關(guān)于低成本農(nóng)業(yè)用途的GPS接收系統(tǒng)的介紹

　　GPS全球定位系統(tǒng)是一個全天候、全球性、信號覆蓋范圍廣、基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供實時的經(jīng)度、緯度、高程等定位信息，是支撐精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)之一，GPS農(nóng)田面積測量儀在農(nóng)田定位信息采集、處方農(nóng)作實施、農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)和面積測量等方面起著重要作用。由于目前我國市場上低成本GPS設(shè)備無法滿足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，而精度較高的GPS設(shè)備因其均從國外引進(jìn)，成本高，不利于推廣，因此自主開發(fā)針對精細(xì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的低成本GPS具有重要的意義。
　　采用VRS虛擬差分技術(shù)，可以提高GPS的定位精度，拓寬GPS的應(yīng)用領(lǐng)域，也使GPS設(shè)備向便攜式、輕巧式的方向發(fā)展。國外的GPS接收機(jī)除Trimble公司的少數(shù)高精度產(chǎn)品（Trimble公司的5800、R8 VRS rover）外，一般不具有接收VRS差分信息的功能。國內(nèi)具有VRS接入功能的產(chǎn)品主要有廣州南方測繪儀器有限公司生產(chǎn)的厘米級精度接收機(jī)（靈銳S82-2008），廣州市中海達(dá)測繪儀器有限公司的V8 GNSS RTK系列等。針對采用GPSOEM板自主研制低成本GPS接收機(jī)的較多：過靜珺等采用GPS OEM板研制了GJS-200系列接收機(jī)，差分定位精度達(dá)到米級。楊平等討論了GPSOEM板與單片機(jī)的通信協(xié)議并實現(xiàn)了兩者之間數(shù)據(jù)的傳輸。王琦等在完成GPS OEM板與單片機(jī)通信的基礎(chǔ)上，增加了經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提取功能。劉興等實現(xiàn)了GPS OEM板與掌上電腦（PDA）、PC機(jī)的實時通信。國內(nèi)GPS應(yīng)用于面積測量方面主要是低成本便攜式手持機(jī)進(jìn)行林區(qū)面積測量及誤差分析，測量相對誤差根據(jù)被測面積和GPS接收機(jī)本身的精度也有所不同，被測面積越大，相對誤差越小。綜上，國內(nèi)外可接入VRS的產(chǎn)品雖然精度很高，但價格比較昂貴，幾萬至幾十萬元；國內(nèi)采用OEM板自主開發(fā)的接收機(jī)普遍功能簡單，大多數(shù)沒有VRS接入功能，而且不具備U盤存儲等功能，為數(shù)據(jù)處理帶來不便。農(nóng)田面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，田塊的大小直接決定了種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的投入量，也是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行田間作業(yè)計算工時和收費的主要依據(jù)。相比傳統(tǒng)測量方法，使用GPS進(jìn)行面積測量具有不受面積大小和形狀限制，快速準(zhǔn)確、省時省力的優(yōu)點；而目前應(yīng)用于面積測量的接收機(jī)大多為米級精度，相對誤差較大，而且對于1 hm2左右，特別是小于0.1 hm2的地塊相對測量誤差分析較少，不能為農(nóng)田面積的精確測量提供數(shù)據(jù)支持。
　　本研究旨在開發(fā)能夠接收VRS差分信息的低成本亞米級精度GPS接收機(jī)（簡稱PAC-GPS），并分析其在不同面積測量中的精度，特別是小塊面積測量中的相對誤差，為該接收機(jī)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。
　　1 VRS系統(tǒng)簡介
　　VRS是一種網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，由均勻或非均勻分布的3個或3個以上的GPS參考站組成，通過有線或無線通信方式與控制中心的控制軟件連接，經(jīng)數(shù)據(jù)處理中心對原始觀測數(shù)據(jù)綜合處理后，建立相應(yīng)的空間定位信息數(shù)據(jù)庫，并由信息發(fā)播系統(tǒng)向外發(fā)布，為移動站提供精確的位置修正數(shù)據(jù)，進(jìn)行高精度、高速度、實時動態(tài)的定位和導(dǎo)航服務(wù)。
　　VRS系統(tǒng)包括3部分：網(wǎng)絡(luò)控制中心（計算中心和數(shù)據(jù)發(fā)布中心）、連續(xù)運行GPS基準(zhǔn)站和用戶部分。GPS移動站向控制中心發(fā)送其概略位置。
　　控制中心接收此信息并進(jìn)行誤差計算重新向移動站發(fā)送差分改正信息。GPS移動站利用接收到的差分改正信息對實際觀測值進(jìn)行修正后，定位誤差可以達(dá)到厘米級精度。這種為一個虛擬的、沒有實際架設(shè)過的參考站創(chuàng)建原始參考數(shù)據(jù)的技術(shù)，稱為“虛擬參考站技術(shù)”。
　　VRS系統(tǒng)的覆蓋范圍大，相鄰參考站之間的距離可達(dá)70 km。VRS系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)任意位置的定位精度始終保持一致，不會隨測量位置與參考站之間距離的變化而變化。VRS技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著GPS的發(fā)展進(jìn)入新的階段。它將使GPS的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的擴(kuò)展，代表著GPS的發(fā)展方向。
　　2 基于VRS的PAC-GPS接收機(jī)的開發(fā)
　　PAC-GPS接收機(jī)包括GPS-OEM模塊、無線通信模塊、微控制器模塊、U盤模塊、鍵盤和液晶顯示部分（圖1），其中：GPS模塊用于接收GPS原始數(shù)據(jù)；無線通訊模塊用于與VRS控制中心的通訊，發(fā)送當(dāng)前位置的GPS原始數(shù)據(jù)并接收差分?jǐn)?shù)據(jù)；液晶顯示和鍵盤構(gòu)成人機(jī)界面，用于選擇定位方式、數(shù)據(jù)輸出方式并實時顯示經(jīng)緯度。系統(tǒng)利用ARM7處理器根據(jù)所選擇的定位方式及輸出方式控制GPS模塊和GPRS模塊工作。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上，GPS主要有兩大功能：一是將實時的位置信息輸出到田間計算機(jī)，為變量施肥、變量噴藥、自動導(dǎo)航等提供數(shù)據(jù)支持；二是將位置信息保存，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后用于農(nóng)田面積計算等。因此，為滿足農(nóng)業(yè)應(yīng)用的需求，在PAC-GPS接收機(jī)的設(shè)計上增加了串口輸出及U盤存儲功能。

　　圖1 PAC-GPS接收機(jī)硬件原理圖
　　2.1 微控制器
　　PAC-GPS接收機(jī)中的微控制器采用ARM7LPC2119,內(nèi)部集成了16 kB SRAM和128 kB高速Flash存儲器，具有2個UART接口。微控制器的主要功能是控制系統(tǒng)中各模塊協(xié)同工作。通電后，首先啟動GPS模塊和無線模塊并初始化液晶顯示模塊。微控制器通過串口接收GPS模塊發(fā)來的NMEA-0183語句，并提取其中的經(jīng)緯度信息送液晶顯示屏進(jìn)行實時顯示。若接收機(jī)工作在差分模式，則需要通過串口向無線通信模塊發(fā)送AT指令及本地GPS位置信息，接收無線通信模塊的差分?jǐn)?shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至GPS模塊。
　　2.2 GPS-OEM模塊
　　PAC-GPS接收機(jī)中GPS-OEM模塊選擇法國泰雷茲公司生產(chǎn)的具有亞米級精度的AC12,可輸出工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，接收RTCM格式的差分信息并兼容SBAS（WAAS/MSAS/EGNOS）星基增強(qiáng)系統(tǒng)。GPS模塊AC12有2路串行通訊口，串口A和串口B。串口A（TXD、RXD）接收控制命令并輸出NMEA格式的GPS數(shù)據(jù)；串口B（RTCM）接收RTCM格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)。AC12采用TTL電平，LPC2119可與其直接連接。為了節(jié)約串口資源，接收命令腳（RXD）接到LPC2119的I/O口上，LPC2119通過模擬串口時序發(fā)送控制信息；而RTCM和TXD引腳上傳輸信息量大，為了保證數(shù)據(jù)傳輸正確無誤，需要接到標(biāo)準(zhǔn)串口UART0上。
　　2.3 無線通信模塊無線通信模塊采用西門子公司的MC55。該模塊支持語音、短消息及傳真業(yè)務(wù)，并且提供1.2~115.2 kb/s可選波特率。本研究中，采用成本較低且穩(wěn)定性較好的GPRS （general packet radioservice）模式建立與VRS控制中心的TCP/IP連接。GPRS是在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動通信業(yè)務(wù)，可以為移動用戶提供高速無線IP,在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間建立連接服務(wù)。
　　GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，無空間和距離限制，使用GPRS技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組收發(fā)，用戶能夠永遠(yuǎn)在線，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。另外，GPRS接入速度快，一般只需1~3 s就可以登陸互聯(lián)網(wǎng)。建立連接后，模塊需要發(fā)送NTRIP（networked transport ofRTCM via internet protocol）協(xié)議頭文件至VRS控制中心服務(wù)器獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)源信息；若服務(wù)器反饋連接成功信息， MC55再發(fā)送NMEA格式的/GPGGA0語句至服務(wù)器以下載差分信息。
　　2.4 U盤存儲模塊
　　U盤存儲模塊采用南京恒沁電子有限公司生產(chǎn)的CH375M。當(dāng)GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)輸出方式設(shè)置為U盤存儲時，微控制器通過串口控制U盤讀寫模塊并將采集的數(shù)據(jù)傳給U盤讀寫模塊，再由U盤讀寫模塊將數(shù)據(jù)寫入U盤，完成數(shù)據(jù)存儲。
　　2.5 鍵盤和液晶顯示模塊
　　鍵盤選用4×4行列式鍵盤，系統(tǒng)采用查詢法確定有無鍵按下并獲得鍵值。液晶顯示模塊采用LCM128645ZK。LPC2119的I/O口通過串行通信的方式連接LCM128645ZK,以實現(xiàn)控制命令的輸入、字符顯示和清屏等操作。鍵盤與液晶模塊配合使用可實現(xiàn)GPS定位方式和輸出方式的選擇，以及實時顯示經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和狀態(tài)提示信息等。
　　3 試驗與分析
　　面積測量實驗于2008-10-10在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)（東校區(qū)）足球場進(jìn)行。為了分析PAC-GPS接收機(jī)在不同定位方式、不同被測面積情況下的面積測量精度，分別對足球場面積、70 m@54 m矩形面積和半徑分別為5.0、9.1、15.0、20.0 m的圓面積進(jìn)行測量。
　　3.1 矩形面積和圓面積的測量及分析
　　試驗?zāi)康模悍治霰粶y地塊形狀和面積不同時PAC-GPS接收機(jī)的面積測量精度。
　　將用皮尺測量并人工標(biāo)定的待測地塊邊界作為標(biāo)準(zhǔn)，手持PAC-GPS接收機(jī)繞邊界行走并記錄軌跡信息。通過中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室自行開發(fā)的Yieldmapper軟件中的面積測量功能計算被測地塊面積，面積測量方法為解析法，單位為m2,其中，半徑為5.0 m和15.0 m的圓面積分別測2組數(shù)據(jù)，足球場中心圓（半徑9.1 m）和20.0 m半徑圓面積分別測3組，矩形面積測1組（表1）�？梢�，通過多次測量取平均的方法，所有被測面積的相對誤差最大不超過2.25%;雖然半徑為9.1 m圓面積的測量誤差較半徑5.0 m的大，但總體上，隨著面積的增大，測量誤差逐漸減小。當(dāng)被測面積大于714 m2時，相對誤差小于1%;被測面積約為3 740 m2時，相對誤差僅為0.14%。試驗數(shù)據(jù)表明，PAC-GPS接收機(jī)在小塊面積測量時有較高精度，能夠滿足農(nóng)田面積測量要求。

　　表1 PAC-GPS接收機(jī)測量得到的圓形和矩形面積及誤差分析
　　從PAC-GPS接收機(jī)測量軌跡圖（圖2）可以看出，被測面積邊界的輪廓線性良好。雖然測量中采用VRS差分后的接收機(jī)定位精度為亞米級，但由于GPS定位數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)相對于真實位置的誤差偏移具有一致性，因此被測面積邊界保持了良好的輪廓。

　　圖2 PAC-GPS接收機(jī)對不同半徑圓的測量軌跡圖
　　3.2 足球場面積的測量分析
　　試驗?zāi)康模悍治霾煌�定位方式下PAC-GPS接收機(jī)對同一被測地塊的面積測量精度。
　　首先使用工作在RTK差分模式下的Aggps332接收機(jī)繞足球場行走1周，記錄的運動軌跡作為足球場標(biāo)準(zhǔn)面積；然后手持本課題開發(fā)的PAC-GPS系統(tǒng)，使之分別工作在單機(jī)、SBAS差分和VRS差分狀態(tài)下，各繞足球場行走2圈，記錄軌跡信息。面積計算方法同3.1試驗，結(jié)果分析見表2。

　　表2 不同定位方式下PAC-GPS接收機(jī)測量得到的足球場面積及誤差分析
　　由表2可以看出：VRS差分定位方式所測得面積的相對誤差為0.64%,而單機(jī)定位和SBAS差分定位方式所測得面積的相對誤差稍大，經(jīng)過2次測量取平均后相對誤差可以控制在3%以內(nèi)。與其他差分方式相比，采用VRS差分后的軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡的重合相對較好（圖3），單機(jī)定位方式和SBAS差分定位方式軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡偏離較遠(yuǎn)。由以上分析可知，無論采用哪一種定位方式，其相對誤差均比較小，可以滿足農(nóng)田面積測量的要求。

　　圖3 PAC-GPS接收機(jī)在單機(jī)模式、SBAS差分模式和VRS差分模式下的足球場測量軌跡
　　4 結(jié)束語
　　本研究采用低成本GPS OEM板并結(jié)合無線通信模塊，開發(fā)了一套可接收VRS差分信息的GPS接收系統(tǒng)。此系統(tǒng)差分定位精度為亞米級，測量數(shù)據(jù)通過串口輸出或U盤存儲，兼顧了成本和精度2方面的要求。試驗結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)進(jìn)行面積測量，由于GPS定位的誤差偏移在短時間內(nèi)具有一致性的原因，被測面積邊界線性良好，相對誤差小于3%,可以為精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供可靠精確的數(shù)據(jù)支持。所設(shè)計的GPS接收系統(tǒng)還存在的不足是接口形式單一、功能相對簡單。進(jìn)一步應(yīng)進(jìn)行以下2方面的研究：
　　1）增加CAN總線接口，使之可直接與田間計算機(jī)相連，便于定位數(shù)據(jù)的實時顯示；
　　2）內(nèi)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，便于數(shù)據(jù)的實時處理。