GNSS導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

張傲 鮑志雄 林國(guó)利

摘 要：文章首先介紹了GNSS導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在基于國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)的研究上，分析了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及可能存在的問題。最后介紹了中海達(dá)OutBack 系統(tǒng)應(yīng)用案例，可以有效減少農(nóng)機(jī)作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：GNSS導(dǎo)航技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；OutBack 系統(tǒng)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]是通過信息技術(shù)操作與管理現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，即定量、實(shí)時(shí)診斷耕地和作物長(zhǎng)勢(shì)，并通過土壤形狀、光照、濕度、溫度等影響因素，動(dòng)態(tài)調(diào)整作物投入，從而提高土地生產(chǎn)力的過程，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

美國(guó)率先將GPS技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并在1992年4月召開第1次精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)，標(biāo)志著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系初步形成。隨著俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)增強(qiáng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GNSS導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。

1 GNSS導(dǎo)航技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的作用

1.1 GNSS導(dǎo)航技術(shù)

GNSS通過距離計(jì)算衛(wèi)星的實(shí)際位置，距離通常以無線電信號(hào)的傳輸時(shí)間量測(cè)。絕對(duì)定位，是接收機(jī)天線的絕對(duì)坐標(biāo)，通過一臺(tái)接收機(jī)獲得數(shù)據(jù)。相對(duì)定位[2]，根據(jù)2臺(tái)以上接收機(jī)對(duì)同一組衛(wèi)星觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)確定接收機(jī)天線位置關(guān)系。GNSS測(cè)量誤差主要有與傳播路徑、與衛(wèi)星有關(guān)、與接收機(jī)有關(guān)及其他誤差等。

1.2 GNSS在農(nóng)業(yè)機(jī)械主要作業(yè)形式

GNSS可以實(shí)時(shí)確定農(nóng)業(yè)機(jī)械位置，將原有的精度和速度進(jìn)行提升，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作業(yè)效率的提高。

1.2.1 農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航

根據(jù)安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的GNSS接收機(jī)獲取的數(shù)據(jù)[3]，經(jīng)過中央控制器處理后，得到實(shí)時(shí)高精度實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械位置和方向，對(duì)駕駛員操作進(jìn)行指導(dǎo)。

1.2.2 變量施肥

在計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)的支持下，安裝有GNSS接收機(jī)的噴施器，根據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的分布圖及依據(jù)衛(wèi)星信號(hào)確定的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間各區(qū)域不同類別的變量控制。

1.2.3 農(nóng)田產(chǎn)量監(jiān)測(cè)

影響作物產(chǎn)量的因素通過以GIS技術(shù)直觀表達(dá)的產(chǎn)量監(jiān)控器[4]獲得的數(shù)據(jù)，并結(jié)合土壤分布情況進(jìn)行確定。根據(jù)對(duì)各種因素的實(shí)時(shí)測(cè)量，幫助種植者對(duì)做農(nóng)作物進(jìn)行管理。

2 全球農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)分析

2.1 國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

美國(guó)在聯(lián)合收割機(jī)上裝備全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)后，荷蘭、加拿大、日本、英國(guó)等國(guó)家相繼開始進(jìn)行精確農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和最大經(jīng)濟(jì)效益的獲取，為農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步帶來巨大推動(dòng)作用。

由日本農(nóng)林水產(chǎn)省農(nóng)業(yè)研究中心研制的播種機(jī)，誤差在8cm以內(nèi)；稻田無人插秧機(jī)，精度2cm以內(nèi)。此外，由北海道大學(xué)與農(nóng)業(yè)機(jī)械廠聯(lián)合研制的無人駕駛拖拉機(jī)精度達(dá)2cm。

除科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)的研究外，一些商業(yè)公司也紛紛推出面向農(nóng)業(yè)而開發(fā)的產(chǎn)品。如NavCom公司研發(fā)的StarFire 系統(tǒng)，Trimble公司推出的Omnistar 系統(tǒng)等，極大的推進(jìn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2.2 國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)市場(chǎng)

據(jù)GSA報(bào)告稱，2012年全球GNSS設(shè)備在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)出貨量達(dá)16萬臺(tái)，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)21.3%；銷售業(yè)績(jī)$7億元。出貨量主要集中在農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航領(lǐng)域，占據(jù)出貨量45%，創(chuàng)造銷售業(yè)績(jī)的66%。

據(jù)GSA預(yù)測(cè)，到2020年GNSS設(shè)備在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)出貨量為61萬臺(tái)，復(fù)合增長(zhǎng)率14.3%；銷售業(yè)績(jī)達(dá)$20億元，復(fù)合增長(zhǎng)率10.3%；GNSS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)滲透率達(dá)33%。其中，農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航和變量施肥預(yù)計(jì)整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)業(yè)績(jī)的80%。北美市場(chǎng)依然為全球主要市場(chǎng)，份額達(dá)43.8%。

3 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)分析

3.1 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

在國(guó)家新農(nóng)村建設(shè)工程大力開展的過程中，國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)業(yè)發(fā)生了巨大的變化。

2009年國(guó)務(wù)院發(fā)布《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，要求“充分發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的基礎(chǔ)性作用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造企業(yè)有序競(jìng)爭(zhēng)?！?/p>

2010年國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)工業(yè)又好又快發(fā)展的意見》，指出“到2015年，農(nóng)機(jī)總動(dòng)力達(dá)到10億千瓦，主要農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化水平達(dá)到55%以上。”

2011年工業(yè)和信息化部發(fā)布《全國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》，要求“到2015年，年農(nóng)機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到4000億元以上。”

GNSS技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，尤其是對(duì)推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)及促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)有著積極的推動(dòng)作用。但是目前我國(guó)正處在GNSS技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的試驗(yàn)階段，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備還需進(jìn)一步加強(qiáng)和完善，尤其是適用于大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)的技術(shù)仍處于起步階段，因此，必須重視GNSS技術(shù)在農(nóng)業(yè)管理中的技術(shù)研究和應(yīng)用。

3.2 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械GNSS導(dǎo)航技術(shù)市場(chǎng)

截至2012年底，全國(guó)30個(gè)省、區(qū)、市共有家庭農(nóng)場(chǎng)87.7萬個(gè)，經(jīng)營(yíng)耕地面積達(dá)到1.76億畝，經(jīng)營(yíng)總收入為1620億元，各類扶持家庭農(nóng)場(chǎng)發(fā)展資金總額達(dá)到6.35億元，其中江蘇和貴州超過1億元。

截至2012年底，國(guó)家農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼共計(jì)投入$122.65億，復(fù)合增長(zhǎng)率105%；補(bǔ)貼各類農(nóng)機(jī)具2272.6萬臺(tái)（套）。

4 中海達(dá)OutBack 系統(tǒng)應(yīng)用案例

4.1 OutBack 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

OutBack 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、車載衛(wèi)星定位組件、決策支持組件以及自動(dòng)控制組件組成等四部分構(gòu)成。

基準(zhǔn)站組件通過接收定位衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)中包含的誤差，并通過電臺(tái)或者網(wǎng)絡(luò)等通訊手段將改正數(shù)播發(fā)出去，傳送至安裝在拖拉機(jī)頂棚上的車載衛(wèi)星定位組件，將機(jī)械當(dāng)前位置、速度等信息定位精度提高至1～2cm。決策支持組件根據(jù)人工設(shè)定的路線指引拖拉機(jī)行駛，并通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制車輛轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4.2 黑龍江七星泡農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用案例

2012年，OutBack 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)成功安裝在黑龍江省七星泡農(nóng)場(chǎng)30套的迪爾7830、克拉斯836等拖拉機(jī)上，根據(jù)后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在秋整地和秋起壟作業(yè)過程中，該系統(tǒng)大幅度提升了駕駛?cè)藛T的工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。30套機(jī)車共計(jì)節(jié)約資金59.25萬元，主燃料79t，增加時(shí)間利用7個(gè)百分點(diǎn)，提高效率20%以上，最終實(shí)現(xiàn)118.56萬元資金的節(jié)省，進(jìn)一步提高農(nóng)民的創(chuàng)收。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張傲（1986-），女，山西省臨汾市人，工作單位：廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，職務(wù)：工程師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。