农机卫星定位导航精度评估方法研究

吉辉利，王　熙

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



农机卫星定位导航精度评估方法研究

吉辉利，王熙

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：在实现精准农业的过程中，农机卫星定位导航自动驾驶作业得到了广泛的应用。针对于我国卫星导航产品种类的繁多，缺乏一种规范的、标准的测试评估方法等问题，设计分析了3种评估农机卫星定位导航精度的测试方法，并提出了以垄向直线度(RL)和垄间平行度(PBR)两个指标作为农机卫星定位导航精度评估的标准，旨在为今后农机卫星定位导航精度测试方法和评估标准的发展提供参考依据。

关键词：卫星定位导航；测试方法；评估；精度；农业机械

0引言

随着我国农业技术不断地发展和提高，精准农业已经成为了我国实现农业现代化的重要途径之一。精准农业的实现离不开农业机械，农业机械的精确作业离不开GNSS(global navigation satellite system)全球导航卫星系统技术。所以，在精准农业的技术体系中，GNSS全球导航卫星系统技术起到了十分关键的作用，是实现精准农业作业的基础。

目前，全球有多个厂商提供基于GNSS全球导航卫星系统的卫星导航接收机来保障农业机械生产过程中的精确作业，包括美国天宝(Trimble)公司、日本拓普康(Topcon)公司、加拿大半球(Heimisphere)公司及瑞士徕卡(Leica)等[1-4]。而在2012年底，随着我国的北斗卫星导航系统正式提供卫星导航服务[5]，以华测为代表的国内企业相继推出了自主研发与生产的基于北斗导航系统的卫星导航产品。

在多种多样的卫星导航接收机产品中，由于具有卫星时差、产品性能和差分技术的差异，使得各自的产品在农业机械作业过程中的定位导航精度也参差不齐。然而，在我国对于农机卫星定位导航精度却没有一个统一的、规范的评估方法，使得用户在购买卫星导航接收机产品时，无法准确地判断所购买的卫星导航产品能否满足于农机卫星定位导航的作业要求，是否能达到农艺生产要求。因而，本文将从农机卫星定位导航精度测试评估方法方面来探讨分析，提供一个良好的评估农机卫星定位导航精度的测试指标，为今后农机卫星定位导航精度评估方法和评估标准的发展提供参考依据。

1农机卫星定位导航技术

1.1　农机卫星定位导航系统

农机卫星定位导航系统是由GNSS全球导航卫星系统、卫星信号接收系统(卫星导航接收机)和自动驾驶导航控制系统组成[6]。

农业机械在人工设定行进路线(直线或曲线)后，由卫星导航接收机将实时接收到的GNSS卫星连续播发的定位信号，采用差分解算的方法适时地将定位结果传输给自动驾驶导航控制系统的控制中枢，然后由控制中枢向自动控制组件给出指令，控制农业机械转向，最终实现卫星定位导航自动驾驶。

1.2　定位方式

卫星导航的定位方式根据用户接收机天线所处的状态可分为静态定位和动态定位两种。在农业生产中，接收机天线将随着农业机械的作业而不停的运动，为了适应复杂的作业环境及满足农艺作业要求，不但要求卫星导航接收机的抗震性强，还使得其要在极短的时间采集一个点的实时定位数据，适时的处理定位数据，及时的给出定位结果。所以，要求装载在农业机械上的卫星导航接收机能够满足于动态定位实时性和稳定性。

1.3　差分技术

目前，卫星导航常用的差分定位方法主要为位置差分、伪距差分(DGPS)和载波相位差分(RTK)3种。为了实现农艺要求的厘米级高精度导航定位，农机卫星导航定位一般采用的是载波相位(RTK)差分定位。

RTK差分卫星导航系统主要由1个基准站、若干个移动站及数据通讯系统组成。在RTK差分工作模式下，所设定的基准站对所有可见的GNSS卫星进行连续观测，并通过数据通讯系统以数据链的形式将其观测值和测站坐标信息直接传送给移动站；移动站在采集GNSS卫星观测数据的同时，通过数据通讯系统接收来自基准站的信息，并求解组成差分观测值进行实时处理，从而实现厘米级的动态定位结果[7]。其工作原理如图1所示。

图1　RTK差分工作原理

2农机卫星定位导航精度评估的方法

据国家及黑龙江省地方制定的农业机械田间作业质量标准[8-9]，农业机械在起垄作业时，垄形要直，其垄向直线度要在50m垄长直线度误差中不大于5cm；垄距要相等，垄体宽度按农艺要求形成标准垄形，垄距误差为±2cm，往复结合垄距误差为±3cm，起垄工作幅误差为±5cm。当只有农业机械起垄作业质量达到这一标准时，才能满足农田起垄、播种、施肥、喷灌等重复性作业精度要求。因而，对于卫星定位导航精度较高的农业机械，不仅在生产作业时能大大减少土地的“重、漏”现象，增加土地的利用率，而且还能提高作业质量，增加用户的收入。因而，如何准确地评估出农机卫星定位导航的精度，是遴选出高质量卫星导航接收机产品的重要参考依据。而测试方法的准确性是农机卫星定位导航精度评估结果准确的关键所在。

在进行农机卫星导航作业精度测试时，为了使测试评估的结果更真实、准确地反应出农机卫星导航自动驾驶的作业质量，通常在选取测试地段时需要将地块两端的地头去除，以减少将农业机械在地头换向对行时的较大误差引入测试数据中。目前，国内对于农机卫星定位导航精度的评估没有一个系统的、规范的测试方法，本文主要从标尺测量、经纬仪测量和GPS测量这3种测试方法来分析，希望可以为今后的农机卫星定位导航精度评估方法提供一定的参考。

2.1　标尺测量法

本测试方法采用100m测绳(绳上每10m一个标识点)、50m钢尺和2m钢卷尺作为主要测量工具，根据农机作业的幅宽，采用6(12)幅垄为1组，每组均选同一幅垄作为测试对象。测试地段选在每幅垄的地中段，根据垄长在垄台中心每隔100m选取一个点，每组共设10个点(即为1 000m)，通过拉直测绳作为测量基准，每隔10m测垄台中心与基准线之间距离，规定测绳左侧的偏差值为正，右侧的偏差值为负，求出偏差平均值即为垄向直线度。用50m的钢尺，在垂直于垄向的方向上，将各组被测垄的垄台中心插上标记，测相邻2个耕幅(即两组)的距离，求得的各垄距与标准垄距之差即为垄间平行度。测量方法如图2所示

图2　标尺测量法

其中，在计算垄向直线度时，为了防止偏差值互相抵消，需将每个测量值进行非负处理。其垄向直线度(RL)表达式为

式中RLi—第i组的垄向直线度(m)；

Ni—第i组的测量点数目(个)；

Xij—第i组的第j个测量点的偏差(m)。

从上式易知，垄向直线度(RL)值越小，则表明垄形越直；反之，则表明垄形不直。

同样地，垄间平行度(PBR)表达式为

ΔLij=Lij-L0

式中ΔLij—第i+1组与第i组间的第j个测量点间垄距与标准垄距的偏差(m)；

PBRi—第i+1组与第i组间的垄间平行度(m)；

Ni—第i组的测量点数目(个)；

Lij—第i+1组与第i组的第j个测量点间的垄距(m)；

L0—标准垄距，即农机作业幅宽(m)。

从上式不难发现，若垄距偏差值大于0，则表示农业机械在作业时，在相邻2个耕幅间地块存在遗漏；若垄距偏差值小于0，则表示在相邻2个耕幅间有重叠作业。为了提高土地的利用率和作业效率，这两种作业情况都是在农业生产中应尽量减少或避免的。

标尺测量法的优点是测量数据处理方便、测试成本低、测试过程操作简单；但因为标尺的最小标度为毫米，因而容易由于测量误差和读数误差等系列操作误差的带入增大了系统误差，使得测试结果的可靠性和准确性下降，从而导致评估精度的真实性下降。

2.2　经纬仪测量法

本测试方法的测量工具为经纬仪、50m钢尺和100m测绳，根据农机作业的幅宽，采用6(12)幅垄为1组，将每组的中心垄沟作为测试对象。测试地段选在每幅垄的地中段，根据垄长在垄沟中心每隔25m选取一个点，每组共设20个点，然后分别以这些点为端点，每隔50m和100m分别设定一个点，每测量小组点数共3个。首先将第一个测量点(A)设为基准点，完成仪器的对中、整平等基础操作后，分别对准另外25m(B)、50m(C1)和100m(C2)的点进行测量，根据所测出各点的标数作差求出角BAC1(BAC2)的角度值；这样就可以用数学方法计算出C1(C2)点到直线AB间的距离偏差，依次测量、计算后即可求出偏差平均值即为垄向直线度。垄间平行度的测量方法与标尺测量法相同。垄向直线度的测量方法如图3所示。

图3　经纬仪测量法

其中，在测量各点时，规定左为正值、右为负值。在计算垄向直线度时，同样为了防止偏差值互相抵消，需将每个测量值进行非负处理。其垄向直线度(RL)表达式为

式中RLi—第i组的垄向直线度(m)；

Ni—第i组的测量点数目(个)；

lAC—测量点A到C的直线距离(m)；

αij—第i组的第j个测量点的水平角。

从上式易知，在测量点距离相同的条件下，垄向直线度与被测量点的角度成正比。被测量点的夹角越小，垄向直线度越小，垄形越直；反之，被测量点的夹角越大，则垄向直线度越大，垄形越弯。

经纬仪测量法的优点是测量精度较高，引入的系统误差较小，测试数据的可靠性和准确性较高；但因为每到一个新的测量基准点均需重新进行仪器的对中、整平等基础操作，增大了工作量和劳动强度，降低了工作效率。

2.3　GPS测量法

GPS测量法是利用一套高精度的RTK差分的卫星导航系统进行单点的静态相对定位，并通过手持机将测量点的经纬度记录下来；事后进行测试数据的统计计算分析，得出相应的垄向直线度和垄间平行度。

由于RTK差分卫星导航系统采用的是无线电台通讯的方式进行数据链的传输，因而在选择测试地块时，需尽量避开茂密树林、高压输电线及高层建筑等一些干扰、阻挡信号传输的地段。需将GPS基准站架设在视野开阔的地带，以便基准站尽可能跟踪和观测到所有在视野中的卫星。具体的测试方法为：根据农机作业的幅宽，采用6(12)幅垄为1组，将每组的中心垄沟作为测试对象；测试地段选在每幅垄的地中段，根据垄长在垄沟中心每隔100m(50m)选取一个测量点，每幅垄测量点共设11个(即1 000m或500m)；用50m的钢尺，在垂直于垄向的方向上，将各组被测垄的中心垄沟插上标记。测量点设定后，在地块地势较高、视野开阔的区域架设好RTK差分GPS基准站，同时将GPS移动站连接好，等RTK差分信号接收稳定后，再按组进行逐点测量，每个点记录10个数据，并将测量数据通过手持机记录下来；然后利用数据处理软件进行数据计算分析，得出测量地块的垄向直线度和垄间平行度。其测量方法如图4所示。

在进行垄向直线度和垄间平行度计算前，需先将GPS接收机测量输出的WGS-84大地坐标(即经度、纬度和高程)投影转换为二维平面直角坐标(XY坐标)。坐标投影变换的方法有许多，如UTM投影、Lambuda投影和高斯-克吕格投影等。在我国一般常用高斯-克吕格投影来进行大地坐标与平面直角坐标的转换。采用高斯投影坐标转换的方法可以保证X、Y坐标计算精度达到毫米级，满足GPS数据分析的精度要求。因而，在本文也是采用高斯投影方法进行坐标的转换。根据高斯投影转换公式得到的X、Y坐标具体表达式为

X=

Y=

将大地坐标转换为平面直角坐标后，首先求出每个测量点的平均坐标值，然后再根据每组测量点的平均坐标值求解线性回归方程，继而求出测量点与回归方程的偏差，求出所得偏差平均值即为垄向直线度。具体的公式表达式为

式中ΔXij—第i组的第j个测量点与回归方程的偏差值(m)；

A、B、C—线性回归方程系数；

垄间平行度表达式为

GPS测量法因为不需要进行人工测量读数，减轻了测试人员的工作量和劳动强度，并极大地降低了系统误差，大大地提高了测量精度。

图4　GPS测量法

3结论

本文主要介绍了3种评估农机卫星定位导航精度的测试方法，提出了以垄向直线度(RL)和垄间平行度(PBR)两个指标作为农机卫星定位导航精度的评估标准。这3种方法均能对农机卫星定位导航精度进行一个定量的分析，但由于人为因素引起的操作误差影响因子较大，也使得各自的测量结果误差不尽相同，这样也使得各自最后的评估精度也不同。对于测试评估精度结果来看，GPS测量法的测试评估精度要远高于其他两种测试方法，而标尺测量法的测试评估精度最低。

另外，由于采用的是人工测量采集数据，在实际应用时，耗时较长，工作效率不高，测试结果并不理想。因而，研究如何利用一种准确的、客观的测试方法和评估标准进行精确评估农机卫星导航自动驾驶作业的精度，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]程德明.农机作业卫星导航自动驾驶技术的应用[J].农机推广,2013(3)：13-15.

[2]张超.卫星导航自动驾驶技术试验与研究[J].农机科技推广,2014(6):36-38.

[3]方恩民,孔庆龙.GPS自动驾驶技术在现代农业机械上的应用[J].现代化农业,2012(7):63-64.

[4]杜雅刚.GPS自动导航驾驶系统在黑龙江垦区农机作业上的应用[J].现代化农业,2014(7):64-65.

[5]何成龙.北斗导航系统在我国精准农业中的应用[J].卫星应用,2014(12):24-27.

[6]林志海,白洪波.浅谈GNSS卫星定位和自动驾驶系统在现代化农机具中的应用[J].农垦农机化,2015(1):137-141.

[7]徐红利,徐国宏.GPS-RTK技术在山区地震勘探测量中的应用和精度分析[J].中国煤炭地质,2008(9):110-111.

[8]赵海玲,机械化旱田耕作质量标准及作用[J].农机使用与维修,2011(5):114.

[9]行业标准—黑龙江省(DB23).农业机械田间作业质量标准[S].

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

中图分类号：S127

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0242-04

作者简介：吉辉利(1989-),男，湖南安化人，硕士研究生，(E-mail) 240516443@qq.com。通讯作者：王熙(1962-)，男，山西新绛人，教授，博士生导师，(E-mail)ndwangxi@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD04B01-06)；“十二五”国家高技术研究发展计划(863)项目(2013AA040401)

收稿日期：2015-10-20