北斗在农机精准作业中的应用及思考

吴才聪

1 引言

全球导航卫星系统（GNSS）作为空间信息基础设施，是精准农业的重要技术支撑，是发展现代农业和实现农业可持续发展的关键技术。GNSS在农机作业监管、农机精准操控和农场精细管理等方面，有着重要和广泛的应用。通过透视发达国家和中国精准农业的发展历程，也可以看出GNSS对于精准农业发展所起到的关键性和基础性作用。作为我国自主知识产权的北斗卫星导航系统（BeiDou），其在精准农业领域的应用，不仅可以提高GNSS的可用性和精度，还可以极大提高中国农业生产的安全。

本文在分析GNSS在國际精准农业领域应用现状的基础上，重点介绍北斗在中国精准农业领域的应用概况，总结中国对北斗精准农业应用的支持措施，并针对北斗在精准农业中应用存在的问题，提出若干发展建议，供同行业者参考。

2 GNSS农业应用

2.1 国际应用

纵观国际GNSS的应用发展，无不把精准农业列为创新应用和规模应用的重要领域。近年欧洲卫星导航局（GSA）连续发布的《GNSS市场报告》指出，农业在行业应用中名列前茅，其比重已高于测绘和航空应用。2017年CropLife杂志与普渡大学所做的精准农业经销商调查表明，GPS自动驾驶导航和GPS驱动喷洒应用分别达到78%和73%，GPS土壤取样和GPS农田测绘也分别达到78%和75%。由此可见GPS的重要性、普遍性和对于美国精准农业的支撑作用。

GPS公开服务信号精度约5 m，不能满足精准农业高精度应用需求。据普渡大学统计，针对分米级应用，近70%的美国农户在使用广域增强系统（WAAS）。针对厘米级应用，主要有3种方式，即单站RTK、网络RTK和星基差分增强。单站RTK通过电台或移动通信链路向拖拉机播发RTK差分信号。多基准站网络（CORS）通过移动通信链路提供网络RTK差分服务。星基增强系统（SBAS）则通过卫星通信链路提供服务，例如约翰迪尔StarFire和天宝OmniStar。这3种方式各有优缺点，单站精度高，一次性投资，但受传播距离和地形的影响；网络差分精度高、覆盖面较大，但需缴纳通信费和使用费，依赖于移动通信网络；星基增强精度略低，初次定位速度慢，收费较高，但链路的可靠性高，覆盖面积大。2017年8月，作者在亚利桑那森丹斯农场考察，观测到其4台拖拉机均通过电台连接至7.8英里外的约翰迪尔基准站。在实际使用中，由于自动驾驶对定位精度和可靠性要求均极高，企业往往为农场提供2种以上的差分增强服务，互为备份，可实现快速切换。例如，当单站RTK或网络RTK信号失锁时，Trimble xFill断点续测技术可以在20 min内维持RTK固定解。xFill将单基准站或CORS作为主差分信号源，将星基信号作为副差分信号源。主副差分信号瞬时切换，没有延时。

2.2 国内应用

当前，北斗卫星导航系统正从第二代向第三代发展，在区域系统的基础上建设全球系统，同时保留有中国特色的短报文功能。北斗全球系统建成后，将可以更好地服务于“一带一路”国家发展战略，更有利于我国实施农业走出去的发展部署。北斗系统与精准农业的关系，可以概括为相互需要和相互促进。通过应用北斗导航技术，不仅可以提高农业机械的自动化与精确化作业水平，提升农业行业的整体生产效率，还可以有效保障我国粮食生产的安全。例如，以自动驾驶导航为代表的农机精准操控技术，将不可避免地、迅速地替代大量具备较高作业技能的农机手。显然，依赖于国外GNSS系统将在我国现代农业发展中埋下巨大的隐患，一旦国外导航系统信号出现异常，将造成时效性和连贯性极强的大规模农机作业陷入混乱甚至瘫痪。

当前，北斗在中国精准农业中的规模化应用，主要体现在三个方面。一是农机自动驾驶导航系统应用。中国从全部进口国外产品到自主研发产品，大约用了5年的时间，到目前国产产品已占据主导地位。在东北（主要指黑龙江）、西北（主要指新疆）和华北等地，农机自动驾驶导航系统已深入人心，其推广应用非常迅速。二是农机作业监管应用。针对农机深松作业和秸秆还田作业补贴监管，各省市农机主管部门纷纷安装GNSS监测终端和传感器，部署管理服务平台，用于作业质量监督和作业面积统计。当前全国每年约2亿亩农田开展深松作业，对于深松机具及GNSS深松监测系统的应用需求异常巨大。三是农机管理服务应用。例如，通过在采棉机上安装GNSS监测终端，可以实现作业计划、进度统计、保养记录、管理调度等功能，可以显著提高农机服务组织的管理效率。

3 北斗农业应用支持

3.1 财政补贴

自2013年起，财政部、农业部在国家农机购置补贴目录中，增加精准农业设备小类，对农业用北斗终端（含渔船用）进行财政补贴。该政策的实施，带动了国家有关部委和地方政府的投资，促进了一批北斗导航企业自主研制农机自动驾驶导航系统、着力培育精准农业技术，形成了良好的技术和市场竞争格局，为我国精准农业技术和现代农业的发展奠定了良好基础。

在此基础上，农业部鼓励各地以新产品的形式，对北斗预装进行试点补贴，以加快先进适用技术的快速推广应用。2017年，湖北省首次将农用北斗终端纳入了购机补贴范围。补贴标准按照导航精度、是否带自动驾驶系统等配置，分为四档：第一档，带自动驾驶系统，导航精度±2.5 cm，补贴额30000元；第二档，带自动驾驶系统，导航精度±10 cm，补贴额20000元；第三档，不带自动驾驶系统，带深松作业或秸秆粉碎还田监测装置，补贴额640元；第四档，不带自动驾驶系统，也不带深松作业或秸秆粉碎还田监测装置，但是带有北斗定位、图像采集和显示设备，补贴额400元。

十二五和十三五期间，农业部连续发布了《全国农机深松整地作业实施规划（2011-2015）》、《全国农机深松整地作业实施规划（2016-2020年）》，我国适宜地区的7亿亩耕地将全部进行深松整地作业，并进入“同一地块三年深松一次”的作业周期。深松作业补贴极大地促进了北斗/GNSS终端及质量监测传感器的应用推广。endprint

2017年9月，农业部对政协十二届全国委员会第五次会议提出的关于加大对农业机械补贴力度的提案进行答复时表示，农业部将研究开展补贴机具分类分档优化工作，重点选取大型、多功能、复式作业、具有绿色生态特征和结构型式变化的机具，以省为单位进一步细化分档，提升补贴档次的精准性，提高资金使用效益。该措施有望进一步促进以北斗为核心支撑的智能农机具的研发和应用推广。

3.2 项目资助

发改委、农业部等国家部委及北斗专项，也通过示范项目的方式，支持北斗系统在精准农业中的应用。例如，2014年国家发改委支持新疆兵团第八师开展区域精准农业示范，该示范项目为首批800台套的北斗农机自动驾驶导航系统，提供1万元的项目补贴，极大地促进了自动驾驶导航系统的规模化应用。到目前，第八师已安装自动驾驶导航系统约1600台套。由于自动驾驶导航系统提高了作业效率和作业质量，使得未安装该系统的农机户，难以获得作业订单，部分农机户甚至面临被淘汰的风险。

农业部自2017年起开始实施“数字农业建设试点项目”，在大田种植方向，提出“建设北斗精准时空服务基础设施”，实现农业机械高精度自动作业、精准导航与实时信息采集。在十三五期间，农业部将持续支持适宜地区开展数字农业建设试点，并给予每个试点项目不超过2000万的国家项目资金支持。

中国卫星导航系统管理办公室通过北京市北斗卫星导航应用示范、江苏省北斗综合应用示范、湖北省北斗卫星导航应用示范等项目，也支持了北斗精准农业应用，有力地促进了北斗系统在中国精准农业领域的应用推广。

4 北斗农业规模化应用思考

北斗在中国精准农业领域的应用方兴未艾，在取得可喜成绩的同时，也应该看到在发展的过程中暴露出的诸多问题。例如，在财政补贴方面，各省市推进力度不一樣，未能实现对北斗农机自动驾驶导航系统进行敞开补贴。在项目资助方面，各部门自行其是，缺乏协调和统筹，重复投资普遍，重点方向不突出。在差分增强基础设施建设方面，固定式和移动式单基准站广泛使用，因缺失技术和管理协调，使得基准站无效冗余严重、同近频干扰现象普遍。此外，北斗预装和后装标准的缺失，也使得市场销售的产品良莠不齐，损害了购机户的利益，同时也导致各地难以对这类新产品进行检测和鉴定，影响了地方农机部门对北斗应用的积极性。鉴于此，作者提出以下发展建议。

（1）梳理中国精准农业技术、装备和服务体系。部农机化司已委托中国农业大学，根据中国农业发展的具体国情，借鉴发达国家的发展经验，梳理有中国特色的精准农业技术、装备和服务体系，以有效指导中国精准农业体系的研究和建设。各部门在开展北斗农业应用支持时，宜经充分协调沟通，形成合力，避免重复投资，共同推动中国精准农业的发展。

（2）统筹建设精准农业需要的北斗差分增强基础设施。面向精准农业应用，需要综合考虑北斗差分增强服务的精度、可靠性、广度和成本。通过合理布局，分层次地建设分米级和厘米级农用北斗差分增强基础设施。特别是针对无线电频段应用，建议国家农机主管部门与国家无线电管理局开展协调，规划农业用无线电频段。

（3）统筹制定北斗精准农业应用标准体系。目前，中国农业机械工业协会、中国农业机械化协会、中国农业机械学会均在组织研制北斗精准农业应用相关的团体标准和国家标准，缺乏必要的统筹和协作，不利于行业发展和满足应用急需。北斗精准农业应用标准体系的统筹研究势在必行。

（4）发展精准农业技术装备检验检测服务机构。为落实国务院“放管服”改革精神要求，适应行政事业性收费改革新形势，部农机化司于2017年推进了农机试验鉴定工作改革，对《农业机械试验鉴定办法》（农业部令2015年第2号）进行了修订，形成了《农业机械鉴定办法（征求意见稿）》，并将于2018年1月1日正式施行。此次修订的一个重要内容是“明确第三方机构通过相应能力认定可承担鉴定的检验检测业务”。因此，具有一定技术基础和检验检测资质的机构，均应响应市场需求，拓展精准农业技术装备相关的检验检测业务。endprint