农业机械导航中的GPS定位误差分析

刘国有

（吉林省大安市职教中心，吉林大安　131300）



农业机械导航中的GPS定位误差分析

刘国有

（吉林省大安市职教中心，吉林大安131300）

摘要：GPS定位已在农业机械装备中得到广泛应用，但定位过程会产生一定的误差。导航中GPS定位误差分析，可采用目前应用比较广泛的差分技术及联合卡尔曼滤波算法；在动态定位数据的处理中，利用基于时间序列的处理方式，能显著的降低定位误差。

关键词：农业机械导航；GPS；定位误差

目前GPS系统在农业机械导航中应用最为广泛，通过GPS定位可以使农业机械在作业环境下自动除草、收获、施肥等，即农业机械可自动感知周围环境，实时按照要求完成既定任务。GPS定位的基本原理是通过空中卫星不断发射信号，用户接收机接到信号后反馈，空中卫星确定接收机的位置、运动状态等信息。但在定位过程难免会产生一定的误差，主要包括星历误差、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、多径误差和接收机误差。在此基础上，本文主要研究如何改善GPS的定位精度，分析GPS的定位误差。

农业机械导航中GPS定位误差的描述

GPS定位精度主要是指预测估计值和真值之间的接近程度。主要是通过均方根差、圆概率误差和球概率误差来描述。

均方根差也称为标准差。设一维方向上的定位误差为正态分布，那么在一倍的标准差误差区域中的概率为68.3%，两倍标准差区域中的概率为95.5%，三倍标准差区域的概率为99.7%。这里采用的是一倍标准差来定位此项误差。

二维空间定义误差用的是置信椭圆的距离：σ2B为纬度方向标准差，σ2L为经度方向标准差。

三维空间定义误差用的是置信椭球的距离：σ2H为高度方向标准差。

圆概率误差定义为：CEP=0.59（σB+σL）。

球概率误差定义为：SEP=0.51（σB+σL+σH）。

2　　GPS差分技术及联合卡尔曼滤波算法

由于GPS技术存在较大的误差，需要通过差分GPS去消除这种误差，特别是卫星钟差和部分传播误差。目前差分技术主要分为位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、微博相位差分等4种。为了提高动态的定位精度，还会采用GPS动态滤波的方法，来消除随机误差。联合卡尔曼滤波器的分析方式可大大降低计算量，实现最优的滤波，从而减少不必要的误差。

位置差分法：已知基站的精确位置和基站动态解算的GPS位置，通过广播链路将差值发送到移动站点，移动站点在自身解算的基础上进行修正。

伪距差分：基站覆盖范围增大，原理是基准站在解算位置时要求得到它至可见卫星的距离，求出真实距离和含误差的测量值之间的偏差，将误差传给移动站，移动站计算出修正伪距，从而改正自身位置的估值。

相位平滑伪距差分:利用载波相位的测量精度比码相位的测量精度高的特点，获得无噪声的伪距测量。

载波相位差分技术：基于静态载波相位的相对定位基础，主要是单差、双差、三差。

联合卡尔曼滤波算法：如果在综合的导航定位系统中，采用单一滤波来处理所有信息源的数据，不仅会造成系统方程过于庞大,计算量增加，影响系统实时响应的性能，而且任何一个子系统的故障都会影响到整个系统。因此需要采用联合卡尔曼滤波器，避免产生混沌现象和混沌状态，计算好递推迭代的稳定点，对估计误差进行补偿。

3　　GPS定位误差分析

目前GPS接收机输出的信号在时间上是离散的，定位数据也随之变化，当前时刻的误差和之前时刻的误差并不能够独立，需要建立一个GPS误差模型，对误差进行预测和修正。本文采用基于时间序列分析的卡尔曼滤波组合导航的方式去计算和分析GPS定位误差，描述系统的动态特性，预测GPS定位误差的信号变化规律。

利用卡尔曼滤波处理GPS静态定位数据：对于GPS单机定位来说，常用卡尔曼滤波和最小二乘法来不断的预测和修正递推过程，降低随机误差的数值。目前，在静态定位中，可以将所有的待测点位置和速度作为状态变量，将系统作为线性系统，离散化状态方程，形成新的矩阵方程，获取位置信息。此种办法应用比较广泛，实验的精度值不够，但这是利用卡尔曼滤波处理GPS动态定位数据的基础，需要把握好此种处理方式。

利用卡尔曼滤波处理GPS动态定位数据：GPS定位精度是一种误差概率特性，主要采用的是基于时间序列分析的卡尔曼滤波组合去分析农业机械导航中的GPS定位误差，以提高农业机械组合导航中的定位精度。在卡尔曼滤波中融合不同源信息的信号，可以提高导航的精确程度。在误差的提取过程中，需要注意的是GPS的真值是指利用卡尔曼滤波过滤处理后的GPS原始定位数据，而其比较对象是原始的GPS定位数据，利用基于时间序列的误差模型，对计算值进行预测和修正，要求降低其误差相关性，接近白噪声。

在农业机械导航中，利用卡尔曼滤波过程中，初始值可以任意选定，随着滤波的不断进行，将记录好的GPS定位数据通过卡尔曼滤波处理，与农业机械当时的实际位置的数值进行比较，若结果接近，则证明基于时间序列的误差模型可以在导航动态条件下较好地对GPS进行定位。

4　结语

通过对农业机械导航中GPS定位的误差分析，可以探索适用于精准农业高精度、低成本定位需求的GPS误差处理方式。我国对农业机械GPS导航的研究起步落后于发达国家，目前在一定的技术基础下，更多的研究人员投入到此项技术的研究过程中，建立相关模型，减少GPS定位误差，精细化农业的生产运行，达到改良作业质量和延长作业时间的作用。

参考文献

［1］张智刚，罗锡文，赵祚喜，等.基于Kalman滤波和纯追踪模型的农业机械导航控制［J］.农业机械学报，2009，（1）：6-12.

［2］王友权，周俊，姬长英，等.基于自主导航和全方位转向的农用机器人设计［J］农业工程学报，2008，（7）：110-113.

［3］陈军，蒋浩然，刘沛，张勤.果园移动机器人曲线路径导航控制［J］.农业机械学报，2012，（4）：179-182.

The Analysis of GPS Positioning Error in Agricultural Machinery Navigation

LIU Guo-you
（Jilin Daan Vocational Education Center，Daan，Jilin 131300，China）

Abstract:GPS positioning has been widely used in agricultural machinery equipment.However，during the positioning process，certain errors may occur.The analysis of GPS positioning error inagricultural machinery navigation can adopt the widely used difference technique combined with Calman filtering algorithm.During the processing of dynamic positioning data，using method based on time series can significantly reduce positioning error.

Key words:agricultural machinery navigation；GPS；Positioning error

作者简介：刘国有（1966-），男，吉林省大安市，中专，工程师，主要研究方向：农业机械化。

收稿日期：2015-12-28

中图分类号：TN967.1

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0007-02