基于北斗卫星导航系统的中国农情信息速报系统设计

周筱靓　杨惠明　陈世品　林一娟　郑海鸿

摘要：根据北斗卫星导航系统，设计了一种对中国农情信息全天候采集、分析的系统。该系统通过北斗导航卫星的报文信息服务，能够高速率、高精度、实时地将不同时间、不同地区的农作物种植面积、农作物生长情况、农作物产量预测与粮食生产估计等信息传送到地面并进行分析处理，便于中国农情的统计、分析及预测。

关键词：中国农情信息 北斗卫星导航 报文信息

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0160-02

目前我国使用雷达遥感收集农情信息费用昂贵，且收集到的信息不够精确。其中遥感数据购买费用和地样采集成本较高，共占总费用的三分之二。提取农作物种植面积的最主要的数据源是美国陆地卫星TM/ETM遥感数据和水稻用雷达遥感数据。如果主要数据源是TM等遥感数据，则成本较高。而且获取农作物面积以TM遥感数据为主要数据源所得到的数据精度不高，尤其是对间作套作普遍、品种繁多的秋粮作物。另外，雨天条件下，生长期的农作物对遥感数据的接收率非常低。

在测绘工程、电信通讯、农林牧鱼、交通水利、抢险救灾、林区防火和公共安全等诸多领域，北斗卫星导航系统已得到了广泛应用，产生的社会效益十分明显。本文作者设想可利用北斗卫星导航系统建立一个能够快速、准确地将不同时间、不同地区的农情信息速报系统，以方便中国农情的统计、分析及预测。

1 系统分析

根据北斗卫星导航系统具有定位，授时，收发报文消息的特点，本文作者提出了建立一种基于北斗卫星导航的农情信息采集系统见图1。

但是由于北斗卫星导航系统的民用报文服务的通信频道和报文长度是有限的以及存在丢包问题，限制了它的应用。系统采用“传输——回应——重传”机制，使报文信息可靠且安全地传输。在便携式数据采集终端输入农情信息，然后利用北斗导航定位短报文通信模块，将该讯息传递至地面数据接收中心，地面数据接收中心同时应答该报文信息，完成一次报文信息的通信，同时该中心对采集到的数据进行处理分析，并通过Internet与各地授权用户分享处理后的信息。

1.1 硬件平台搭建

根据ARM和Windows CE 6.0（WINCE 6.0）的BD-2船载定位终端硬件平台，所有部件将采用成熟电子元器件。该系统硬件包括BD-2导航模块、时钟模块、电源管理模块、数据通信接口和PVT（ARM）解算模块等。

BD-2导航模块主要由射频模块及加载了A/D模拟数字化中频信号的基带信号处理模块作为ADC的转换时钟，同时作为信号跟踪基准时钟输入到基带信号处理模块。基带信号处理模块进行信号的捕捉、追踪、调制，从而输出原始观测量。PVT（ARM）解算模块主要由耗能极低的ARM9处理器，S3C2440，NAND Flash，SDRAM等硬件构成。PVT（ARM）解算模块控制基带信号处理模块，并提取解算基带信号处理模块得到的观测量，得到解算结果，同时处理整个系统的运行。为实现综合导航，数据通信接口部分设计CAN总线接口、RS-485接口等。

1.2 定位解算算法流程

设计硬件电路BD-2导航模块主要以北斗GPS导航基带芯片来进行基带信号处理，该芯片具有多频、精密的特点，可同时接收BD-2的B3和B1频点信号（本文主要是利用B1频点进行导航定位解算），输出原始观测量；拥有并行数据总线接口（16bit），通过该接口的ARM微处理器S3C2440（32bit）可对HwaNavchip-1进行配置，得到集成电路、导航电文等反映工作状态的信息。通过ADS（ARM Developer Suit）对ARM进行调试，解算用户位置、速度、时间等信息。

根据伪距定位的最小二乘算法，通过伪距计算用户的位置：首先初始化用户位置，将其作为地球中心；然后，计算用户与卫星之间的距离和信号传输时间；接着，根据地球自转效应修正卫星位置，并采用以用户为中心的坐标系更新卫星位置；接着，根据相关参数进行修正；最后通过迭代运算得到DOP，并保存ECEF坐标系转导得到的CGCS2000坐标系结果。

1.3 软件开发平台

模块化的、可延展的WINCE6.0具有良好的实时性能和强大的通信功能，支持多种CPU的嵌入式操作系统，与Windows系列有很好的兼容性，支持WIN 32 API，以至于具有多线程、多任务等特点的产品能够快速开发。因此，该设计选用WINCE 6.0嵌入式操作系统。建立一个基本WINCE 6.0系统平台的程序是：设置系统平台；建立操作系统镜像；将平台搭建至目标设备；调试系统平台。利用Platform Builder应用程序设置平台，建立操作系统镜像。

1.4 便携式数据采集终端

利用S3C-2440搭建该便携式终端，包括显示模块、输入模块、接口模块几部分，以标准的RS-232接口与之连接。

1.5 地面数据接收处理中心

采用“传输——回应——重传”机制确保报文信息可靠地传输。因此，地面数据接收中心需要及时响应每条报文信息。由于北斗卫星导航系统每条报文信息需要一分钟的发送间隔，这可能会致使地面端无法及时应答报文信息，使报文信息多次重发或发送失败。为了避免出现该情况，地面端可构建一套由12个北斗数据传书终端组成的北斗发送矩阵，迅速、及时、安全、准确地响应报文信息。同时分析处理由北斗卫星导航系统发来的各农情信息，形成各地区农情信息报告，并根据用户请求实时反馈。

2 软件实现

2.1 终端发送模块

采用具有“传输——回应——重传”机制的报文信息发送模块的便携式终端设备，该设备将加密编码农情信息，利用北斗定位通信模块，将加密编码后的农情信息发送回地面数据处理中心。

2.2 数据接收中心报文信息处理流程

地面数据接收中心收到报文信息后，将通过一定的规律转置所收到的报文信息，然后基于报文信息类型进行分类处理，同时利用北斗发送阵列对农情报文信息发送应答报文进行响应。

2.3 性能分析

（1）导航系统的精度：定位、测速和授时的开放服务是全球免费的，定位精度通过差分系统已经能做到极度精准，测速精度与授时精度也会随着技术的提高不断升级。

（2）定位原理：采用主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，提供三维定位数据到用户终端。

（3）有一定的保密、抗干扰和抗摧毁的特点：是我国自主研发的系统，准确，稳定，保密性强。

（4）范围大，没有通讯盲区。北斗系统不单单可为中国服务，还可为周边国家服务。

这些优点能够快速定位农作物所在地区，可靠地收集不同时间、不同地区的农情信息，便于中国农情的统计分析和预测。

3 结语

相对于传统的人工采集方式，该系统采集方式省时省力且能获取大量信息。相对于雷达遥感方式采集信息，该系统采集方式费用较低。为此。根据北斗卫星导航，提出了一种农情信息采集系统。该系统采集、分析及处理农情信息及时、准确，为后期建立中国农情的质量控制和检验体系打下了夯实的基础。

参考文献

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