北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在精準農業(yè)中應用的研究

　　【摘要】精準農業(yè)是一種現(xiàn)代化農業(yè)理念，就是將最先進的科技應用在農業(yè)生產中，從而達到科學合理利用農業(yè)資源、提高農作物產量、降低生產成本、減少環(huán)境污染、提高農業(yè)經濟效益的目的。精準農業(yè)已成為現(xiàn)代農業(yè)的標志，高精度定位是其可行的關鍵。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國擁有自主知識產權的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可滿足精準農業(yè)領域中的高精度定位等要求，是我國未來精準農業(yè)技術發(fā)展的核心部分。

　　【關鍵詞】北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；精準農業(yè)；應用模式；定位精度

　　1引言

　　精準農業(yè)（PrecisionAgriculture）是一種基于信息和知識管理的現(xiàn)代農業(yè)生產系統(tǒng)。精準農業(yè)綜合應用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術（RS）和自動化控制等先進技術于農業(yè)生產中[1,2]。利用現(xiàn)代化機械設備與監(jiān)測系統(tǒng)，精細準確的開展施肥、施藥等土壤管理及播種、收割等作物管理措施。精準農業(yè)的目的是為了提高農業(yè)生產力，保護生態(tài)環(huán)境，是實現(xiàn)優(yōu)質、高產的可持續(xù)發(fā)展農業(yè)的有效途徑。衛(wèi)星導航技術應用于精準農業(yè)，可明顯提高農業(yè)產量、降低成本。衛(wèi)星導航技術可用于農機引導、農場規(guī)劃、田間測繪、土壤取樣、作物田間監(jiān)測、產量監(jiān)測系統(tǒng)等[3]。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可提供無源定位服務，為農業(yè)機械的智能控制提供導航定位信息。將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用于精準農業(yè)領域，可充分利用農業(yè)資源，保護生態(tài)環(huán)境，產生顯著的經濟效益和環(huán)境效益。

　　2衛(wèi)星導航技術在精準農業(yè)領域的應用概況

　　在20世紀80年代，美國提出了精準農業(yè)的構想。1994年，美國在農機上裝備GPS指導施肥，減少了化肥總的用量，同時在農作物產量上大規(guī)模提高。歐洲等國家在農機上裝備GPS用來實現(xiàn)小麥、玉米等農作物的收割、播種、運輸方面等工作。美國、歐洲等國家在精準農業(yè)的成功使得在荷蘭、日本等國家相繼開展精準農業(yè)的工作，并基于GPS導航定位研制相應的自動化農機。中國精準農業(yè)發(fā)展起步較晚，但在國家“863”計劃等重大專項的支持下，中國在精準農業(yè)領域取得了較快發(fā)展。我國主要集中在將衛(wèi)星導航技術應用于農機引導方面，如將衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用于無人駕駛拖拉機、聯(lián)合收割機等。

　　3精準農業(yè)對定位精度的要求

　　農田作業(yè)對定位精度有一定的要求，這主要是取決與農業(yè)機械作業(yè)精度的要求。精準農業(yè)要求根據農田單元的差異進行精準播種、施肥、灌溉、防治病害等。精準農業(yè)對衛(wèi)星導航定位精度的需求與作物種類和作業(yè)方式高度相關，但隨著定位性能的提升投入成本也迅速增加。不同的農機作業(yè)，需要不同的定位精度。自動化駕駛、變量播種、土地整理需要厘米級定位精度；信息采集、變量控制、產量監(jiān)控、作業(yè)統(tǒng)計需要分米級定位精度；農機監(jiān)控、調度導航、作業(yè)監(jiān)測等只需要米級定位精度[4]。

　　4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）

　　北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、運控段、和用戶段組成，它旨在建成技術先進、穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，推動衛(wèi)星導航在國民經濟社會的廣泛應用。

　　4.1空間段

　　空間星座包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星分別定點于東經：58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，Non-GEO衛(wèi)星由27顆中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成[5]。

　　4.2運控段

　　地面運控段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干地面站，三者共同完成對北斗導航系統(tǒng)的管理工作。主控站的主要任務包括收集注入站、監(jiān)測站的觀測數(shù)據，進行時間同步與衛(wèi)星時鐘偏差預報，完成導航電文的生產工作，向衛(wèi)星注入導航電文參數(shù)，完成任務規(guī)劃與調度，實現(xiàn)全系統(tǒng)運行管理與控制等。注入站的主要任務是接受來自主控站的導航電文信息，在主控站的調度下，完成導航電文的注入，與主控站交換數(shù)據等任務。監(jiān)測站的主要任務是跟蹤監(jiān)測導航衛(wèi)星信號，接受導航信號，發(fā)送給主控站，為導航電文的生成提供原始的觀測數(shù)據。

　　4.3用戶段

　　用戶系統(tǒng)段包括各類北斗用戶終端和與其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的接收機終端。用戶段主要指接收機終端，其主要任務是接受導航信號并利用偽隨機碼和載波取得偽距、載波相位、導航電文等信息，根據導航電文提供的衛(wèi)星信息計算接收機所處的位置。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)堅持“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，第一步形成區(qū)域有源服務能力，第二步形成區(qū)域無源服務能力，第三步形成全球無源服務能力。完成建設后的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務、并具備短報文通信能力。

　　5北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在精準農業(yè)領域的應用分析

　　5.1北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

　　北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是擁有我國自主知識產權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在精準農業(yè)領域中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三點：（1）信號覆蓋范圍廣。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座更多的分布在東經84°~160°。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在信號收到遮蔽等惡劣條件下具有更多的可用信號，能更好的滿足這些地區(qū)精準農業(yè)發(fā)展的有效性需求。（2）提供短報文通信能力。精準農業(yè)用戶使用北斗的短報文通信來進行決策、狀態(tài)等信息的交流。（3）三頻定位，定位精度高。

　　5.2北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在精準農業(yè)領域的應用模式

　　我國農業(yè)領域應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時候，需與我國的農業(yè)發(fā)展趨勢進行有效的結合。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在我國精準農業(yè)中的應用主要有兩種應用模式：（1）無人機作業(yè)應用模式，適用與大型及特大型農田中，采用差分定位體制；（2）輔助作業(yè)應用模式，適用于大中型農田中，采用高精度接收機機制[6]。無人機作業(yè)模式中的地面設備具有北斗地基差分站（站內有自動化農機和北斗差分接收機）一般情況下，一臺移動差分接收機可接受數(shù)千米內的信號，定位精度大大的提高。移動差分接收機主要負責對農作物的監(jiān)測定位，并將定位信息發(fā)送至控制中心；控制中心在收到差分接收機的信息后處理觀測信息并生成決策；北斗差分站接受北斗導航信號，并根據信號定位自動化農機；自動化農機根據控制中心的不同任務決策做出適當?shù)淖鳂I(yè)強度調整，如作物播種密度和噴灑流量等。其中無人機作業(yè)的應用模式如圖1所示。

　　6總結

　　精準農業(yè)可用于提高農作物產量、降低生產成本、保護生態(tài)環(huán)境等，對我國農業(yè)發(fā)展具有重要的意義。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可為我國精準農業(yè)發(fā)展提供技術支撐，且具備以下優(yōu)勢：（1）自主化，安全可靠。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用安全可靠的高強度加密設計，提供北斗時和中國的CGCS2000大地坐標的時空基準，更適合國防、農業(yè)、政府等關鍵部門應用。（2）更高的性價比。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的三頻高精度定位能力和短報文通信能力性能達到甚至超過國外產品。將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用在精準農業(yè)領域，對于加速我國這樣的發(fā)展中國家實現(xiàn)現(xiàn)代化進程、占領未來農業(yè)科技競爭的制高點具有十分重要的意義。

　　References(參考文獻

　　[1]TJiang,JZhao,RGuo,ZShi.ApplicationofBeidouNavigationSysteminPrecisionAgriculture[J].DigitalCommunicationWorld.2016

　　[2]ChuPengfei,LiQinglongetal.ApplicationofBeidoufoundationreinforcementsysteminprecisionagricultureinHeilongjiangprovince[J].SateliteApplications.2015.褚鵬飛，李慶龍等.北斗地基增強系統(tǒng)在黑龍江精準農業(yè)中的應用[J].衛(wèi)星應用，2015.

　　[3]XiaLinyuan,BaoZhixiong,LiChenggangetal.ApplicationofBeidouinhighprecisionfield[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2016.夏林元，鮑志雄，李成剛等.北斗在高精度領域中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

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