紀(jì)爽 付亞萍

摘?要：隨著植保無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常規(guī)GPS定位精度不夠，已經(jīng)很難滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。RTK（Real-time kinematic）載波相位差分技術(shù)被應(yīng)用至植保無(wú)人機(jī)。借助該技術(shù)，無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位，按照預(yù)先設(shè)置的航線實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的自主飛行。

關(guān)鍵詞：GPS;RTK技術(shù);植保無(wú)人機(jī);精準(zhǔn)

0?引言

我們通常所說(shuō)的植保無(wú)人機(jī)主要是由飛行平臺(tái)、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)三部分組成，通過(guò)地面遙控或?qū)Ш斤w控，來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)，完成多種農(nóng)業(yè)工作任務(wù)。

飛行平臺(tái)顧名思義就是整個(gè)飛行器的載體;噴灑機(jī)構(gòu)是任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu);導(dǎo)航飛控可以理解為植保無(wú)人機(jī)的大腦，它決定了植保無(wú)人機(jī)的操控性和精準(zhǔn)性。就操控性而言，目前的植保無(wú)人機(jī)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)航線規(guī)劃自主飛行。這種植保理念與地理和測(cè)繪等學(xué)科進(jìn)行融合，它需要飛手持地面站繞著田地四周行走一圈來(lái)測(cè)繪地圖數(shù)據(jù)，然后在衛(wèi)星地圖上規(guī)劃田地航線，植保無(wú)人機(jī)按照上述航線自主飛行作業(yè)，它使植保無(wú)人機(jī)的操控更加簡(jiǎn)單化、智能化，同時(shí)也提高了作業(yè)效率。然而，全自主的飛行模式，飛行過(guò)程中沒(méi)有人工參與糾偏，也對(duì)飛行的精準(zhǔn)性提出了更高的要求。常規(guī)GPS定位精度不夠帶來(lái)的問(wèn)題已經(jīng)顯現(xiàn)，為了尋求一種更為精準(zhǔn)的定位方式，相關(guān)人員將RTK技術(shù)和植保無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了結(jié)合。

1?GPS和RTK技術(shù)的定位原理

1.1?GPS的定位原理及誤差的產(chǎn)生

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。

GPS定位的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到地面GPS接收器之間的距離，然后接收器通過(guò)與至少4顆衛(wèi)星通訊，計(jì)算與這些衛(wèi)星間的距離，就能確定其在地球上的具體位置。常規(guī)GPS的定位精度能夠達(dá)到1 m左右，通訊的衛(wèi)星數(shù)量越多，精度會(huì)有所提高。但由于信號(hào)問(wèn)題誤差達(dá)到2 m以上精度的概率可能會(huì)達(dá)到50%。我們的手機(jī)導(dǎo)航就是常規(guī)GPS定位的典型應(yīng)用，定位精度范圍在使用時(shí)也都能夠有所體會(huì)。這種定位精度，用于植保無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航定位，如果沒(méi)有人工參與糾偏，就會(huì)帶來(lái)不可估量的問(wèn)題。常規(guī)GPS的定位誤差產(chǎn)生原因如下。

（1）大氣層影響。大氣層中的電離層和對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，從而讓GPS信號(hào)產(chǎn)生延遲。

（2）衛(wèi)星星歷誤差。由于衛(wèi)星運(yùn)行中受到復(fù)雜的外力作用，而地面控制站和接收終端無(wú)法測(cè)定和掌握其規(guī)律，從而無(wú)法消除產(chǎn)生的誤差。

（3）衛(wèi)星鐘差。衛(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星時(shí)鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。衛(wèi)星上使用銫原子鐘，所以兩者的時(shí)間也可能不同步。

（4）多路徑效應(yīng)。GPS信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中也可能是在不同的障礙物上反射后才被接收到，這就是所謂的“多路徑效應(yīng)”。

1.2?RTK技術(shù)的定位原理

RTK是英文Real - time kinematic（載波相位差分技術(shù)）的簡(jiǎn)稱，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)，所以RTK技術(shù)通常也稱作RTK差分技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，RTK技術(shù)就是把常規(guī)GPS的誤差想方設(shè)法分離出去的一種技術(shù)，這種定位方式需要建立固定基站，固定基站根據(jù)自身位置數(shù)據(jù)和接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)計(jì)算出誤差值發(fā)送給接收端修正定位偏差。它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。

通常RTK系統(tǒng)包括：兩臺(tái) GPS信號(hào)接收設(shè)備、無(wú)線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備等，其中一臺(tái)GPS信號(hào)接收設(shè)備作為基準(zhǔn)站，另一臺(tái)是用戶端GPS，首先確定一個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)，在已知坐標(biāo)的固定點(diǎn)上架設(shè)一臺(tái)GPS接收機(jī)（稱基準(zhǔn)站），通過(guò)GPS的定位數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)解算出差分?jǐn)?shù)據(jù)，再通過(guò)無(wú)線電通訊設(shè)備將誤差修正參數(shù)實(shí)時(shí)播發(fā)出去，用戶端通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收修正參數(shù)并傳給GPS，GPS接收修正參數(shù)后和自己的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正解算，即可將定位精度提高到厘米級(jí)，其工作及結(jié)構(gòu)原理如圖所示。

2?RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀

2.1?RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的必要性

RTK技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間了，它具有定位精度高、作業(yè)自動(dòng)化和集成化程度高、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且RTK技術(shù)在公路控制測(cè)量、電力線路測(cè)量、水利工程控制測(cè)量、大地測(cè)量、地形測(cè)圖、施工放樣、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，隨著植保無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)行業(yè)要求的提高，RTK技術(shù)也已應(yīng)用到植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。相對(duì)于其它行業(yè)，RTK技術(shù)與植保無(wú)人機(jī)的結(jié)合還處于起步階段，目前RTK技術(shù)應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的基準(zhǔn)站通常采用可移動(dòng)式的基準(zhǔn)站，其有效工作半徑與GPS接收機(jī)功率有關(guān)，一般能夠達(dá)到5 km左右。流動(dòng)站一般包括手持端和機(jī)載端，手持端主要是用來(lái)采集地塊數(shù)據(jù)、制定飛行作業(yè)方案、規(guī)劃飛行路線，然后通過(guò)地面站上傳至飛控系統(tǒng);機(jī)載端根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行定位達(dá)到精準(zhǔn)飛行的目的。

常規(guī)GPS植保無(wú)人機(jī)作業(yè)由于定位偏差的問(wèn)題，會(huì)有掉高、飛不直的現(xiàn)象，常常出現(xiàn)重噴、漏噴等問(wèn)題。如何精確完成斷點(diǎn)續(xù)噴也是一直在解決的技術(shù)問(wèn)題，而搭載RTK定位系統(tǒng)后，借助RTK差分定位技術(shù)，可以消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、大氣電離層和對(duì)流層折射誤差的影響，使定位精度達(dá)到厘米級(jí)。通過(guò)搭載RTK模塊的手持測(cè)繪器進(jìn)行地塊測(cè)量以獲取高精度的田地邊界信息，作為制定精確度達(dá)到厘米級(jí)別航線的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而無(wú)人機(jī)則可以在航線制定后進(jìn)行飛行作業(yè)，妥善解決因航線偏移而帶來(lái)的重噴、漏噴等問(wèn)題。

另外，我國(guó)很多地區(qū)農(nóng)田的田埂寬度普遍較小，且多丘陵、山地等復(fù)雜地形，對(duì)植保無(wú)人機(jī)飛行航線的精度要求很高。如果不能做到精準(zhǔn)噴灑，不僅達(dá)不到防治病蟲害的效果，甚至還可能產(chǎn)生藥害。而RTK技術(shù)的應(yīng)用，可以促使植保無(wú)人機(jī)真正走上精準(zhǔn)作業(yè)之路。精準(zhǔn)作業(yè)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是飛得精準(zhǔn)，即高精度自主飛行技術(shù)。通過(guò)RTK系統(tǒng)可獲取準(zhǔn)確的田地邊界信息，將航線精度從米級(jí)提升至厘米級(jí)，且不需要人工遙控，實(shí)現(xiàn)全自主飛行和噴灑;同時(shí)讓無(wú)人機(jī)自動(dòng)避開房屋、樹木、電纜等障礙物，避免了碰撞和炸機(jī)事故的發(fā)生。二是噴得精準(zhǔn)，可以通過(guò)精準(zhǔn)變量噴灑技術(shù)來(lái)達(dá)到，同時(shí)妥善地解決了以往因GPS定位偏差而造成的重噴、漏噴等問(wèn)題。

2.2?RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用存在的問(wèn)題

RTK技術(shù)相對(duì)于常規(guī)GPS定位優(yōu)勢(shì)明顯，但現(xiàn)在的應(yīng)用并不普遍，一方面是作為新技術(shù)產(chǎn)品的普及需要時(shí)間，另一方面也是因?yàn)樗膽?yīng)用和推廣存在著不可避免的問(wèn)題，就目前而言RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用存在的問(wèn)題主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用中，系統(tǒng)軟件的流程如何能讓操作者快速簡(jiǎn)單的使用，這是生產(chǎn)廠家亟待解決的問(wèn)題。

（2）RTK技術(shù)差分模塊與飛控系統(tǒng)適配問(wèn)題，目前還沒(méi)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有一家的差分模塊可以兼容所有飛控，產(chǎn)品適配性有待提高。

（3） RTK基站設(shè)施不完善，目前我國(guó)大部分地區(qū)的植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用RTK技術(shù)，都需要配備移動(dòng)基站，移動(dòng)基站不僅價(jià)格昂貴，而且其設(shè)置環(huán)境要求較高。

（4） RTK設(shè)備價(jià)格偏高，標(biāo)配的一套R(shí)TK系統(tǒng)，包含一個(gè)移動(dòng)基站和一個(gè)機(jī)載端價(jià)格在3萬(wàn)元左右，其中移動(dòng)基站所占的價(jià)格比例達(dá)到了70%以上。這一價(jià)格相當(dāng)于載重量10 L的植保無(wú)人機(jī)的價(jià)格，極大的增加了購(gòu)機(jī)和作業(yè)成本。

（5）RTK設(shè)備的穩(wěn)定性，由于RTK技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用尚處于起步階段，其產(chǎn)品的完善和穩(wěn)定性還需要時(shí)間的沉淀。

3?RTK技術(shù)與植保無(wú)人機(jī)結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)

隨著植保無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常規(guī)GPS定位精度已經(jīng)很難滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求?？梢哉f(shuō)兩項(xiàng)科技的結(jié)合是行業(yè)發(fā)展帶來(lái)的必然結(jié)果，它們之間的結(jié)合趨勢(shì)也具有自身特點(diǎn)。

植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用行業(yè)屬于農(nóng)業(yè)范疇，那么植保無(wú)人機(jī)從應(yīng)用角度應(yīng)該歸屬農(nóng)業(yè)機(jī)械，所以在保證作業(yè)質(zhì)量、效率、安全等前提下，操作性和價(jià)格是兩者結(jié)合發(fā)展首先要考慮的問(wèn)題。因?yàn)橹挥姓嬲鉀Q這兩方面問(wèn)題，對(duì)于普通老百姓來(lái)說(shuō)才能更容易接受。就操作性而言，這是生產(chǎn)廠家軟件算法、流程設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題，生產(chǎn)廠家應(yīng)該投入更多的科研力量，參考其它行業(yè)的應(yīng)用情況，使操作更人性化，流程更簡(jiǎn)單易懂。

另一方面，從行業(yè)發(fā)展角度出發(fā)，國(guó)家應(yīng)該增加RTK基站設(shè)施的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK在植保行業(yè)的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016 年，全國(guó)完成RTK基站建設(shè) 600 多個(gè)，以單個(gè)基站有效信號(hào)覆蓋半徑50 km計(jì)算，全國(guó)覆蓋的區(qū)域僅達(dá)10%左右，其中，重要的農(nóng)業(yè)大省，如：新疆、云南、黑龍江均無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而在廣西、貴州等省份也只完成部分覆蓋。所以，隨著行業(yè)的發(fā)展，國(guó)家一定會(huì)加大RTK基站設(shè)施的建設(shè)力度，當(dāng)RTK技術(shù)能夠以網(wǎng)絡(luò)RTK的形式應(yīng)用到植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，那么就可以不再使用移動(dòng)基站，這樣RTK的硬件成本就會(huì)顯著下降，將會(huì)很大程度的降低作業(yè)成本。

如果十多年前，GPS還只是少數(shù)移動(dòng)設(shè)備的配置，而如今已然成為移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)配，這是市場(chǎng)需求的變化結(jié)果，更是技術(shù)普及伴隨的成本下降后的必然趨勢(shì)。我們相信RTK技術(shù)在未來(lái)，一定會(huì)成為植保無(wú)人機(jī)行業(yè)一個(gè)不可或缺的部分。在國(guó)家加快現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的大背景下，政府對(duì)植保無(wú)人機(jī)和精準(zhǔn)農(nóng)用設(shè)備的大力扶持，相應(yīng)的難題也會(huì)迎刃而解。植保無(wú)人機(jī)和RTK技術(shù)的結(jié)合也會(huì)從發(fā)展到融合，兩項(xiàng)科技定會(huì)轉(zhuǎn)化為田間地頭實(shí)用的利器，為飛防植保行業(yè)帶來(lái)里程碑的變化。

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