基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的中國農情信息速報系統(tǒng)設計

周筱靚　楊惠明　陳世品　林一娟　鄭海鴻

摘要：根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，設計了一種對中國農情信息全天候采集、分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過北斗導航衛(wèi)星的報文信息服務，能夠高速率、高精度、實時地將不同時間、不同地區(qū)的農作物種植面積、農作物生長情況、農作物產量預測與糧食生產估計等信息傳送到地面并進行分析處理，便于中國農情的統(tǒng)計、分析及預測。

關鍵詞：中國農情信息 北斗衛(wèi)星導航 報文信息

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0160-02

目前我國使用雷達遙感收集農情信息費用昂貴，且收集到的信息不夠精確。其中遙感數(shù)據(jù)購買費用和地樣采集成本較高，共占總費用的三分之二。提取農作物種植面積的最主要的數(shù)據(jù)源是美國陸地衛(wèi)星TM/ETM遙感數(shù)據(jù)和水稻用雷達遙感數(shù)據(jù)。如果主要數(shù)據(jù)源是TM等遙感數(shù)據(jù)，則成本較高。而且獲取農作物面積以TM遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源所得到的數(shù)據(jù)精度不高，尤其是對間作套作普遍、品種繁多的秋糧作物。另外，雨天條件下，生長期的農作物對遙感數(shù)據(jù)的接收率非常低。

在測繪工程、電信通訊、農林牧魚、交通水利、搶險救災、林區(qū)防火和公共安全等諸多領域，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已得到了廣泛應用，產生的社會效益十分明顯。本文作者設想可利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立一個能夠快速、準確地將不同時間、不同地區(qū)的農情信息速報系統(tǒng)，以方便中國農情的統(tǒng)計、分析及預測。

1 系統(tǒng)分析

根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有定位，授時，收發(fā)報文消息的特點，本文作者提出了建立一種基于北斗衛(wèi)星導航的農情信息采集系統(tǒng)見圖1。

但是由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的民用報文服務的通信頻道和報文長度是有限的以及存在丟包問題，限制了它的應用。系統(tǒng)采用“傳輸——回應——重傳”機制，使報文信息可靠且安全地傳輸。在便攜式數(shù)據(jù)采集終端輸入農情信息，然后利用北斗導航定位短報文通信模塊，將該訊息傳遞至地面數(shù)據(jù)接收中心，地面數(shù)據(jù)接收中心同時應答該報文信息，完成一次報文信息的通信，同時該中心對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，并通過Internet與各地授權用戶分享處理后的信息。

1.1 硬件平臺搭建

根據(jù)ARM和Windows CE 6.0（WINCE 6.0）的BD-2船載定位終端硬件平臺，所有部件將采用成熟電子元器件。該系統(tǒng)硬件包括BD-2導航模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)通信接口和PVT（ARM）解算模塊等。

BD-2導航模塊主要由射頻模塊及加載了A/D模擬數(shù)字化中頻信號的基帶信號處理模塊作為ADC的轉換時鐘，同時作為信號跟蹤基準時鐘輸入到基帶信號處理模塊?；鶐盘柼幚砟K進行信號的捕捉、追蹤、調制，從而輸出原始觀測量。PVT（ARM）解算模塊主要由耗能極低的ARM9處理器，S3C2440，NAND Flash，SDRAM等硬件構成。PVT（ARM）解算模塊控制基帶信號處理模塊，并提取解算基帶信號處理模塊得到的觀測量，得到解算結果，同時處理整個系統(tǒng)的運行。為實現(xiàn)綜合導航，數(shù)據(jù)通信接口部分設計CAN總線接口、RS-485接口等。

1.2 定位解算算法流程

設計硬件電路BD-2導航模塊主要以北斗GPS導航基帶芯片來進行基帶信號處理，該芯片具有多頻、精密的特點，可同時接收BD-2的B3和B1頻點信號（本文主要是利用B1頻點進行導航定位解算），輸出原始觀測量；擁有并行數(shù)據(jù)總線接口（16bit），通過該接口的ARM微處理器S3C2440（32bit）可對HwaNavchip-1進行配置，得到集成電路、導航電文等反映工作狀態(tài)的信息。通過ADS（ARM Developer Suit）對ARM進行調試，解算用戶位置、速度、時間等信息。

根據(jù)偽距定位的最小二乘算法，通過偽距計算用戶的位置：首先初始化用戶位置，將其作為地球中心；然后，計算用戶與衛(wèi)星之間的距離和信號傳輸時間；接著，根據(jù)地球自轉效應修正衛(wèi)星位置，并采用以用戶為中心的坐標系更新衛(wèi)星位置；接著，根據(jù)相關參數(shù)進行修正；最后通過迭代運算得到DOP，并保存ECEF坐標系轉導得到的CGCS2000坐標系結果。

1.3 軟件開發(fā)平臺

模塊化的、可延展的WINCE6.0具有良好的實時性能和強大的通信功能，支持多種CPU的嵌入式操作系統(tǒng)，與Windows系列有很好的兼容性，支持WIN 32 API，以至于具有多線程、多任務等特點的產品能夠快速開發(fā)。因此，該設計選用WINCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)。建立一個基本WINCE 6.0系統(tǒng)平臺的程序是：設置系統(tǒng)平臺；建立操作系統(tǒng)鏡像；將平臺搭建至目標設備；調試系統(tǒng)平臺。利用Platform Builder應用程序設置平臺，建立操作系統(tǒng)鏡像。

1.4 便攜式數(shù)據(jù)采集終端

利用S3C-2440搭建該便攜式終端，包括顯示模塊、輸入模塊、接口模塊幾部分，以標準的RS-232接口與之連接。

1.5 地面數(shù)據(jù)接收處理中心

采用“傳輸——回應——重傳”機制確保報文信息可靠地傳輸。因此，地面數(shù)據(jù)接收中心需要及時響應每條報文信息。由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)每條報文信息需要一分鐘的發(fā)送間隔，這可能會致使地面端無法及時應答報文信息，使報文信息多次重發(fā)或發(fā)送失敗。為了避免出現(xiàn)該情況，地面端可構建一套由12個北斗數(shù)據(jù)傳書終端組成的北斗發(fā)送矩陣，迅速、及時、安全、準確地響應報文信息。同時分析處理由北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)來的各農情信息，形成各地區(qū)農情信息報告，并根據(jù)用戶請求實時反饋。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 終端發(fā)送模塊

采用具有“傳輸——回應——重傳”機制的報文信息發(fā)送模塊的便攜式終端設備，該設備將加密編碼農情信息，利用北斗定位通信模塊，將加密編碼后的農情信息發(fā)送回地面數(shù)據(jù)處理中心。

2.2 數(shù)據(jù)接收中心報文信息處理流程

地面數(shù)據(jù)接收中心收到報文信息后，將通過一定的規(guī)律轉置所收到的報文信息，然后基于報文信息類型進行分類處理，同時利用北斗發(fā)送陣列對農情報文信息發(fā)送應答報文進行響應。

2.3 性能分析

（1）導航系統(tǒng)的精度：定位、測速和授時的開放服務是全球免費的，定位精度通過差分系統(tǒng)已經能做到極度精準，測速精度與授時精度也會隨著技術的提高不斷升級。

（2）定位原理：采用主動式雙向測距二維導航，地面中心控制系統(tǒng)解算，提供三維定位數(shù)據(jù)到用戶終端。

（3）有一定的保密、抗干擾和抗摧毀的特點：是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，準確，穩(wěn)定，保密性強。

（4）范圍大，沒有通訊盲區(qū)。北斗系統(tǒng)不單單可為中國服務，還可為周邊國家服務。

這些優(yōu)點能夠快速定位農作物所在地區(qū)，可靠地收集不同時間、不同地區(qū)的農情信息，便于中國農情的統(tǒng)計分析和預測。

3 結語

相對于傳統(tǒng)的人工采集方式，該系統(tǒng)采集方式省時省力且能獲取大量信息。相對于雷達遙感方式采集信息，該系統(tǒng)采集方式費用較低。為此。根據(jù)北斗衛(wèi)星導航，提出了一種農情信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集、分析及處理農情信息及時、準確，為后期建立中國農情的質量控制和檢驗體系打下了夯實的基礎。

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