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(gè)全天候、全球性、信號(hào)覆蓋范圍廣、基于衛(wèi)星的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供實(shí)時(shí)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(cè)量?jī)x在農(nóng)田定位信息采集、處方農(nóng)作實(shí)施、農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和面積測(cè)量等方面起著重要作用。由于目前我國(guó)市場(chǎng)上低成本GPS設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)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(guó)外引進(jìn)，成本高，不利于推廣，因此自主開(kāi)發(fā)針對(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)具有VRS接入功能的產(chǎn)品主要有廣州南方測(cè)繪儀器有限公司生產(chǎn)的厘米級(jí)精度接收機(jī)（靈銳S82-2008），廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司的V8 GNSS RTK系列等。針對(duì)采用GPSOEM板自主研制低成本GPS接收機(jī)的較多：過(guò)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(jí)。楊平等討論了GPSOEM板與單片機(jī)的通信協(xié)議并實(shí)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(shí)現(xiàn)了GPS OEM板與掌上電腦（PDA）、PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信。國(guó)內(nèi)GPS應(yīng)用于面積測(cè)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(cè)量及誤差分析，測(cè)量相對(duì)誤差根據(jù)被測(cè)面積和GPS接收機(jī)本身的精度也有所不同，被測(cè)面積越大，相對(duì)誤差越小。綜上，國(guó)內(nèi)外可接入VRS的產(chǎn)品雖然精度很高，但價(jià)格比較昂貴，幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)元；國(guó)內(nèi)采用OEM板自主開(kāi)發(fā)的接收機(jī)普遍功能簡(jiǎn)單，大多數(shù)沒(méi)有VRS接入功能，而且不具備U盤(pán)存儲(chǔ)等功能，為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)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(jì)算工時(shí)和收費(fèi)的主要依據(jù)。相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，使用GPS進(jìn)行面積測(cè)量具有不受面積大小和形狀限制，快速準(zhǔn)確、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)；而目前應(yīng)用于面積測(cè)量的接收機(jī)大多為米級(jí)精度，相對(duì)誤差較大，而且對(duì)于1 hm2左右，特別是小于0.1 hm2的地塊相對(duì)測(cè)量誤差分析較少，不能為農(nóng)田面積的精確測(cè)量提供數(shù)據(jù)支持。
　　本研究旨在開(kāi)發(fā)能夠接收VRS差分信息的低成本亞米級(jí)精度GPS接收機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)PAC-GPS），并分析其在不同面積測(cè)量中的精度，特別是小塊面積測(cè)量中的相對(duì)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(jiǎn)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(gè)或3個(gè)以上的GPS參考站組成，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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(duì)原始觀(guān)測(cè)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(kù)，并由信息發(fā)播系統(tǒng)向外發(fā)布，為移動(dòng)站提供精確的位置修正數(shù)據(jù)，進(jìn)行高精度、高速度、實(shí)時(shí)動(dòng)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(jì)算中心和數(shù)據(jù)發(fā)布中心）、連續(xù)運(yùn)行GPS基準(zhǔn)站和用戶(hù)部分。GPS移動(dòng)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(jì)算重新向移動(dòng)站發(fā)送差分改正信息。GPS移動(dòng)站利用接收到的差分改正信息對(duì)實(shí)際觀(guān)測(cè)值進(jìn)行修正后，定位誤差可以達(dá)到厘米級(jí)精度。這種為一個(gè)虛擬的、沒(méi)有實(shí)際架設(shè)過(guò)的參考站創(chuàng)建原始參考數(shù)據(jù)的技術(shù)，稱(chēng)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(huì)隨測(cè)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(kāi)發(fā)
　　PAC-GPS接收機(jī)包括GPS-OEM模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、微控制器模塊、U盤(pán)模塊、鍵盤(pán)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(wú)線(xiàn)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(pán)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的位置信息輸出到田間計(jì)算機(jī)，為變量施肥、變量噴藥、自動(dòng)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(jì)算等。因此，為滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)應(yīng)用的需求，在PAC-GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)上增加了串口輸出及U盤(pán)存儲(chǔ)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(chǔ)器，具有2個(gè)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(dòng)GPS模塊和無(wú)線(xiàn)模塊并初始化液晶顯示模塊。微控制器通過(guò)串口接收GPS模塊發(fā)來(lái)的NMEA-0183語(yǔ)句，并提取其中的經(jīng)緯度信息送液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。若接收機(jī)工作在差分模式，則需要通過(guò)串口向無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送AT指令及本地GPS位置信息，接收無(wú)線(xiàn)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(guó)泰雷茲公司生產(chǎn)的具有亞米級(jí)精度的AC12,可輸出工業(yè)級(jí)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(guò)模擬串口時(shí)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(wú)誤，需要接到標(biāo)準(zhǔn)串口UART0上。
　　2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊無(wú)線(xiàn)通信模塊采用西門(mén)子公司的MC55。該模塊支持語(yǔ)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(lái)的一種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，可以為移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP,在移動(dòng)用戶(hù)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(wú)空間和距離限制，使用GPRS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組收發(fā)，用戶(hù)能夠永遠(yuǎn)在線(xiàn)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(yǔ)句至服務(wù)器以下載差分信息。
　　2.4 U盤(pán)存儲(chǔ)模塊
　　U盤(pán)存儲(chǔ)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(pán)存儲(chǔ)時(shí)，微控制器通過(guò)串口控制U盤(pán)讀寫(xiě)模塊并將采集的數(shù)據(jù)傳給U盤(pán)讀寫(xiě)模塊，再由U盤(pán)讀寫(xiě)模塊將數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
　　2.5 鍵盤(pán)和液晶顯示模塊
　　鍵盤(pán)選用4×4行列式鍵盤(pán)，系統(tǒng)采用查詢(xún)法確定有無(wú)鍵按下并獲得鍵值。液晶顯示模塊采用LCM128645ZK。LPC2119的I/O口通過(guò)串行通信的方式連接LCM128645ZK,以實(shí)現(xiàn)控制命令的輸入、字符顯示和清屏等操作。鍵盤(pán)與液晶模塊配合使用可實(shí)現(xiàn)GPS定位方式和輸出方式的選擇，以及實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和狀態(tài)提示信息等。
　　3 試驗(yàn)與分析
　　面積測(cè)量實(shí)驗(yàn)于2008-10-10在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)（東校區(qū)）足球場(chǎng)進(jìn)行。為了分析PAC-GPS接收機(jī)在不同定位方式、不同被測(cè)面積情況下的面積測(cè)量精度，分別對(duì)足球場(chǎng)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(cè)量。
　　3.1 矩形面積和圓面積的測(cè)量及分析
　　試驗(yàn)?zāi)康模悍治霰粶y(cè)地塊形狀和面積不同時(shí)PAC-GPS接收機(jī)的面積測(cè)量精度。
　　將用皮尺測(cè)量并人工標(biāo)定的待測(cè)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(guò)中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的Yieldmapper軟件中的面積測(cè)量功能計(jì)算被測(cè)地塊面積，面積測(cè)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(cè)2組數(shù)據(jù)，足球場(chǎng)中心圓（半徑9.1 m）和20.0 m半徑圓面積分別測(cè)3組，矩形面積測(cè)1組（表1）�？梢�(jiàn)，通過(guò)多次測(cè)量取平均的方法，所有被測(cè)面積的相對(duì)誤差最大不超過(guò)2.25%;雖然半徑為9.1 m圓面積的測(cè)量誤差較半徑5.0 m的大，但總體上，隨著面積的增大，測(cè)量誤差逐漸減小。當(dāng)被測(cè)面積大于714 m2時(shí)，相對(duì)誤差小于1%;被測(cè)面積約為3 740 m2時(shí)，相對(duì)誤差僅為0.14%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PAC-GPS接收機(jī)在小塊面積測(cè)量時(shí)有較高精度，能夠滿(mǎn)足農(nóng)田面積測(cè)量要求。

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

　　圖2 PAC-GPS接收機(jī)對(duì)不同半徑圓的測(cè)量軌跡圖
　　3.2 足球場(chǎng)面積的測(cè)量分析
　　試驗(yàn)?zāi)康模悍治霾煌�定位方式下PAC-GPS接收機(jī)對(duì)同一被測(cè)地塊的面積測(cè)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(chǎng)行走1周，記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡作為足球場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)面積；然后手持本課題開(kāi)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(chǎng)行走2圈，記錄軌跡信息。面積計(jì)算方法同3.1試驗(yàn)，結(jié)果分析見(jiàn)表2。

　　表2 不同定位方式下PAC-GPS接收機(jī)測(cè)量得到的足球場(chǎng)面積及誤差分析
　　由表2可以看出：VRS差分定位方式所測(cè)得面積的相對(duì)誤差為0.64%,而單機(jī)定位和SBAS差分定位方式所測(cè)得面積的相對(duì)誤差稍大，經(jīng)過(guò)2次測(cè)量取平均后相對(duì)誤差可以控制在3%以?xún)?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(duì)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(wú)論采用哪一種定位方式，其相對(duì)誤差均比較小，可以滿(mǎn)足農(nóng)田面積測(cè)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(chǎng)測(cè)量軌跡
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　本研究采用低成本GPS OEM板并結(jié)合無(wú)線(xiàn)通信模塊，開(kāi)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(jí)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出或U盤(pán)存儲(chǔ)，兼顧了成本和精度2方面的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)進(jìn)行面積測(cè)量，由于GPS定位的誤差偏移在短時(shí)間內(nèi)具有一致性的原因，被測(cè)面積邊界線(xiàn)性良好，相對(duì)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(jì)的GPS接收系統(tǒng)還存在的不足是接口形式單一、功能相對(duì)簡(jiǎn)單。進(jìn)一步應(yīng)進(jìn)行以下2方面的研究：
　　1）增加CAN總線(xiàn)接口，使之可直接與田間計(jì)算機(jī)相連，便于定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；
　　2）內(nèi)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。