蔣天小，趙金峰，郭瑞宇，史照平（.沈陽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，沈陽 04；.總參通信工程設計研究院，沈陽 000；.沈陽軍區(qū)65部隊，沈陽 000）

北斗導航系統(tǒng)在精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應用

蔣天小1，趙金峰2，郭瑞宇2，史照平3
（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，沈陽 110141；2.總參通信工程設計研究院，沈陽 110003；3.沈陽軍區(qū)65133部隊，沈陽 110003）

GPS，RS，GIS（簡稱3S）技術是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的關鍵技術。GPS導航系統(tǒng)是無源系統(tǒng)，只能完成位置信息的采集，需要搭載通信模塊才能回傳位置數(shù)據(jù)。在新型精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，利用北斗導航系統(tǒng)代替GPS導航系統(tǒng)，搭建基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信息回傳兩項功能，不僅簡化系統(tǒng)復雜度、降低建設成本，而且具備安全性和自主可控性。

北斗導航系統(tǒng)；精細農(nóng)業(yè)；系統(tǒng)模型

1　引言

近年來，精細農(nóng)業(yè)以其在降低作物的生產(chǎn)成本和過量使用農(nóng)化產(chǎn)品的污染風險等方面的優(yōu)勢，受到了國內農(nóng)業(yè)科學研究者的廣泛關注。如：陜西農(nóng)業(yè)局利用精細農(nóng)業(yè)進行農(nóng)作物適宜氣候區(qū)精細化區(qū)劃[1]、上海交通大學利用3S技術進行農(nóng)田墑情遠程監(jiān)控[2]、中國農(nóng)業(yè)大學利用進行智能化精細平地系統(tǒng)研究[3]等。北斗導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導航定位系統(tǒng)，利用北斗導航系統(tǒng)替代GPS系統(tǒng)將一并實現(xiàn)定位和通信，同時解決由于利用GPS系統(tǒng)而帶來的安全問題。目前，合眾思壯、中海達等公司正在開展北斗導航系統(tǒng)與精細農(nóng)業(yè)深度結合的研究，已經(jīng)在農(nóng)機制造和農(nóng)場信息化等方面有了成熟的應用經(jīng)驗?！昂媳娝級驯诨ⅰ蹦軌虮ＷC耕地、播種、噴灑和收割等農(nóng)田重復作業(yè)的厘米級精度。未來，北斗導航系統(tǒng)與精細農(nóng)業(yè)的合作領域將會有更廣闊的發(fā)展。

本文首先介紹精細農(nóng)業(yè)的概念，重點介紹3S技術；其次介紹北斗導航系統(tǒng)，包括空間段、地面段和用戶端三個方面；然后重點闡述基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系結構，介紹各層的組成、功能以及層間聯(lián)系，為下一步試驗驗證奠定基礎；最后進行全文總結。

2　精細農(nóng)業(yè)

精細農(nóng)業(yè)，即國際上已趨于共識的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”學術名詞。這一技術始于20世紀80年代初期，由從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害防治的農(nóng)學家，在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥，與植保專家系統(tǒng)應用研究實踐中進一步揭示的農(nóng)田內小區(qū)作物產(chǎn)量和生長環(huán)境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入，或稱“處方農(nóng)作（site-specific crop management）”而發(fā)展起來的[4]。精細農(nóng)業(yè)的關鍵技術有：

（1）全球定位導航系統(tǒng)（GPS）。GPS由美國國防部從1973年開始組織實施，1994年全部完成，投入使用。GPS的空間段由位于6個軌道面內的24顆衛(wèi)星組成，軌道高度約20,000km，軌道面傾角為55°，運行周期11小時58分。目前，由于一些衛(wèi)星的超期服役、備份衛(wèi)星的發(fā)射，以及GPS現(xiàn)代化的進行，現(xiàn)在軌的衛(wèi)星數(shù)目為32顆。地面段包括科羅拉多州的主控站，大西洋的阿森松島、印度洋的迪戈加西亞和太平洋的夸賈林的注入站，以及5個沿赤道全球分布的監(jiān)測站[5]。在精細農(nóng)業(yè)中，GPS主要用于農(nóng)田面積和周邊測量、引導田間變量信息定位采集、作物產(chǎn)量小區(qū)定位計量、變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供農(nóng)業(yè)機械田間導航信息等。同時，也可用于農(nóng)村規(guī)劃、土地測量、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)調度中的位置信息服務。

（2）衛(wèi)星遙感技術（RS）。RS技術是指通過遙感衛(wèi)星定期獲得高分辨率的農(nóng)田和作物多光譜圖像信息，并經(jīng)過處理及成像形成時間序列圖像，顯示出農(nóng)田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農(nóng)田作物生長的時空變異性的信息，用于確定作物長勢和條件的變化。由于采用衛(wèi)星遙感比航空攝影的成本降低一半以上，RS在“精細農(nóng)作”技術體系中將扮演重要角色。在精細農(nóng)業(yè)中，RS技術是獲得田間數(shù)據(jù)的重要來源，提供大量的田間時空變化信息[4]。

（3）地理信息系統(tǒng)（GIS）。GIS是人們在計算機硬、軟件環(huán)境里，使大量描述客觀事物、關系和過程的各種數(shù)據(jù)，按照它們的地理坐標或袖章位置，輸入編輯、存貯更新、量測運算、查詢檢索、分析處理、模型應用、動態(tài)模擬、決策支持、模型應用、顯示制圖和報表輸出，從而幫助人們實現(xiàn)認識、利用和改造客觀世界的某種或某些任務目標的一種信息系統(tǒng)[6]。在精細農(nóng)業(yè)中，GIS主要用于建立和存儲農(nóng)田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計分析、圖形轉換與表達處理等。

3　北斗導航系統(tǒng)

北斗導航系統(tǒng)是全球惟一具備通信功能的無源導航定位系統(tǒng)[7]。2004年8月31日批準立項，工程研制與建設分為兩個階段：第一階段建立區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)；第二階段建立全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)分為空間段、地面段和用戶段，于2012年12月27日向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、授時和短報文等服務。

3.1空間段

北斗導航系統(tǒng)由GEO，IGSO，MEO的35顆衛(wèi)星組成混合星座。其中，5顆GEO與6顆IGSO，分布于2個軌道面，傾角55度，衛(wèi)星間隔120度；24顆MEO分布于3個軌道面，軌道傾角55度，間隔45度。

圖1　北斗導航系統(tǒng)衛(wèi)星星座空間分布示意圖

空間位置如圖1所示。

北斗導航系統(tǒng)利用3個L頻段頻點組成軍用碼和民用碼，其中，B3頻點為軍用碼頻點。北斗導航系統(tǒng)信號體制如表1所示，其中，下標P的表示為導頻信號，D的表示為數(shù)據(jù)信號。導頻信號有助于接收機的捕獲和跟蹤，一般在調制在正交支路上。

表1　北斗導航系統(tǒng)信號體制信息表

3.2地面段

地面段由主控站、注入站和監(jiān)測站組成，三者各司其職共同完成對北斗導航系統(tǒng)的管理工作。

3.2.1主控站

主控站是導航衛(wèi)星系統(tǒng)地面信息處理和運行控制的中心，其主要任務是收集各個監(jiān)測站采集的衛(wèi)星信號、觀測數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，進行時間同步與衛(wèi)星時鐘偏差預報、衛(wèi)星精密軌道確定與星歷參數(shù)生成、廣域差分改正值計算、電離層模型參數(shù)計算以及系統(tǒng)完好性計算等處理，并實現(xiàn)導航衛(wèi)星系統(tǒng)的任務規(guī)劃與調度、全系統(tǒng)運行管理與控制等。我國導航衛(wèi)星系統(tǒng)的主控站位于北京。

3.2.2注入站

注入站接收主控站送來的導航電文和衛(wèi)星控制指令，在主控站的控制下，經(jīng)射頻鏈路上行發(fā)送給各導航衛(wèi)星。導航電文通常包括預報的衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星時鐘偏差參數(shù)以及軌道和鐘差的改正參數(shù)等。衛(wèi)星控制指令通常包括有效載荷控制指令和衛(wèi)星平臺控制指令。我國導航衛(wèi)星系統(tǒng)在國內建設3個注入站，分別位于北京、喀什和三亞，其中北京站與主控站并址。

3.2.3監(jiān)測站

監(jiān)測站是指導航衛(wèi)星系統(tǒng)中對衛(wèi)星實施監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)的衛(wèi)星信號接收站，其主要任務是跟蹤監(jiān)測導航衛(wèi)星信號，接收導航衛(wèi)星電文，測量監(jiān)測站相對導航衛(wèi)星的偽距、載波相位和多普勒等觀測數(shù)據(jù)（還采集監(jiān)測站周圍的氣象數(shù)據(jù)），經(jīng)預處理后發(fā)送給主控站，作為衛(wèi)星定軌、時間同步、廣域差分和完好性監(jiān)測的依據(jù)。我國導航系統(tǒng)監(jiān)測站根據(jù)任務的不同，可分為時間同步與軌道確定監(jiān)測站（一類監(jiān)測站）和完好性監(jiān)測站（二類監(jiān)測站）。一類監(jiān)測站主要是對衛(wèi)星進行軌道測定和衛(wèi)星鐘差的測定，需要在國土最大跨度上進行分布；二類監(jiān)測站的選擇原則是全國均勻的分布，它主要是對衛(wèi)星系統(tǒng)的整個狀態(tài)進行完好性的監(jiān)測。目前，我國導航系統(tǒng)的監(jiān)測站全位于國內，將來會擴展到全球。

3.2.4地面網(wǎng)系

北斗地面網(wǎng)的主要任務是聯(lián)通各個地面站，通過各種通信手段，使全國共30個左右的監(jiān)測站、注入站與主站相通。

3.3用戶段

用戶段主要指接收機，它通常由天線和接收單元（終端主機）組成?；竟δ苁牵航邮諏Ш叫盘柌⒗帽緳C產(chǎn)生的復現(xiàn)偽隨機碼和載波取得偽距、載波相位等觀測值以及信號中的導航電文，根據(jù)導航電文提供的衛(wèi)星位置、速度信息以及鐘差、電離層等改正信息，計算接收機所在位置。

按用戶群可大致分為軍用型和民用型兩類。軍用的重點在于精度與抗干擾性能；而民用更關注精度和首次定位時間。在定位頻數(shù)這一指標上，一般的商用接收機為1～2次/秒，軍用高動態(tài)接收機為100次/秒。

4　新型精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以開放、標準、層次化的泛在感知網(wǎng)絡（USN）體系結構為主要參考模型，全面吸收面向服務體系結構（SOA）、信息物理融合系統(tǒng)（CPS）等技術思想，瞄準精細農(nóng)業(yè)的特定要求，構建一個高性能、高可靠的系統(tǒng)模型，支撐作物長勢、農(nóng)田墑情、病蟲害防護、農(nóng)機具智能管理、種植區(qū)改善規(guī)劃等應用。如圖2所示，基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系結構由接入層、傳輸層、處理層、服務層和運維支撐系統(tǒng)組成。

圖2　基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系結構圖

（1）接入層由固定節(jié)點和移動節(jié)點組成。固定節(jié)點安裝在農(nóng)田中，主要功能有：傳感器負責采集農(nóng)田中各類參數(shù)信息，如環(huán)境溫濕度、氣候信息、土壤金屬含量水分等，在某些動物出沒頻繁區(qū)域，還可加裝攝像監(jiān)控設備；北斗導航接收機負責完成位置定位和信息傳送，根據(jù)各個節(jié)點的位置信息可以便利地計算出區(qū)域面積、空間容積等；嗡鳴驅趕器負責驅趕鳥類、家禽、牲畜等破壞農(nóng)田作物的動物，一些大型動物不宜驅趕成功，需進行人工驅趕。移動節(jié)點包括車載型和機載型，車載型一般為智能化農(nóng)機具，搭載高精度北斗導航接收機完成精細插秧、收割等功能；機載型搭載高動態(tài)北斗導航接收機，適用于大范圍的精細播種和農(nóng)藥噴灑。

（2）傳輸層主要由北斗導航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星組成。北斗導航衛(wèi)星具備導航和通信功能，可以將接入層采集的數(shù)據(jù)傳送至處理層。遙感衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星一般為單顆低軌衛(wèi)星，過境時間短，因此需利用通信衛(wèi)星輔助傳送遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。

（3）處理層是精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的核心，由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫、專家?guī)?、地理信息系統(tǒng)和氣象水文系統(tǒng)等組成。專家?guī)斓霓r(nóng)業(yè)專家利用作物栽培氣候適宜區(qū)劃模型、作物生產(chǎn)管理與長勢預測模型和投入產(chǎn)出空間差異性分析模型等工具，結合自身多年積累的專業(yè)學術經(jīng)驗，提出GIS支持下的田間作物管理決策。該決策及相關數(shù)據(jù)信息將存儲到數(shù)據(jù)庫中，為其他決策提供參考借鑒。

（4）服務層提供決策呈現(xiàn)，精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實時發(fā)布作物長勢現(xiàn)狀和預測，可以便利的掌握農(nóng)田墑情、肥沃程度、元素含量、溫濕度、含水率等參數(shù)信息，可以及時地作出病蟲害預警并啟動相關防護措施，能夠使農(nóng)機具的使用和維修更加智能化和精確化。通過不斷的策略積累，通過反饋、對比、驗證等手段，逐步改善種植區(qū)的規(guī)劃方案，以實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益。

（5）運維支撐系統(tǒng)從用戶管理、資源管理、設備監(jiān)控和應用監(jiān)控等方面為應用平臺核心業(yè)務建立全域維護體系，實現(xiàn)集運行管控和事務管理于一體的服務支撐系統(tǒng)，滿足精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運行維護需求。

5　結束語

精細農(nóng)業(yè)與北斗導航系統(tǒng)的結合領域將越來越受到關注，基于北斗導航系統(tǒng)的精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一次積極的探索，通過該系統(tǒng)可以及時掌握農(nóng)田各類參數(shù)信息，利用專家?guī)觳呗钥茖W指導農(nóng)作物生長管理和農(nóng)機具使用維護。下一步工作將細化系統(tǒng)的功能性能，理清各層間邏輯關系，落實設備連接關系圖和搭建相應軟件系統(tǒng)，為試驗驗證作好準備。

[1] 郭兆夏，梁軼，王景紅，郭新，柏秦鳳．GIS技術支持下的陜西核桃精細化氣候適宜性區(qū)劃[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2015,33(1):194-198

[2] 李楠，劉成良，李彥明，張佳寶，朱安寧．基于3S技術聯(lián)合的農(nóng)田墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，1999,26(4):169-174

[3] 李笑，李宏鵬，牛東嶺，王巖，劉剛．基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的智能化精細平地系統(tǒng)優(yōu)化與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，20155,31(3):48-55

[4] 汪懋華．“精細農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術創(chuàng)新[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，1999,15(1):1-8

[5] 曲明，趙金峰，史照平．移動通信終端定位技術自主可控發(fā)展研究[J]．數(shù)字通信世界，2014.8:11-14

[6] 喻歌農(nóng)，周泳．試論精確農(nóng)業(yè)及我國行動對策[J]．自然資源學報，1999,14(1):69-74

[7] 鄭睿．中國衛(wèi)星導航的最新進展[J]．導航定位，2009.82(4):60-63

Application of BeiDou Navigation System in Precision Agriculture System

Jiang Tianxiao1, Zhao Jinfeng2, Guo Ruiyu2, Shi Zhaoping3
(1. Shenyang Agricultural University Plant Protection Collage, Shenyang, 110141; 2. Communication Engineering Design and Research Institute of PLAs, Shenyang, 110003; 3. Shenyang military region 65133 troop, Shenyang, 110003)

GPS, RS, GIS (referred 3S) technology is a key technology to achieve precision agriculture. GPS navigation system is a passive system, can only complete location information acquisition, which need to carry the communication module to transmit the location data. In the new precision agriculture system, the BeiDou navigation system is used to replace the GPS navigation system, build a precision agriculture system model based on the BeiDou navigation system, which can achieve data collection and information transmutation. The new precision agriculture system not only simplifies the system complexity, reduce construction costs, but also with the security, independence and controllability.

BeiDou navigation system; precision agriculture; system model

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.003

TN96文獻標示碼：A

1672-7274（2016）02-0009-04