以保證X、Y坐標(biāo)計(jì)算精度達(dá)到毫米級，滿足GPS數(shù)據(jù)分析的精度要求。因而，在本文也是采用高斯投影方法進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)高斯投影轉(zhuǎn)換公式得到的X、Y坐標(biāo)具體表達(dá)式為

X=

Y=

將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)后，首先求出每個測量點(diǎn)的平均坐標(biāo)值，然后再根據(jù)每組測量點(diǎn)的平均坐標(biāo)值求解線性回歸方程，繼而求出測量點(diǎn)與回歸方程的偏差，求出所得偏差平均值即為壟向直線度。具體的公式表達(dá)式為

式中ΔXij—第i組的第j個測量點(diǎn)與回歸方程的偏差值(m)；

A、B、C—線性回歸方程系數(shù)；

壟間平行度表達(dá)式為

GPS測量法因?yàn)椴恍枰M(jìn)行人工測量讀數(shù)，減輕了測試人員的工作量和勞動強(qiáng)度，并極大地降低了系統(tǒng)誤差，大大地提高了測量精度。

圖4　GPS測量法

3結(jié)論

本文主要介紹了3種評估農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的測試方法，提出了以壟向直線度(RL)和壟間平行度(PBR)兩個指標(biāo)作為農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的評估標(biāo)準(zhǔn)。這3種方法均能對農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度進(jìn)行一個定量的分析，但由于人為因素引起的操作誤差影響因子較大，也使得各自的測量結(jié)果誤差不盡相同，這樣也使得各自最后的評估精度也不同。對于測試評估精度結(jié)果來看，GPS測量法的測試評估精度要遠(yuǎn)高于其他兩種測試方法，而標(biāo)尺測量法的測試評估精度最低。

另外，由于采用的是人工測量采集數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用時，耗時較長，工作效率不高，測試結(jié)果并不理想。因而，研究如何利用一種準(zhǔn)確的、客觀的測試方法和評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精確評估農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛作業(yè)的精度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0242-EA

The Research of Agricultural Machinery is about Satellite NavigationAccuracy of the Evaluation Method

Ji Huili, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract：In the process of realization of precision agriculture, satellite navigation autopilot operation of agricultural machinery has been widely used. Although there are various kinds of satellite navigation products in china, there is lack of a specification and standardized methods. We proposed three approaches to assess the accuracy of the agricultural machinery of the satellite navigation .Meanwhile, two index-RL and PBR-was regarded as an evaluation criteria The accuracy of satellite navigation of agricultural machinery. This method and the evaluation criteria was provided a reference for Satellite navigation of agricultural machinery in the future.

Key words：satellite navigation and positioning; yhe test method; evaluation; precision; agricultural machinery

中圖分類號：S127

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0242-04

作者簡介：吉輝利(1989-),男，湖南安化人，碩士研究生，(E-mail) 240516443@qq.com。通訊作者：王熙(1962-)，男，山西新絳人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ndwangxi@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD04B01-06)；“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2013AA040401)

收稿日期：2015-10-20