北斗卫星导航系统在精准农业中应用的研究_向俊霖

Research on Beidou Navigation System in the application of

precision agriculture

Junlin Xiang 1, Chengjun Guo 2

1. Research Institute of Electronic Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 611731

2. Research Institute of Electronic Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 611731

1. xiangjl666@

Abstract: Precision agriculture is a modern agricultural concept, which uses the most advanced technology

in agricultural production in order to utilize agricultural resources scientifically and reasonably, increase crop yield, lower production cost, reduce environmental pollution and enhance economic benefit in agricultural production. Precision agriculture has become a symbol of modern agriculture.Highly precise positioning is the key to its feasibility. BeiDou Navigation Satellite System has China’s independent intellectual property rights, which can meet the requirements of highly precise positioning in the field of precision agriculture and is the core of China’s prospective precision agriculture in technological development.

Keywords: Beidou Navigation System ; precision agriculture;application mode; positioning accuracy 北斗卫星导航系统在精准农业中应用的研究

向俊霖1，郭承军2

1．电子科技大学电子科学技术研究院，成都，四川，611731

2．电子科技大学电子科学技术研究院，成都，四川，611731

1. xiangjl666@

【摘要】精准农业是一种现代化农业理念，就是将最先进的科技应用在农业生产中，从而达到科学合

理利用农业资源、提高农作物产量、降低生产成本、减少环境污染、提高农业经济效益的目的。精准

农业已成为现代农业的标志，高精度定位是其可行的关键。北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产

权的卫星导航定位系统，可满足精准农业领域中的高精度定位等要求，是我国未来精准农业技术发展

的核心部分。

【关键词】北斗卫星导航系统；精准农业；应用模式；定位精度

1 引言

精准农业（Precision Agriculture）是一种基于信息和知识管理的现代农业生产系统。精准农业综合应用全球卫星导航系统(GNSS)、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和自动化控制等先进技术于农业生产中[1,2]。利用现代化机械设备与监测系统，精细准确的开展施肥、施药等土壤管理及播种、收割等作物管理措施。精准农业的目的是为了提高农业生产力，保护生态环境，是实现优质、高产的可持续发展农业的有效途径。卫星导航技术应用于精准农业，可明显提高农业产量、降低成本。卫星导航技术可用于农机引导、农场规划、田间测绘、土壤取样、作物田间监测、产量监测系统等[3]。北斗卫星导航系统可提供无源定位服务，为农业机械的智能控制提供导航定位信息。将北斗卫星导航系统应用于精准农业领域，可充分利用农业资源，保护生态环境，产生显著的经济效益和环境效益。

2 卫星导航技术在精准农业领域的应用概况

在20世纪80年代，美国提出了精准农业的构想。1994年，美国在农机上装备GPS指导施肥，减少了化肥总的用量，同时在农作物产量上大规模提高。欧洲等国家在农机上装备GPS用来实现小麦、玉米等农作物的收割、播种、运输方面等工作。美国、欧洲等国家在精准农业的成功使得在荷兰、日本等国家相继开展精准农业的工作，并基于GPS导航定位研制相应的自动化农机。

中国精准农业发展起步较晚，但在国家“863”计划等重大专项的支持下，中国在精准农业领域取得了较快发展。我国主要集中在将卫星导航技术应用于农机引导方面，如将卫星导航系统应用于无人驾驶拖拉

机、联合收割机等。

3 精准农业对定位精度的要求

农田作业对定位精度有一定的要求，这主要是取决与农业机械作业精度的要求。精准农业要求根据农田单元的差异进行精准播种、施肥、灌溉、防治病害等。精准农业对卫星导航定位精度的需求与作物种类和作业方式高度相关，但随着定位性能的提升投入成本也迅速增加。不同的农机作业，需要不同的定位精度。自动化驾驶、变量播种、土地整理需要厘米级定位精度；信息采集、变量控制、产量监控、作业统计需要分米级定位精度；农机监控、调度导航、作业监测等只需要米级定位精度[4]。

4 北斗卫星导航系统（BDS）

北斗卫星导航系统(BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是继美国全球卫星导航系统（GPS）和俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、运控段、和用户段组成，它旨在建成技术先进、稳定可靠的卫星导航系统，推动卫星导航在国民经济社会的广泛应用。

4.1 空间段

空间星座包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，GEO卫星分别定点于东经：58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，Non-GEO卫星由27颗中地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成[5]。

4.2 运控段

地面运控段包括主控站、注入站和监测站等若干地面站，三者共同完成对北斗导航系统的管理工作。主控站的主要任务包括收集注入站、监测站的观测数据，进行时间同步与卫星时钟偏差预报，完成导航电文的生产工作，向卫星注入导航电文参数，完成任务规划与调度，实现全系统运行管理与控制等。注入站的主要任务是接受来自主控站的导航电文信息，在主控站的调度下，完成导航电文的注入，与主控站交换数据等任务。监测站的主要任务是跟踪监测导航卫星信号，接受导航信号，发送给主控站，为导航电文的生成提供原始的观测数据。

4.3 用户段

用户系统段包括各类北斗用户终端和与其它卫星导航系统兼容的接收机终端。用户段主要指接收机终端，其主要任务是接受导航信号并利用伪随机码和载波取得伪距、载波相位、导航电文等信息，根据导航电文提供的卫星信息计算接收机所处的位置。

北斗卫星导航系统坚持“三步走”发展战略，第一步形成区域有源服务能力，第二步形成区域无源服务能力，第三步形成全球无源服务能力。完成建设后的北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务、并具备短报文通信能力。

5 北斗卫星导航系统在精准农业领域的应用分析

5.1 北斗卫星导航系统的技术优势

北斗卫星导航系统是拥有我国自主知识产权的卫星导航系统。北斗卫星导航系统在精准农业领域中的优势主要体现在以下三点：（1）信号覆盖范围广。北斗卫星导航系统的星座更多的分布在东经84°

~160°。北斗卫星导航系统在信号收到遮蔽等恶劣条件下具有更多的可用信号，能更好的满足这些地区精准农业发展的有效性需求。（2）提供短报文通信能力。精准农业用户使用北斗的短报文通信来进行决策、状态等信息的交流。（3）三频定位，定位精度高。

5.2 北斗卫星导航系统在精准农业领域的应用模式

我国农业领域应用北斗卫星导航系统的时候，需与我国的农业发展趋势进行有效的结合。北斗卫星导航系统在我国精准农业中的应用主要有两种应用模式：（1）无人机作业应用模式，适用与大型及特大型农田中，采用差分定位体制；（2）辅助作业应用模式，适用于大中型农田中，采用高精度接收机机制[6]。

无人机作业模式中的地面设备具有北斗地基差分站（站内有自动化农机和北斗差分接收机）一般情况下，一台移动差分接收机可接受数千米内的信号，定位精度大大的提高。移动差分接收机主要负责对农作物的监测定位，并将定位信息发送至控制中心；控制中心在收到差分接收机的信息后处理观测信息并生成决策；北斗差分站接受北斗导航信号，并根据信号定位自动化农机；自动化农机根据控制中心的不同任务决策做出适当的作业强度调整，如作物播种密度和喷洒流量等。其中无人机作业的应用模式如图1所示。

辅助作业的应用模式中不含地面差分站，使用高精度的接收机，主要包括相应的控制中心和通信链路。该模式中农作物和土壤的监测能力降低，对一定程度上的信息获取分析依然满足要求[7]。如果采取作业前