北斗导航系统在精细农业系统中的应用

蒋天小，赵金峰，郭瑞宇，史照平（.沈阳农业大学植物保护学院，沈阳 04；.总参通信工程设计研究院，沈阳 000；.沈阳军区65部队，沈阳 000）

北斗导航系统在精细农业系统中的应用

蒋天小1，赵金峰2，郭瑞宇2，史照平3
（1.沈阳农业大学植物保护学院，沈阳 110141；2.总参通信工程设计研究院，沈阳 110003；3.沈阳军区65133部队，沈阳 110003）

GPS，RS，GIS（简称3S）技术是实现精细农业的关键技术。GPS导航系统是无源系统，只能完成位置信息的采集，需要搭载通信模块才能回传位置数据。在新型精细农业系统中，利用北斗导航系统代替GPS导航系统，搭建基于北斗导航系统的精细农业系统模型，可以实现数据采集和信息回传两项功能，不仅简化系统复杂度、降低建设成本，而且具备安全性和自主可控性。

北斗导航系统；精细农业；系统模型

1　引言

近年来，精细农业以其在降低作物的生产成本和过量使用农化产品的污染风险等方面的优势，受到了国内农业科学研究者的广泛关注。如：陕西农业局利用精细农业进行农作物适宜气候区精细化区划[1]、上海交通大学利用3S技术进行农田墒情远程监控[2]、中国农业大学利用进行智能化精细平地系统研究[3]等。北斗导航系统是我国自主研发的导航定位系统，利用北斗导航系统替代GPS系统将一并实现定位和通信，同时解决由于利用GPS系统而带来的安全问题。目前，合众思壮、中海达等公司正在开展北斗导航系统与精细农业深度结合的研究，已经在农机制造和农场信息化等方面有了成熟的应用经验。“合众思壮壁虎”能够保证耕地、播种、喷洒和收割等农田重复作业的厘米级精度。未来，北斗导航系统与精细农业的合作领域将会有更广阔的发展。

本文首先介绍精细农业的概念，重点介绍3S技术；其次介绍北斗导航系统，包括空间段、地面段和用户端三个方面；然后重点阐述基于北斗导航系统的精细农业系统体系结构，介绍各层的组成、功能以及层间联系，为下一步试验验证奠定基础；最后进行全文总结。

2　精细农业

精细农业，即国际上已趋于共识的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”学术名词。这一技术始于20世纪80年代初期，由从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的农学家，在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥，与植保专家系统应用研究实践中进一步揭示的农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作（site-specific crop management）”而发展起来的[4]。精细农业的关键技术有：

（1）全球定位导航系统（GPS）。GPS由美国国防部从1973年开始组织实施，1994年全部完成，投入使用。GPS的空间段由位于6个轨道面内的24颗卫星组成，轨道高度约20,000km，轨道面倾角为55°，运行周期11小时58分。目前，由于一些卫星的超期服役、备份卫星的发射，以及GPS现代化的进行，现在轨的卫星数目为32颗。地面段包括科罗拉多州的主控站，大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚和太平洋的夸贾林的注入站，以及5个沿赤道全球分布的监测站[5]。在精细农业中，GPS主要用于农田面积和周边测量、引导田间变量信息定位采集、作物产量小区定位计量、变量作业农业机械实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供农业机械田间导航信息等。同时，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的位置信息服务。

（2）卫星遥感技术（RS）。RS技术是指通过遥感卫星定期获得高分辨率的农田和作物多光谱图像信息，并经过处理及成像形成时间序列图像，显示出农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，用于确定作物长势和条件的变化。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本降低一半以上，RS在“精细农作”技术体系中将扮演重要角色。在精细农业中，RS技术是获得田间数据的重要来源，提供大量的田间时空变化信息[4]。

（3）地理信息系统（GIS）。GIS是人们在计算机硬、软件环境里，使大量描述客观事物、关系和过程的各种数据，按照它们的地理坐标或袖章位置，输入编辑、存贮更新、量测运算、查询检索、分析处理、模型应用、动态模拟、决策支持、模型应用、显示制图和报表输出，从而帮助人们实现认识、利用和改造客观世界的某种或某些任务目标的一种信息系统[6]。在精细农业中，GIS主要用于建立和存储农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计分析、图形转换与表达处理等。

3　北斗导航系统

北斗导航系统是全球惟一具备通信功能的无源导航定位系统[7]。2004年8月31日批准立项，工程研制与建设分为两个阶段：第一阶段建立区域卫星导航系统；第二阶段建立全球卫星导航系统。系统分为空间段、地面段和用户段，于2012年12月27日向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时和短报文等服务。

3.1空间段

北斗导航系统由GEO，IGSO，MEO的35颗卫星组成混合星座。其中，5颗GEO与6颗IGSO，分布于2个轨道面，倾角55度，卫星间隔120度；24颗MEO分布于3个轨道面，轨道倾角55度，间隔45度。

图1　北斗导航系统卫星星座空间分布示意图

空间位置如图1所示。

北斗导航系统利用3个L频段频点组成军用码和民用码，其中，B3频点为军用码频点。北斗导航系统信号体制如表1所示，其中，下标P的表示为导频信号，D的表示为数据信号。导频信号有助于接收机的捕获和跟踪，一般在调制在正交支路上。

表1　北斗导航系统信号体制信息表

3.2地面段

地面段由主控站、注入站和监测站组成，三者各司其职共同完成对北斗导航系统的管理工作。

3.2.1主控站

主控站是导航卫星系统地面信息处理和运行控制的中心，其主要任务是收集各个监测站采集的卫星信号、观测数据及环境数据，进行时间同步与卫星时钟偏差预报、卫星精密轨道确定与星历参数生成、广域差分改正值计算、电离层模型参数计算以及系统完好性计算等处理，并实现导航卫星系统的任务规划与调度、全系统运行管理与控制等。我国导航卫星系统的主控站位于北京。

3.2.2注入站

注入站接收主控站送来的导航电文和卫星控制指令，在主控站的控制下，经射频链路上行发送给各导航卫星。导航电文通常包括预报的卫星轨道参数、卫星时钟偏差参数以及轨道和钟差的改正参数等。卫星控制指令通常包括有效载荷控制指令和卫星平台控制指令。我国导航卫星系统在国内建设3个注入站，分别位于北京、喀什和三亚，其中北京站与主控站并址。

3.2.3监测站

监测站是指导航卫星系统中对卫星实施监测和采集数据的卫星信号接收站，其主要任务是跟踪监测导航卫星信号，接收导航卫星电文，测量监测站相对导航卫星的伪距、载波相位和多普勒等观测数据（还采集监测站周围的气象数据），经预处理后发送给主控站，作为卫星定轨、时间同步、广域差分和完好性监测的依据。我国导航系统监测站根据任务的不同，可分为时间同步与轨道确定监测站（一类监测站）和完好性监测站（二类监测站）。一类监测站主要是对卫星进行轨道测定和卫星钟差的测定，需要在国土最大跨度上进行分布；二类监测站的选择原则是全国均匀的分布，它主要是对卫星系统的整个状态进行完好性的监测。目前，我国导航系统的监测站全位于国内，将来会扩展到全球。

3.2.4地面网系

北斗地面网的主要任务是联通各个地面站，通过各种通信手段，使全国共30个左右的监测站、注入站与主站相通。

3.3用户段

用户段主要指接收机，它通常由天线和接收单元（终端主机）组成。基本功能是：接收导航信号并利用本机产生的复现伪随机码和载波取得伪距、载波相位等观测值以及信号中的导航电文，根据导航电文提供的卫星位置、速度信息以及钟差、电离层等改正信息，计算接收机所在位置。

按用户群可大致分为军用型和民用型两类。军用的重点在于精度与抗干扰性能；而民用更关注精度和首次定位时间。在定位频数这一指标上，一般的商用接收机为1～2次/秒，军用高动态接收机为100次/秒。

4　新型精细农业系统

基于北斗导航系统的精细农业系统以开放、标准、层次化的泛在感知网络（USN）体系结构为主要参考模型，全面吸收面向服务体系结构（SOA）、信息物理融合系统（CPS）等技术思想，瞄准精细农业的特定要求，构建一个高性能、高可靠的系统模型，支撑作物长势、农田墒情、病虫害防护、农机具智能管理、种植区改善规划等应用。如图2所示，基于北斗导航系统的精细农业系统体系结构由接入层、传输层、处理层、服务层和运维支撑系统组成。

图2　基于北斗导航系统的精细农业系统体系结构图

（1）接入层由固定节点和移动节点组成。固定节点安装在农田中，主要功能有：传感器负责采集农田中各类参数信息，如环境温湿度、气候信息、土壤金属含量水分等，在某些动物出没频繁区域，还可加装摄像监控设备；北斗导航接收机负责完成位置定位和信息传送，根据各个节点的位置信息可以便利地计算出区域面积、空间容积等；嗡鸣驱赶器负责驱赶鸟类、家禽、牲畜等破坏农田作物的动物，一些大型动物不宜驱赶成功，需进行人工驱赶。移动节点包括车载型和机载型，车载型一般为智能化农机具，搭载高精度北斗导航接收机完成精细插秧、收割等功能；机载型搭载高动态北斗导航接收机，适用于大范围的精细播种和农药喷洒。

（2）传输层主要由北斗导航卫星、遥感卫星、气象卫星组成。北斗导航卫星具备导航和通信功能，可以将接入层采集的数据传送至处理层。遥感卫星和气象卫星一般为单颗低轨卫星，过境时间短，因此需利用通信卫星辅助传送遥感数据和气象数据。

（3）处理层是精细农业系统的核心，由数据接收、数据融合、数据处理、数据分析、数据库、专家库、地理信息系统和气象水文系统等组成。专家库的农业专家利用作物栽培气候适宜区划模型、作物生产管理与长势预测模型和投入产出空间差异性分析模型等工具，结合自身多年积累的专业学术经验，提出GIS支持下的田间作物管理决策。该决策及相关数据信息将存储到数据库中，为其他决策提供参考借鉴。

（4）服务层提供决策呈现，精细农业系统实时发布作物长势现状和预测，可以便利的掌握农田墒情、肥沃程度、元素含量、温湿度、含水率等参数信息，可以及时地作出病虫害预警并启动相关防护措施，能够使农机具的使用和维修更加智能化和精确化。通过不断的策略积累，通过反馈、对比、验证等手段，逐步改善种植区的规划方案，以实现最大的经济效益。

（5）运维支撑系统从用户管理、资源管理、设备监控和应用监控等方面为应用平台核心业务建立全域维护体系，实现集运行管控和事务管理于一体的服务支撑系统，满足精细农业系统的运行维护需求。

5　结束语

精细农业与北斗导航系统的结合领域将越来越受到关注，基于北斗导航系统的精细农业系统是一次积极的探索，通过该系统可以及时掌握农田各类参数信息，利用专家库策略科学指导农作物生长管理和农机具使用维护。下一步工作将细化系统的功能性能，理清各层间逻辑关系，落实设备连接关系图和搭建相应软件系统，为试验验证作好准备。

[1] 郭兆夏，梁轶，王景红，郭新，柏秦凤．GIS技术支持下的陕西核桃精细化气候适宜性区划[J]．干旱地区农业研究，2015,33(1):194-198

[2] 李楠，刘成良，李彦明，张佳宝，朱安宁．基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发[J]．农业工程学报，1999,26(4):169-174

[3] 李笑，李宏鹏，牛东岭，王岩，刘刚．基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验[J]．农业工程学报，20155,31(3):48-55

[4] 汪懋华．“精细农业”发展与工程技术创新[J]．农业工程学报，1999,15(1):1-8

[5] 曲明，赵金峰，史照平．移动通信终端定位技术自主可控发展研究[J]．数字通信世界，2014.8:11-14

[6] 喻歌农，周泳．试论精确农业及我国行动对策[J]．自然资源学报，1999,14(1):69-74

[7] 郑睿．中国卫星导航的最新进展[J]．导航定位，2009.82(4):60-63

Application of BeiDou Navigation System in Precision Agriculture System

Jiang Tianxiao1, Zhao Jinfeng2, Guo Ruiyu2, Shi Zhaoping3
(1. Shenyang Agricultural University Plant Protection Collage, Shenyang, 110141; 2. Communication Engineering Design and Research Institute of PLAs, Shenyang, 110003; 3. Shenyang military region 65133 troop, Shenyang, 110003)

GPS, RS, GIS (referred 3S) technology is a key technology to achieve precision agriculture. GPS navigation system is a passive system, can only complete location information acquisition, which need to carry the communication module to transmit the location data. In the new precision agriculture system, the BeiDou navigation system is used to replace the GPS navigation system, build a precision agriculture system model based on the BeiDou navigation system, which can achieve data collection and information transmutation. The new precision agriculture system not only simplifies the system complexity, reduce construction costs, but also with the security, independence and controllability.

BeiDou navigation system; precision agriculture; system model

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.003

TN96文献标示码：A

1672-7274（2016）02-0009-04