（控制理论与控制工程专业论文）应用于精细农业的GPS信息采集系统的基础研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 g p s 接收板输出的定位信息与专业应用相结合是目前的发展方向，把g p s 的精确定位技术用于精细农业实践将对农业现代化的发展有不可估量的作用，具 有广阔的应用前景。 本文介绍了全球定位系统的构成和g p s 定位的基本工作原理，概述了精细 农业的系统体系及其对g p s 数据的应用。针对g a r m i n 公司0 e m 接收板 g p s 3 5 h v s 的特点和输出数据格式，进行了定位数据采集和处理的设计：包括 单片机的现场采集和向上位机传送数据的软硬件实现、数据处理及提高精度问 题。本课题利用开发出的单片机采集系统进行了大量的数据采集实验，测试出各 种情况下接收板的定位精度，并分析误差原因。上位机通信界面基于v b 环境编 制，与下位机或接收板的通信应用其通信控件来完成。根据g p s 定位原理，在 校园内选取实际地块，分别进行了单机的静态和动态测量，以及双机相对定位实 验，绘出地块边界曲线形状，并进行后期处理和结果分析，实验结果令人满意。 最后，在m a p i n f o 环境下对实际地块进行了电子地图的绘制，与实际效果吻合较 好。 关键词：精细农业；全球定位系统；o e m 接收板；精度测试；数据采集 壅旦主翌塑垄些箜鱼坠堡星墨塞墨堑塑薹型堑窒 a b s t r a c t t h e p o s i t i o n i i l 】f o n i l a t i o n疗o mg p sr e c e i v e r c o m b i n i n g w i t h p a r t i c u l a r 印p l i c a t i o ni sb e c o m i n gt l l ep r e s e m 仃e n d n 、 ，i l lh a v ei m m e a s u r a b l ee 圩b c t 孤db r i 曲t f i l t i l r eo nt l l e a g r i c l l l t i l r em o d e m i z a t i o nb ya p p l y i n g a c c l l r a t e p o s i t i o n i r 培o fg p s t e c h n o l o g y i n t ot h ep r e c i s i o n i n g t h ep a p e ri n t r o d u c e sm es 伽l c t u r eo ft l l eg 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma 1 1 dt 1 1 e d a i i l e n t a lp o s i t i o n i n gp r i n c i p l eo fg p st e c h n o l o g y ，o u u i n c s 也ep r e c i s i o nf 妇i n g s y s t e ma n dt l l ea p p l i c a t i o no fg p si i l f b h n a t i o n f o rt h ec h a r a c t e ra r l dt l l eo u t p u td a t a f o m l a to fm e0 e mr e c e i v e rg p s 3 5 h v so ft h eg a r m i nc o m p a n y ，ad e s i g no f p o s i t i o n i n g d a t ac 0 1 l e c t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m i s d e v e l o p e d ：i n c l u d i n g t h e h a r d 、v a r ea 1 1 ds o f t w 盯ei m p l e m e n t a t i o no ft l l ef i e l dd a t ac o l l e c t i o nb ys i n g l ec h i p p m c e s s o ra i l dt l l ed a 恤仃a 1 1 s m i m n gt op c ，d a t ap m c e s s i n ga 1 1 dh o w t oi m p r o v et l l e a c c l l r a c yt h i ss u b j e c tu s e st h es i n g l ec h i pp r o c e s s o rs y s t e m t oc o l l e c tag r e a td e a lo f d a t af o re x p e r i m e n t ，t e s t st h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no fn 地r e c e i v e ra ta uk i n d so f s i n l a t i o n a i l da n a l v s e st 1 1 er e a s o nf o re 仃o r t h ep cc o m m u n i c a l j o ni m e r f k ei s p r o g r a m m e db yv b ，i tc o m m u n i c a t e sw i t l lr e c e i v e rt l l r o u g h n l ec o m mc o n t r 0 1 a c c o r d i n g t o 也ep r i n c i p l eo fg p s p o s i t i o n i n g ，c h o o s eo n e a r e ai nc a 瑚i p u st om e a s i l r e b ys t a t i ca 1 1 dd y n a 埘cr e s p e c t i v e l y 、i t hs i n g l er e c e i v e r s ，a l l dt l l er e l a t i v ep o s i t i o n i n g e x p e r i m e m 谢m 伽or e c e i v e r s ，d r a wt h eb o r d e rc u r v eo f t 1 1 e a r e a ，m a l ( em ep o s t p r o c e s sa n dt h er e s u l ta n a l y s i s ，t l l ee x p e r i m e mr e s u l t s a r es a t i s f a c t o 珥i n 也ee n d ， u s i n gm a p i n f op r o g r a mt od r a w 如ee l e c t r o l l i cm a p o f 血ep r a c t i c a la r e a ，t l l er e s u l t m a t c h e sw e l lw i t l lt h ef h c t k e y w o r d s ：p r e c i s i o nf a 玎n i n g ； g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ；o e mr e c e i v e rb o a r d ； p r e c i s i o nt e s t ：d a t ac o l l e c t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅a 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 r 保密u ，在 年解密后适用本授权书。 不保密囵 。 学位论文作者签名：局t 秀 卵了年月f 曰 指导教师签色勿、) 阂多匆 多一，年月t6 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 t 1 研究目的和意义 在现代农业生产中，增加产量和提高效益是根本目的，然而上个世纪后半期 世界农业的高速发展除了依靠生物遗传育种技术的进步以外，基本上是在化肥与 农药等化学品的大量增加和机械动力与矿物能源大量投入的条件下获得的。由此 引起的农业水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、生态环境恶化等 问题，已经引起国际社会的广泛关注，并成为实践农业可持续发展的重要驱动力。 “精细农业技术正是在这种环境下应运而生的【“2 矗4 5 】，它改变了传统农业忽 略大多数土地存在空间差异和时间差异的实际而对某一片土地进行统一管理的 做法，用现代高新技术特别是信息技术来改造传统农业，以变量管理为核心，根 据每一小区域间反映的差异性参数( 如土壤情况、作物生长情况、产量及其他各 种耕作参数) ，通过预先存储在计算机内的专家系统，得到每一小区域间不同的 对策，再通过变量执行机构实现这些对策，以求最佳效果和最低代价，从而达到 增产高效的目的b “。 精细农业是一个系统工程，基本工作流程主要由三部分组成：农田信息采集、 智能决策、田间管理，三者相互作用，构成一个整体。为了能进行田地的变量管 理就必须对田间土地进行精细划分，空问信息进行准确定位，从而进行精确采样， 精确施肥，而进行精确定位的首选技术即是g p s 定位技术。它在精细农业中的 作用主要有以下几点【7 j ： ( 1 ) 用于田间地块土壤信息采样点位置坐标的获取 ( 2 ) 用于农业机械在田间作业时的导航定位 ( 3 ) 用于田间工作管理 g p s 技术的高精度定位是完成这些任务的基本保障，所以基本工作应该是把 这些高精度的定位信息实时采集过来，从而确定各信息采样点的位置坐标。但是 在精细农业技术的真正实施中，g p s 的作用与地理信息系统( g i s ) 是密不可分的， 二者的有机结合可以实现实时可视化分析和处理空间数据，实时测定显示动态轨 迹，并很好地与专家系统和决策支持系统相结合。在一个典型的体现精细农业思 第i 页t 共6 5 夏 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 想的自动化农机系统中，一般用g p s 确定农机的位置，g i s 记录、分析该位置 信息和相应的传感器信息( 如土壤水分) ，系统根据这些信息和已有的经验信息进 行分析，发送相应的决策信息，从而控制农机产生相应的动作。 精细农业思想与1 9 9 8 年美国前副总统戈尔提出“数字地球”概念相一致【8 】。 戈尔提出：“认识2 1 世纪我们这座星球，把关于人类星球的原始数据转换成可理 解的信息，这种信息不仅包括地球的高分辨率卫星摄像、数字地图，也包括经济、 社会和人口的信息；把地球上的信息全部数字化，在计算机上了解每平方米地球 的情况和信息而且要建立高速网络与“数字地球”连接，并通过i n t e m e t 实行更高 层次的访问”。如果数字地球能够实现，科学家就可以方便地获得土壤类型、地 形、气候、植被、土地利用等变化的数据，模拟人类活动对生产和环境的影响， 制定可持续发展对策。可见，精细农业这一战略思想是地球数字化的一个重要方 面，即“数字农业”。它符合农业发展客观现实，与人类在新形势下节约资源、 保护环境及实现可持续发展的要求相一致，它的提出和发展掀起了一场新的农业 技术革命，必将使农业从一种低水平的以经验为主的产业转变为高水平的依靠高 新技术的产业，将有非常广阔的应用前景。尤其是在我国，人口多而土地资源有 限，现有生产力水平低下，环境资源破坏和污染严重，解决粮食问题的出路只能 是发展高效农业。“数字农业”的发展将使农业发展与农业环境资源治理得到很 好的协调，使我国农业按最合理的方向得到持续发展。因此，在我国进行精细农 业技术的研究和实践，走农业可持续发展的道路在合理利用资源、提高农作物产 量、降低成本和改善生态环境等方面具有重要的现实意义。 第2 页戈稻页 江苏大学硕士学位论文 1 2 精细农业技术概述 1 - 2 1 精细农业思想体系 “精细农业”( p r e c i s i o nf a r r n i n g ) 又称精细农作或精确农作，这一提法最早 见于美国宾西法尼亚大学一个研究小组的工作【9 l ，他们于1 9 9 2 年成功地应用g p s 技术跟踪迁飞性农业害虫欧洲玉米螟，研究了其分布和生活习性及动向情 况，准确地指导了对此类害虫的化学防治。 精细农业是一种战略思想，是信息和人工智能高新技术在农业中的应用。 它的全部概念建筑在“空间差异”( s p a t i a lv a r i a b i l i t y ) 的数据采集和处理上， 其核心意图是实时测知作物个体和小群体，平方米尺度小地块生长或防疫的实际 需要，及时确定对其针对性的投入( 肥、水、药、饲料等) 的量、质和时机。这 一技术主要是在农业可持续发展的思想指导下“提商效益，减少投入，节约资源， 保护环境。”其思想体系如图卜l 所示。 图1 1 精细农业技术思想体系 1 2 2 精细农业基本技术及实施 全球定位系统( g p s ) 是“精细农业”的基础和重要技术支持。在精细农业中 应用g p s 技术主要是差分g p s 技术，可以达到米级或厘米级的定位精度。利用差 分g p s 技术精确定位功能，能够回答定位最简单基本的“我在哪里”的问题，配 第3 元。菠6 5 甄 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 合相关仪器和设备可以做到：土壤养分分布调查；监测作物产量；合理施肥等。 地理信息系统( g i s ) 与g p s 技术在精细农业中密不可分。地理信息系统是 一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台， 是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统，目前流行的软件有 m a p i n f o 、a r c v i e w “”等。g i s 中的数据可以被访问、变换、交互式处理。在精细 农业技术体系中，g i s 主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、生产 条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等空间信息数据库，进行空 间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方 决策方案。 遥感技术( r s ) 是支持大面积快速获得田间数据的重要工具。它利用高分辨 率( 米级分辨率) 传感器，在不同的作物生长期，实施全面监测，根据光谱信息， 进行空间定性、定位分析，为定位处方农作提供大量的田间时空变化信息。通常 r s 数据图形可以是g i s 的一个图层，作为补充实地采集的土壤肥力，杂草、虫 害等数据层，同时做些补充处理以使得r s 图层与其他数据层的地理位置相一致。 目前的精细农业正在逐步发展和完善3 s ( 即g p s 、g i s 和r s ) 一体化技术，使 r s 技术对g i s 数据进行补充，从而为g i s 提供更精确、更丰富的数据信息。3 。 图1 2 精细农业实施过程 精细农业技术实施作业不但要有差分g p s 技术的精确定位1 ，g i s 数据信息 的存取和处理，r s 技术的高效数据获取，还要有如决策支持系统d s s ( d e c i s i o n 第4 ，页热奄g 爽 江苏大学硕士学位论文 s u p p o r ts y s t e m ) ，农田信息采集与处理技术，系统集成技术等相关技术和智能 化设备的配套支持才能进行。图卜2 为精细农业技术实施体系图。过程为：带 差分g p s 即d g p s 定位系统的产量传感器的联合收割机自动采集田间定位及小区 平均产量数据“2 1 ”1 ：通过计算机处理生成作物产量分布图；根据田间地形、 地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，支持作物管理的数据库和模型 库及专家系统的决策支持系统，以及管理人员的参与形成作物管理处方图；根 据处方图采用不同方法或相应的变量处方，农业机械按小区实施目标投入和精细 农业管理( 播种、施肥、植保等) 。 1 2 3 精细农业发展现状及应用前景 精细农业在国外发展现状 二十一世纪末期，农业生产上的资源大量浪费和环境污染问题引起国际社会 的普遍关注。例如土壤养分含量以及杂草等在地块内特别是大面积地块内普遍存 在分布的不均匀性，而常规做法是在整块地施用同一剂量的肥料和除草剂，出现 了多施和欠量的现象，既污染环境又影响植株的健壮生长，造成产量下降。真正 “因地制宣”的精细农业技术成为现代农业生产研究的热门话题，其显示出的巨 大技术优势和经济效益潜力促使美国等西方国家大型农化公司纷纷投资开发研 究这项技术。例如a f s ( a d v a n c e df a n n i n gs y s t e m ) 是美国c a s ei h 公司开发的 一个支持精细农业技术的先进农业管理系统。a f s 提出了全新的作物生产方式， 实现了工程技术和农艺技术的结合，技术开发与技术应用的结合，它的宗旨是挖 掘农作物产量潜力，提高生产收益。再如f i e l d s t a r 是英国m a s s e yf e 唱u s o n 公司 研制开发的支持精细农业技术体系的一个农田信息管理系统【l4 1 。它利用先进的传 感技术和g p s 技术自动记录产量和其他有关数据，自动控制和优化实施播种、 施肥和喷药作业。其最终目标是获取最大利润，改善对环境的影响。其他的还如： 美国t r i m b l e 公司的a g g p s s y s t e m ，j o h nd e r c e 公司的g r e e n s t a r ( 1 5 】，加拿大 的g e o s t a r 等。 在农机上安装g p s 用户设备后，机手可以在显示屏上监视喷施机行走的轨 迹，根据农机当时所在点土壤信息图上的位置及土壤养分信息判定该处的喷洒量 以及采用怎样的肥料配比，并随时指令配料仓自动改变输出量及成分配比，做到 第5 页共6 5 页 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 以数株或几十株为基础的因苗、因土精确喷肥、喷药。这样就大大提高了农事操 作的精确度和化肥农药的利用率，提高了经济效益。 近年来，3 s 技术在农业上的应用成为最有吸引力的前沿性研究领域，主要 包括利用3 s 技术实现：( 1 ) 合理利用农业资源( 2 ) 提高农作物产量( 3 ) 降低 生产成本( 4 ) 改善生态环境等。如在降低生产成本方面：现代农业正走向大农 业和机械化道路，大量采用飞机播种、除草、施肥等工作【l “。利用g p s 合理地 布设航线和准确地引导飞机，可以大大节省飞机作业的费用，据报导，可降低成 本约5 0 。 精细农业在国内发展现状 近几年来，我国科技界在推进新的农业科技革命中，对国外“精细农业”技 术的发展引起了广泛的关注，精细农业的技术思想已开始引起科技和产业界的重 视。在我国，精细农业技术试验示范已经开始【4 】，北京和上海精细农业示范工程 项目已开始启动实施。中国农业大学在农业电气化与自动化部级重点学科基础 上，于1 9 9 8 年正式建立了我国第一个“精细农业”研究中心：并带动了在浙江 大学、华南农业大学、西北农林科技大学和河北农业大学等精细农业研究试验室 的建立和研究生的培养工作。中国农业大学精细农业研究中心、中国农业科学院 土肥所、浙江大学农业工程与食品科学学院、西北农林科技大学机电工程学院、 华南农业大学和江苏大学等单位，近几年来先后引进了d g p s 、g i s 、r s 设备开 展了有关的研究工作，如：农作物生长性状遥感监测、土壤养分和水分快速监测、 作物生长模型、专家系统、决策支持系统、施肥、喷药、灌溉的智能化技术研究 【”】。另一方面，用于精细农业领域的g p s 产品已经被北京等地的种田大户应用 于实践。目前应用g p s 进行的精细农业研究和实践在我国正方兴未艾。 精细农业的发展趋势 迄今，国内外关于精细农业的研究，基本上主要是利用全球定位系统 ( g p s ) ，地理信息系统( g i s ) 以及遥感技术( r s ) ，即3 s 技术，进行精细的 作物管理。今后精细农业的发展将在此基础上不断完善，也必将在各项技术的不 断发展进步中得到改进和加强从而为现代农业发展发挥更大作用。 例如目前，由于遥感技术应用于“精细农业”的主要限制因素是空间分辨 率太低。随着相关技术的迅速发展，分辨率的不断提高，r s 技术必将成为“精 第6 页共6 5 页 江苏大学硕士学位论文 细农业”技术中获取田间信息的重要来源17 1 。r s 获取的是作物生长过程中的时 间序列图象，提供的是农田土壤和作物生长的空间反映光谱，通过d g p s 测量， 寻找光谱与实地测量值之间的关系，推断农田土壤和作物生长的时空变异性。另 外，在作物生长季节，由于r s 定期获取土壤和作物生长的基本数据，可用于修 正作物生长模拟模型，使其更有效地反映作物生长规律，从而更好地服务于“精 细农业”技术实践。 如果说目前实施精细农业技术的主要动力是提高经济效益，那么未来的动力 将是环境问题，尤其要重视减少化肥和农药的投入。通过政府的组织、财政的支 持，并建立相应的限制水、肥、药的立法，刺激农业生产通过节水、节肥、控制 杂草与病虫害的节约农药措施，达到科学调控农业投入，降低作物生产成本，提 高农产品质量，保护生态环境的目的。 第7 页基6 s 须 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 1 3 本文主要工作及内容安排 g p s 输出的定位信息与专业相结合是目前的发展方向，把g p s 的精确定位 用于精细农业实践将对农业现代化的发展有不可估量的作用，具有广阔的应用前 景。本文介绍了g p s 定位的基本工作原理和输出数据格式，叙述了精细农业的 系统体系及其对g p s 数据的应用，研究了数据采集部分( 包括单片机的现场采 集和上位机传输、采集信息) 的软硬件实现、数据处理及提高精度问题。最后利 用开发出的单片机采集系统进行现场测试，上传至p c 机对实测数据进行事后分 析处理。具体内容如下： 1 对g p sh v so e m 板进行精度测试 通过对校园内标准点进行测量分析其单机静态定位精度，对基线测量分析其 测距精度，对地域边界进行测量分析。 2 完成g p s 数据采集系统的原理设计及硬件制作 g p s 卫星数据由r s 2 3 2 标准通过电平转换输出为t t l 电平从而通过串行口 由数据采集系统采集、分析处理后把特征信息显示在数码管显示器上，由于系统 在后面要与土壤分析仪等结合应用采集土壤信息，所以预留刖d 、d a 口。根据 此流程原理完成系统硬件设计，以m c s 5 1 芯片8 0 3 1 作为数据采集的主要芯片。 3 完成g p s 数据采集系统的软件和硬件的设计与调试 针对系统的工程应用特点，采用汇编语言完成数据采集通信和显示的编写与 调试。 4 完成上位机v b 采集接收定位数据的程序设计与调试 5 进行现场实验 箱s 页熟6 5 页 江苏大学硕士学位论文 第二章定位信息采集系统总体组成及原理 2 1 系统组成 整个定位信息采集系统由三大部分组成：g p s 地面接收系统；单片机信号采 集系统；上位机信息处理系统。 2 1 1g p s 地面接收系统 g p s 地面接收系统主要就是g p s 接收机，它是用户利用g p s 卫星信息实现导 航、定位等功能的关键设备。它主要是接收卫星发播的信号，获取导航电文及必 要的观测信息并经数据处理而完成导航定位任务，即捕获并跟踪待测卫星，对接 收到的信号进行变换、放大和处理，测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播 时间并解译出g p s 卫星所发送的导航电文，最后实时地结算出测站的三维位置、 速度和时间“。 目前国内外从事g p s 接收机生产的厂家很多，如美国的t r i m b l e 公司， g a r m i n 公司，日本的t o p c o n 公司，德国的z e i s s 公司，北京开祥公司等。据1 9 9 8 年1 月出版的g p sw o r l d 统计，已有6 0 多家企业生产出4 0 0 多种型号的g p s 接收机。g p s 接收机可以按照不同要求进行分类。 1 根据接收机工作原理分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机。 码相关型接收机的特点是：能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复 制码。工作中通过逐步相移，使接收码与复制码达到最大相关，以测定卫星信号 到达用户接收机天线的传播时间，从而得到伪距观测值。此类接收机可利用c a 码也可利用p 码，但是基本工作条件是必须掌握测距码的结构，所以也称为有码 接收机。 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波 信号。通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位 差来测定伪距观测值。这种接收机只利用卫星的信号无需解码，因而不必掌握测 第9 页共酾页 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 距码的结构，所以也称为无码接收机。 所谓混合型接收机是综合利用了相关技术和平方技术的优点，可以同时获得 码相位和精密的载波相位观测量，定位精度高，目前在测量工作中的广泛使用的 接收机多属于这种类型。 2 根据接收机信号通道分为多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接 收机。 在导航和定位系统中，g p s 接收机需要跟踪多颗卫星的信号。为获得不同卫 星信号的观测量，接收机必须将不同的卫星信号进行分离。接收机的通道即完成 这一功能。 序贯通道接收机，通常只有1 2 个通道。为了跟踪多个卫星信号，在相应 软件的控制下，按时序依次对各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星依 次量测一个循环所需时间较长，所以对某一个卫星信号来讲，跟踪是不连续的。 多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，也是在相应软件控制下，依 次量测各卫星信号。与序贯通道型不同的是循环时间较短，可以保持对卫星信号 的连续跟踪。 所谓多通道接收机，即具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫 星信号的接收机，所以也称为连续跟踪型接收机。随着相关技术的发展，并行多 通道接收机成为主要趋势，而双通道和多路复用通道接收机已经逐渐被淘汰。 3 根据接收的卫星信号频率分为单频接收机( l 1 ) 、双频接收机( l l + l 2 ) 。 单频接收机只能接收调制在l 1 上的载波信号，测定载波相位观测值进行定 位。由于不能有效消除电离层延迟影响，精度较差，所以只适用于短基线( 1 5 k m ) 的精密定位。 双频接收机可以同时接收l l ，l 2 载波信号。利用两个频率对电离层延迟的不 同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此此类接收机可用于长达几 千公里的精密定位。 4 根据接收机用途分为导航型、测量型和授时型。 导航型接收机主要用于确定船舶、飞机、导弹等载体的实时位置和速度，以 保障这些载体按预定的路线航行。此类接收机一般采用单点实时定位，精度较低， 但是结构简单，价格便宜，应用极为广泛。 第更其6 5 页 江苏大学硕士学位论文 测量型接收机，主要是指适于进行精密大地测量工作的接收机。这类接收机 一般采用载波相位观测量进行相对定位，精度很高。但需配有功能完善的软件对 观测数据进行后处理，与导航型相比，结构复杂，价格较贵。 授时型接收机，主要用于天文台或地面监控站进行时频同步测定。 除此以外，用户接收机还有其他分类方式，但是不管如何分类，不管是何种 接收机，它们的结构基本一致，主要包括天线单元和接收单元两大部分啪1 ，如图 2 1 所示。 - 一 一- 一一 - 图2 1g p s 接收机的基本构成原理 1 天线单元 它由接收天线和前置放大器组成。g p s 接收机天线的基本作用是把来自卫星 的信号转化成为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行频率变换， 以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测。对天线的基本要求有：天线与前置放 大器应密封为一体，以保障其在恶劣的气象环境下能正常工作，并减少信号损失： 天线均应呈全圆极化，天线的作用范围为整个上半球，在天顶处没有死角，以保 障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；天线必须采取适当的防护与屏蔽 措施，以尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号的干扰；天线的相位中心与 其几何中心之间的偏差应尽量小且保持稳定。由于g p s 观测量是以天线的相位 中心为准的，而在作业中，天线的安置却是以其几何中心为准，所以在天线设计 中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定性。目前g p s 接收机天 线有：定向天线、偶极子天线、微带天线( 微波传输带型天线) 、螺旋天线等， 由于高性能场效应f e t 放大器的出现，现在多采用有源微带天线。 第l l 贾兴6 5 哽 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 2 接收单元 接收单元由信号通道单元、微处理器、存储单元、计算显示控制单元、标频 器、电源等几部分组成。 信号通道单元：它的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、 滤波等一系列处理过程，实现对g p s 信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置 的数据信息。根据不同需要，可设计成6 1 2 个通道，每一个通道在某一时刻跟 踪一颗卫星。当此卫星锁定后，便占据这一通道，直到此卫星信号失锁为止。 微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算。 存储单元：用于存储输入的各种数据，例如，初始化时间和坐标、航路点、 星历、原始观测量等。 计算显示单元：这一单元的主要功能是：( 1 ) 工作开始的自检；( 2 ) 根据采集 到的卫星星历、伪距观测量计算三维坐标和速度：( 3 ) 人机对话，按照输入航路 点进行导航、输入卫星高度截止角、历元间隔、数据更新率、控制屏幕显示以及 其他指令。g p so e m 板无显示单元，用户根据专业需要进行二次开发。 标频器：用以产生标准频率。 电源：机内装有专用锂电池( 3 v ) ，专供接收机的时钟和r a m 存储器保存星 历和初始化数据用。外接蓄电池向接收机供电。 由于接收机应用于精细农业，希望能充分提取g p s 的每个信息，把导航、 位置、时间等信息和实际有效结合起来，我们选用o e m 板，不但可以降低成本， 更重要的是可以根据自己的需求方便自主地进行二次开发。综合考虑在农业作业 中收割机、施肥机等要求车载仪器体积小巧和需要抗震、防水等性能，我们采用 的是g a r m i n 公司出品的o e m 板g p s 3 5 l p ( g p s 3 5 一h v s ) ，见图2 2 。 图2 2g p s 3 5 h v s 接收板 篱1 2 页恭邸彝 江苏大学硕士学位论文 该型号接收机秉承了其先期产品2 5 l p 的高性价比、快速定位、性能稳定的 优良特征1 2 l 】，更具特色的是其极其紧凑的结构尺寸：5 6 6 4 r 砌( w ) 9 6 4 2 m m ( l ) 2 6 6 0 m m ( h ) ，使其可以在最小空间内使用；内部集成天线，接收来自g p s 卫 星的最低频率为1 5 7 5 4 2 m h z 的l 1 波段信号；独特的鼠标外形、完全防水设计 和优秀抗电磁干扰能力使其应用更广；具有1 2 个并行卫星通道，每个通道可连 续跟踪一颗卫星，所以能瞬间锁定可视卫星，快速识别和再识别当前位置，热启 动1 5 秒，冷启动4 5 秒：具有内建的时钟自恢复和差分等多种特性，为今后扩展 差分定位留下可扩充的性能，如果应用实时差分r t c m 校正数可以达到3 1 0 m 的差分定位精度；提供三种输出：二进制格式相位输出，n m e a 0 1 8 3 格式语句 和l p p s 秒脉冲输出：通过串口通讯，用户有很大的操作空间和配置能力；工作 电源只要能提供6 4 0 v 之间电压的蓄电池即可。总之安全、方便、可靠的工作 性能和极高的性价比使g p s 3 5 一h v s 成为本系统中g p s 信号接收部分的首选。 2 1 2 信息采集与处理系统 信息采集系统主要是以8 0 3 1 单片机为核心构建而成，模块框图如图2 3 所 示。该模块主要功能是通过串行口把g p s 接收机每秒发送过来的串行信号( 包 括经度、纬度、高程、速度等等) 进行接收、校验、显示、存储等，然后传送给 上位机作进一步的数据处理。 图2 3 信号采集模块框图 第1 3 页热醯原 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 信息处理系统主要是使用上位p c 机中v b 通信控件接收来自单片机采集的 数据，从而进行分离、显示、存储特征数据，利用绘图工程软件0 r i g i n 绘制行走 轨迹曲线图，以及经m a t l a b 差分运算处理提高定位精度。这些为后续课题中在 地理信息系统软件m a p i n f 0 环境中实时定位、监测农机的位置和定向奠定了基 础。 第1 4 页共6 5 页 江苏大学硕士学位论文 2 2 系统原理 2 2 1 g p s 全球定位系统的组成 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统是美国国防部批准，美国天宝导航 公司( t r i m b l en a v i g a t i o n ) 等研究的高科技成果，向全球用户提供连续、实时、 高精度的三维位置、三维速度和时间信息。自1 9 9 3 年建成免费开放以来，其应 用范围迅速从军用向民用各个领域扩展，广泛用于航空、航海导航，大地测量， 地质勘探，授时校准等方面。系统主要由三大组成部分：即空间星座部分、地面 监控部分、用户接收设备【2 2 1 。 1 空间星座部分 g p s 的空间卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中3 颗为备用。这些卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道面上有4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为 5 5 。，各轨道平面升交点赤经相差6 0 。，在相邻轨道上，卫星的升交角相差3 0 。 轨道平均高度约为2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。因此，同一观测站 上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4 分钟。每颗卫星每天约有5 小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为 4 颗，最多可达1 l 颗。 图2 4g p s 星座的空间分布 这样的空间配置( 如图2 - 4 所示) 保障了在地球上任何地点，任何时刻均至少 可以同时观测到4 颗卫星，卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此是可实 第1 5 页，粕5 页 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 现全球性、全天候的连续实时定位系统。 g p s 卫星主体呈圆柱形，直径约为1 5 m ，重约7 7 4 k g ，两侧设有两块双叶太 阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电。每颗卫星装有4 台高精 度原子钟( 2 台铷钟和2 台铯钟) ，它们发射标准频率，为g p s 测量提供高精度的 时间标准，是卫星的核心设备。 g p s 卫星的基本功能是 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的指令；卫星 上有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载高精度铯钟和铷钟提供 精密的时间标准；向用户发送导航与定位信息；在地面监控站的指令下，通过推 进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 1 地面监控部分： g p s 的地面监控部分目前主要由分布在全球的5 个地面站组成，其中包括一 个主控站，3 个信息注入站和5 个卫星监测站。主控站位于科罗拉多州斯平市的 联合空间执行中心，3 个注入站分别设在南大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥伽 西亚和太平洋的卡瓦加兰，5 个监控站设在主控站、3 个注入站和夏威夷岛。 监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频g p s 接 收机、高精度原子钟、计算机和若干环境数据传感器。接收机连续观测g p s 卫 星、采集数据、监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准。环境传感器收集当 地有关的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，再存储和传送到主控 站，用以确定卫星的精密轨道。 主控站主要完成下列功能： ( 1 ) 采集数据：它采集各个监测站传送来的数据，包括卫星的伪距、积分多 普勒、时钟、工作状态、监测站状态、气象要素以及海军水面兵器中心的参考星 历。 ( 2 ) 编辑导航电文：根据采集的数据计算每一颗卫星的星历、时钟改正数、 状态参数、大气改正数等，并按一定格式编辑为导航电文，传送到注入站。 ( 3 ) 诊断功能：对整个地面监控部分的协调工作和卫星的健康状况进行诊 断，并进行编码和编入导航电文发送给用户。 f 4 ) 调整卫星：根据需要对卫星进行调整。或者调整卫星轨道到正常位置， 第1 6 页菸6 5 荑 江苏大学硕士学位论文 或者用备用卫星取代失效的工作卫星，或者对卫星是否施加s a 和a s 措施。 注入站的主要设备包括天线、c 波段发射机和计算机，其主要任务是在主控 站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令 等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入卫星的正确性。 整个g p s 的地面监控部分，如图2 5 所示，除主控站外均无人值守。各站 间用现代化的通信系统联系起来，在原子钟和计算机的精确控制下自动运行。 图2 5 地面监控系统方框图 2 用户接收设备 g p s 的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的 基础，用户只有通过用户设备一接收机，才能具体实现导航和定位。 g p s 接收机的主要任务是接收g p s 卫星发射的信号，以获得必要的导航和 定位信息及观测量，并经数据处理完成导航和定位工作。接收机的工作过程如下： ( 1 ) 选择卫星：用户必须预先知道全部导航星的粗略星历，并从可见星( 4 1 】颗) 中选择几何关系最好的4 颗星。若接收机刚投入使用没有星历数据，则需 搜捕卫星信号，只要捕获并跟踪到一颗卫星信号，便可以从其第五子帧取得全部 卫星的星历。 ( 2 ) 搜捕和跟踪被选卫星信号：搜捕信号不必一位一位码地从头到尾进行搜 捕，只要粗略地知道用户位置，便可以在大概的用户到卫星的距离左右搜捕，一 旦捕获到卫星信号并进入跟踪，那么就可以解调出导航信息。 ( 3 ) 获取粗略伪距并进行修正：用f 1 ，f 2 测得的伪距差对测量伪距进行大气 附加延时的修正，只用c a 码的接收机无法进行此项工作。 第1 7 贞共 丽 应用于精细农业的g p s 信息采集系统的基础研究 ( 4 ) 定位计算 2 2 2 g p s 全球定位系统的原理2 “2 2 3 1 绝对定位原理 g p s 绝对定位也叫单点定位，它是利用一台接收机对卫星进行观测从而独立 地确定出自身在w g s 一8 4 地心坐标系的绝对位置，这个位置是唯一的，所以称为 绝对定位。又因为是利用一台接收机完成定位，所以又称为单点定位。利用g p s 进行绝对定位，以g p s 卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根 据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。 绝对定位的实质是基于测量学中的空间距离后方交会2 4 1 。因此，在一个观测 站上，原则上我们得到3 个卫星的位置和它们到测点的距离观测量就可以了，这 时观测站应位于以3 颗卫星为球心，相应距离为半径的球与地面交线的交点上。 用数学语言来说，即可组成包括3 个未知数、y 、z ) 的3 个方程式，这3 个方 程式的解，就是测点的坐标。但是，g p s 卫星上的精密时钟与用户接收机的本地 时钟不同，无法保持同步，所以得到的两个时间之差f 就不是真正的时钟差即电 波传输时间f ，那么电磁波速c 与这个伪钟差f 的乘积也就不是真正的卫星到测 点的距离r ，而称为伪距，记为p ，所以前面所说的距离观测量应改称为伪距观 测量。这样就在测量方程中多了一个未知数真正的时钟差f ，因此就需要至 少同时观测4 颗卫星并得到相应的伪距观测量，组成4 个方程式，才能正确定位。 设可以由卫星星历电文中求出的卫星瞬时地心坐标为( x s ，y s ，z s ) ，接收机的地 心坐标( x p ，y p ，z p ) 为待求量，则对每个卫星的观测方程为 p = r + c f = c 船一j ) 2 + ( 妇一场) 2 + g o 一勿) 2 + c f 有了4 个这样的方程，就可以解出4 个未知数，得到测站的地心坐标位置，如图 2 6 所示。 藻1 8 1 页麸鄂蔗 江苏大学硕士学位论文 图2 6g p s 绝对定位原理图 现有的接收机都能同时跟踪4 颗以上卫星，课题中所用的接收机1 2 通道， 最多可以同时观测到l l 颗卫星，但是在定位计算时仍然利用4 颗卫星，不过这 4 颗卫星是在所跟踪的多颗卫星中经过挑选得到的：按卫星的星座分布分成若干 组，分别计算其几何精度因子p d o p ，最后选择和利用一组其p d o p 最小的卫星 组作为计算数据，以得到最高的定位精度。 g p s 绝对定位在空间和时间上都是独立的。也就是说，它的每一次定位代表 了该测点在该时刻的位置，与其他测点和其他时刻无关。所以，将接收机安装在 运动目标上就可以测量出运动目标的瞬间位置和速度，实现了运动目标动态导航 功能，因此g p s 定位彻底解决了地球上运动目标的定位和导航问题。 但是绝对定位利用的是伪距观测量，是伪距定位，在g p s 用户接收机接收 卫星信号进行定位的过程中总会有误差的影响2 6 1 ，这些误差可以分为两大类： 一类称为公共误差，包括卫星钟差、星历误差、电离层延迟、对流层延迟及美国 政府的s a ( 选择可用性) 政策，它们是同一区域内两台接收机共有的；另一类是 非公共误差，也称为系统随机误差，如接收机噪声和量化误差、接收机通道问偏 移以及局部的多径效应等。所以绝对定位的精度约l o o m 左右，只能满足一般的 导航要求。为了提高精度，出现了后面的相对定位和差分定位技术及其