（机械设计及理论专业论文）农用GPS的通讯技术与使用精度提高方法的研究.pdf

摘要 将g p s 与g i s 综合应用于农业工程是农业信息技术发展的必然趋势。g p s 在农业领 域中的应用是与g i s 密不可分的。因此，研究农用g p s 的使用特性及其与g i s 的集成 是发展农业的新课题。本课题就是以农用g p s 即a g g p s1 3 2 为对象而展开的一系列研 究工作。 本论文首先综述了面向精细农业的a g g p s1 3 2 系统和a r c v i e wg i s 的功能、特点、 技术、应用现状以及技术发展趋势，论述了精细农业的主要支持技术，为后来的研究提 供理论基础。本文解决了普通笔记本电脑与a g g p s1 3 2 接收机的通讯问题，并对接收过 程中的各种注意事项进行了试验研究，对不可靠数据和无用的数据进行剔除处理，即仅 保留对作业有用的信息，然后将其输入到数据库中保存起来。这一研究工作完全脱离了 对田间专用计算机a g g p s1 7 0 的依赖性，既为建立低成本的国产化农用g p s 应用系统 提供了技术支持，也为研究和创建新的g p s 接收数据处理方法以及使用者自行研制基于 a g g p s1 3 2 的精细农业装备奠定基础。因为a g g p s1 3 2 数据不能直接运用到通用的 a r c v i e w 软件中，就必须对a g g p s1 3 2 与a r c v i e w 的数据格式进行转换，本论文对它们 的数据格式作了深刻的研究与了解，研制了数据接口软件，实现了a g g p s1 3 2 与a r c v i e w 的数据格式转换，从而可以运用a r c v i e w 软件处理a g g p s1 3 2 的数据，诸如田间信息成 图、年闯产量对比、处方图等更精细的分析处理均可在此基础上实现。为了进一步提高 农用g p s 的使用精度，研究了提高精度的方法，通过对点、线、面等误差的分析，提出 了应用算术平均值法、最小二乘法、加入控制点法等多种提高精度的方法，分析和讨论 了它们的原理、特点与应用局限性，并建立了加入控制点法中的误差平差法的数学模型。 为验证本文的方法，进行了实地测量，并与采用田间专用计算机a g g p s1 7 0 计算机的测 量结果作了比较，结果表明：本论文中的计算方法可以提高a g g p s1 3 2 的使用精度，并 且与a g g p s1 7 0 计算机的测量结果相比，点的位置相对误差降低了4 0 以上，长度精 度提高了8 7 5 以上，面积精度提高了2 5 以上，为实现更高精度的作业提供了可能性， 也为开发自己的系统应用于精细农业提供了理论和实践基础，具有很大的应用价值。 关键词 精细农业，全球定位系统，地理信息系统，数据格式，精度 a b s t r a c t i ti sc e r t a i nd e v e l o p i n gt r e n do fa g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt oa p p l yg p sa n d g i st o a g r i c u l t u r e t h ea p p l i c a t i o no fg p si na g r i c u l t u r a l f i e l di si n d i v i s i b l ew i t hg i s s t u d y i n gt h eu s i n gc h a r a c t e r i s t i co fa g r i c u l t u r a lg p s a n di t si n t e g r a t i o nw i t hg i sb e c o m e sa n e w a g r i c u l t u r a lt a s k a g g p s13 2i st h eo b j e c ti nt h i st h e s i sa n ds o m e r e s e a r c hw o r ki sd o n e a b o u ti t f i r s t l y , t h e t h e s i ss u m m a r i z e st h e f u n c t i o n s ，f e a t u r e s ，a p p l i c a t i o n s t a t u s q u o a n d d e v e l o p i n g t r e n do f a g g p s 13 2r e c e i v e ra n da r c v i e wg i s t h em a i ns u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e s o f p r e c i s i o na g r i c u l t u r ea r ed i s c u s s e d t h i se s t a b l i s h e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rs u b s e q u e n ts t u d y t h ec o m m u n i c a t i v ep r o b l e mb e t w e e nc o m m o n p o r t a b l ec o m p u t e ra n da g g p s 13 2r e c e i v e ri s d e v e l o p e dw i t l lv i s u a lb a s i c s o m ep o i n t st h a tm u s t b ep a i da t t e n t i o nt oi nt h i sp r o c e s sh a v e b e e ns t u d i e d t h eu n r e l i a b l ea n du s e l e s sd a t aa r eg e tr i do f t h a ti st os a y , o n l yu s e f u ld a t at o u sa r er e s e r v e d t h e nt h e ya r es a v e di nt h ed a t a b a s ef o rl a t e ru s e t h i sr e s e a r c hw o r k c o m p l e t e l yd e p a r t sf r o ma g g p s1 7 0f i e l dc o m p u t e r s oi tn o to n l yp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t f o re s t a b l i s h i n gl o wc o s ta n dh o m e m a d e a g r i c u l t u r a lg p ss y s t e m ，b u ta l s os e r i e sf o u n d a t i o n f o r f o u n d i n gn e wm e t h o d st o h a n d l eg p sd a t aa n d d e v e l o p i n ge q u i p m e n t so fp r e c i s i o n a g r i c u l t u r eo n t h eb a s i so f a g g p s1 3 2o u r s e l v e s b e c a u s et h ed a t af o r m a t o f a g g p s 1 3 2c a n t b ei m p o r t e dt oa r c v i e wd i r e c t l y , w em u s tt r a n s f o r mi tt ot h ed a t af o r m a to fa r c v i e w b ya n i n t e r f a c es o f t w a r e s ot h e i rd a t af o r m a t sa r ed e e p l ys t u d i e da n dt h es o f t w a r ei s d e v e l o p e d t h u s ，t h ea g g p s1 3 2d a t ac a nb eh a n d l e du s i n ga r c v i e w m a n yf u n c t i o n ss u c ha sf i e l d i n f o r m a t i o nm a p ，c o n t r a s t i v em a po f y e a r l yy i e l d ，p r e s c r i p t i o nm a p ，e t c c a nb em a d e i no r d e r t o i m p r o v eu s i n ga c c u r a c yo fa g r i c u l t u r a lg p s ，b ya n a l y z i n gt h ee r r o ro fp o i n t ，p o l y l i n e ， p o l y g o n ，s e v e r a l m e t h o d sa r e p r o d u c e d s u c h 嬲a r i t h m e t i c a v e r a g e v a l u e 1 e a s t s q u a r e s ，a d d i n gc o n t r o lp o i n t s ，e t c t h e i rp r i n c i p l e s ，f e a t u r e sa n dl i m i t a t i o n sa r ea l s oa n a l y z e d a n dd i s c u s s e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo f a v e r a g ee r r o rm e t h o di n c l u d e di na d d i n gc o n t r o l p o i n t si se s t a b l i s h e d m a n ye x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ot e s t i f yt h em e t h o d sa b o v ea n dt h e r e s u l e sg a i n e db yt h e ma r ec o n t r a s t e dw i t ht h a t g a i n e db ya g g p s1 7 0f i e l dc o m p u t e r i ti s p r o v e dt h a tt h e s em e t h o d s c a l li m p r o v et h eu s i n g a c c u r a c yo fa g g p s 13 2 c o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t so f a g g p s17 0f i e l dc o m p u t e r , t h ec o m p a r a t i v ep o s i t i o ne r r o ro f p o i n ti sr e d u c e db y 4 0 ，t h ea c c u r a c yo fp e r i m e t e ri si m p r o v e db ya b o v e8 7 5 a n dt h a to fa r e ai sa b o v e2 5 t h i sn o to n l ym a k e st h em o r ea c c u r a t ew o r k p o s s i b l e ，b u ts e t t l e st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i s f o rd e v e l o p i n go u ro w n s y s t e m t oa p p l yt op r e c i s i o na g r i c u l t u r e s oi th a s i m p o r t a n tv a l u e k e yw o r d s p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，g p s ，g i s ，d a t a f o r m a t ，p r e c i s i o n 2 学位论文版权使用授权书 飞。s 哦2 8 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，同意学位保 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。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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名： 万而许 卫哆年6 月f o 日 指导教师签名：二蹭白么 汹年6 月c o 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。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其人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，均已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：历丽芹 日期：2 5 年月o 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 精细农业的产生 第1 章引言 世界农业正在传统农业的基础上向高科技农业的方向发展。在传统农业中，生产者 以一块土地作为一个单位来耕作，只能大致掌握每块土地的不同特性，并以此作为农业 作业的决策依据【1 1 。这对一块土地而言，缺少进一步的信息细化，因而所做的农业投入 尚未达到最佳生产要求，也就是说尚不能对一块田地中的每一处不同作业点实行科学的 按需变量作业。随着全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( o l s ) 、遥感限s ) 、农业应用电 子技术和作物栽培量化模型与模拟模型研究的发展，人们将能够对农田进行“精雕细刻”， 对水、肥、农药等生产资料的投入以及作物生长状况及其环境实施有效的监控，即实施 精细农业【2 】。“精细农业”有效地把信息技术与农艺、农机及科学管理等有机地结合起来， 最大限度地优化各项农业资源与合理配置生产要素，减少投入，获取高产和高效益；同 时又有效地保护生态环境和农业自然资源，促进农业的可持续发展【2 】。因此，世界上先 进国家都在积极研究推广精细农业，美、加、澳、英、德等国的一些著名大学相继设立 了精细农业研究中心，开设了有关博士、硕士研究方向及培训课程刚】。我国的精细农业 虽处于起步阶段，但对此非常重视，正在努力研究发展精细农业。 精细农业技术思想的核心，就是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素 ( 如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等) 实际存在的空间和时间差异性 信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别 对待，按需实施定位调控，即“处方农作”【5 ，6 】。精细农业反映了基于信息和知识的农业 生态系统精细管理的技术思想。 1 2 g p s 与g i s 在精细农业中的应用和国内外现状与发展趋势 从国外看，精细农业的研究与实践始于8 0 年代初期，8 0 年代后期和9 0 年代初以来， 随着全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、连续数据采集传感( c d s ) 、遥感( r s ) 、 变率处理设备( v i h ) 和决策支持系统( d s s ) 等技术的发展，精细农业在美国、英国、德 国、荷兰、意大利等西方发达国家勃然兴起 7 , g l 。迄今，国外对精细农业的研究基本上仍 是集中于利用“3 s ”空间信息技术和人工智能技术为主的生产管理决策支持技术为基础、 面向大田作物生产的精细农作技术，即基于信息和先进技术为基础的现代农田“精耕细 兰苎查兰! 兰堡垒苎一 _ _ ，_ - - _ _ _ _ - _ _ 一。一 作”技术f 6 】a 进行以农田空间定位为基础的作物小区平均产量和影响作物生长主要环境 信息的采集与处理，是实施精细农业的基础【9 】，这就必须引入g p s 技术，可以说g p s 在精细农业整个系统中起着承前启后的作用，它在精细农业中的作用主要有三点：用于 田间地块土壤信息采样点位置坐标的获取：用于农业机械在田间作业时的导航定位：用 于田间工作管理【”1 。目前，国外用于精细农业的带g p s 的谷物联合收割机，可按每公顷 6 0 0 9 0 0 个小区，自动定位采集，计算单产数据，每一单产数据与对应的农田地理坐标 位置同步记录下来，进一步通过计算机生成小区产量分图【l ”。全美已有1 5 的农户使用 了装有全球卫星定位系统的农业机械【1 2 】。g i s 是一种综合处理和分析空间数据的通用型 技术体系，在精细农业领域中，g i s 以很高的空间分辨率来管理田块基础信息，存储、 分析和处理空间数据，生成作物产量以及土壤属性和病虫草害等环境因素的空间分布图， 支持空间辅助决策，输出图形和地理统计数据以及田间决策处方图i l ”】。由于g i s 在农 业中的广阔应用前景，已经产生了农用g i s ，美国已有一些为精细农业服务的g i s 软件 开发公司，如a g r i sc o r p o r a t i o n ，f a r mw o r k ss o f t w a r e ，f a r m e r ss o f t w a r e ，s s t d e v e l o p m e n t g r o u p 等【1 6 】。目前国际上正在尝试把g p s 、g i s 的信息综合并与机器视觉相 结合，来引导精密释放化学剂。 从国内看，中国农业大学东校区最早提出发展中国的精细农业并筹建精细农业实验 室。目前在中国农业大学已成立了集g p s 、g i s 、r s 及e s ( 人工智能决策系统) 为一 体的“精细农业研究中心”，g p s 在我国农业领域的综合运用和工程技术革新正方兴未 艾【1 7 1 。从涉及的具体研究领域来看，中国农业大学和吉林工业大学主要集中在机器视觉 方面，包括果品自动检测、作物自动施肥机械等。华南农业大学则是把g p s 与拖拉机行 驶相结合，开展g p s 在农用地面车辆上的应用研究。清华大学与北京市农业局植保站等 单位在1 9 9 1 年合作研制开发了利用飞机导航喷洒农药防治病虫害的项目，取得成功。 2 0 0 0 年，清华大学与北京市农业局再次合作，通过g p s 田闻管理系统并结合北京市基 本农田信息管理系统，对田间土地进行划分，来达到精确采样、精确旌肥的目的【1 0 】。g i s 应用于农用信息管理，农业部门已开展了工作，但与农机运用相结合还需大力发展。我 国关于精细农业的研究和应用尚处于起步阶段，但已引起了国家的高度重视，国家在8 6 3 计划中已列入了精确农业的内容，国家计委和北京市政府共同出资在北京搞精确农业示 范区。中国科学院也把精细农业列入知识创新工程计划i l 酊。 将g p s 与g i s 综合应用于农业工程是农业信息技术发展的必然趋势。现在，g p s 的定位误差越来越小，g i s 的空间分析功能越来越完善，把g p s 连接到o l s 系统中，在 g i s 可视化图形界面上可以实时观察g p s 定位点的运动过程【1 9 1 。当前利用g p s 和g i s 技术相结合获取的田区内土壤参数和收获量之间的变异分布图显示了在农田资源利用上 还存在着很大的潜力 2 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究目的和意义 我国是一个以农业为基础的国家，农业和农村经济的发展状况直接影响到整个国民 经济的发展和社会的稳定。然而，我国农业发展的现状是地区之间很不平衡，农业机械 化程度也不一样，农业基础数据急待完善，尤其是土壤空间差异数据几乎是空白b j 。而 且，我国人多地少、资源短缺的情况日趋严重。通过g p s 、农业传感测量装备以及计算 机技术并结合作物栽培技术可精确地确定特定土地所需的特定投入，从而达到减少投入、 避免资源浪费、提高效益的目的。特别在农用化学剂旌放方面，通过减少化肥和农药的 盲目施放，减少了由此造成的土壤、地下水和空气的污染，起到保护环境的目的【2 】。 精细农业所必须的数据如土壤类型、肥力、病虫害及农作物产量等原始数据都依赖 于精确的位置信息，因此，利用g p s 定位对实施精细农业至关重要。在美国、澳大利亚 等农业发达国家，使用了较为先进的卫星定位系统，在农业应用中，定位精度可以达到 厘米级。我国所使用的农业差分g p s 技术定位精度也达到1 3 m 。定位精度1 3 米， 在技术上就意味着只能按米级精度实施农田操作，这对于我国人均土地占有量少、人口 数量多的现状来说，将在一定程度上造成农业资源的浪费。 要提高农用g p s 使用精度有两种途径：其一是高精度实时农用g p s 系统，从硬件 上提高原始接收数据的精度，这一途径直接增加了硬件成本：另一途经是研制现行农用 g p s 与普通计算机的通讯接口并开发出新的高精度数据处理方法，从软件方面来提高精 度。后一途径对发展我国的低成本农用g p s 应用系统更有意义，而且还将促进具有自主 知识产权的相关软件的开发。当然提高g p s 定位精度最根本的办法是建立我国自行开 发、研制的全球定位系统，但是这将需要国家花大量的人力、物力、财力，而且需要相 当长的时间周期，而且就我国现有的综合国力来考虑建立这样庞大的系统也是有困难的， 所以现在提高g p s 的定位精度主要做法是提高现有的g p s 设备的使用精度，使现有的 资源得到充分利用。 本课题的研究目的就是通过对农用g p s 系统a g g p s1 3 2 与农用g i s 软件a r c v i e w 的结合运用以及对差分g p s 定位数据进行各种处理方法的研究，提高农用g p s 的使用 精度，为开发实现自己的精细农业技术提供最基本的条件。 本课题的研究成果可直接应用于农业作业，对国民经济的发展具有很大的推动作用， 对此领域的研究工作也有很大的推进作用。 1 4 课题研究的范围、实验设计方案及预期效果 本课题主要研究以下内容： a g g p s1 3 2 ( 1 + 1 ) 即差分g p s 实现定位精度的原理： w i n d o w s 环境下笔记本电脑与a g g p s1 3 2 串行通讯程序的开发；进行a g g p s1 3 2 、 a r c v i e w 数据接口软件的开发；实验采集数据，并实现数据的可视化：对g p s 定位精度 兰苎查! ! 兰苎垒查 _-_-_-_-_-_-_-_一。一 进行研究，寻找提高精度的方法。 实验设计方案： ( 1 ) 建立基站与移动站以实现自主差分定位。 ( 2 ) 研究利用信标差分的可能性与可行性。 ( 3 ) 进行a g g p s1 3 2 接收机与笔记本电脑之间的通讯开发，并将数据存储到数据 库。 ( 4 ) 开发数据接1 ：3 软件，将a g g p s1 3 2 接收机采集的数据通过数据接口软件转换成 a r c v i e w 数据格式。 ( 5 ) 采集试验数据，并通过自己所编的接口软件和a r c v i e w 软件来实现数据的可视 化，生成电子地图。 ( 6 ) 研究提高农用g p s 定位精度的数据处理方法，并进行实测验证。 预期效果： ( 1 ) 实现a g g p s1 3 2 接收机与笔记本电脑之间的通讯，确定无效数据的判别与剔除 方式，并在计算机上建立定位信息数据库管理模式。 ( 2 ) 通过a g g p s1 3 2 、a r c v i e w 数据接1 2 可将a g g p s1 3 2 采集的数据转换成a r c v i e w 数据格式，并用a r c v i e w 软件平台管理数据和进行分析，实现数据的可视化， 所编写的软件接口程序可以为以后的研究工作推广应用。 ( 3 ) 所生成的电子地图可以实现试验区电子地图的放大、缩小、区域选择以及图层 分层等等功能。 ( 4 ) 通过研究，提出提高农用g p s 使用精度的方法，并与已有的采用田间数据处理 计算机a g g p s 17 0 进行实测对比，至少在脱机处理精度上优于a g g p s17 0 计 算机。 1 5 本章小结 本章主要介绍了精细农业的产生及其主要支持技术g p s 、g i s 的现状、发展趋势等 并提出了本课题研究的主要目的和意义、研究内容、实验设计方案及预期效果等。 4 江苏大学项士学位论文 第2 章a g g p s 1 3 2 与a r c v i e wg i s 实验系统设计 2 1g p s 、g i s 在精细农业中的作用 精细农业的关键在于变量作业【2 0 1 ，即根据田间的具体位置所需要的具体作业量，进 行按需作业。这就需要精确确定位置信息和作业量信息。其中，根据作业对象，作业量 信息可能是土壤肥力情况、病虫害情况、施药量等，这些在精细农业中统称为田间属性 信息。g p s 在精细农业中的直接作用就是实现精确定位。由于现行g p s 系统具有定位和 定时两种信息，因此也可扩展用于测量和导航。田问属性信息也可以通过采用各种农业 传感器来实现采集，大面积的农田作物情况还可以通过遥感来获取。在获得农田定位信 息和属性信息的基础上，利用农业g i s 系统可生成各种农业地理信息图，与农业专家系 统相结合还可以生成田间作业处方图。借助于处方图和变量控制器以及实时g p s 系统便 可以实现农业机械在田间的按需作业。如果把上述过程概括为生成处方图的信息收集阶 段和指挥农业机械按需作业的信息利用阶段，显而易见，无论是g p s 还是g i s 在两个阶 段中均是必不可少的。 近几年来，随着g p s 的民用化，g p s 产业技术发展迅速，若干大公司迅速涉足农 业领域，提供了用于农业测量、定位信息采集和与智能化农业机械配套的d g p s 产品。 这类产品通常均具有1 2 个可选择的卫星信号接收通道，在动态条件下每秒能自动提供一 个三维定位数据，动态定位数据一般可达分米和米级，并具有与计算机和农机智能监控 装置的通用标准接口。如在本课题中用的美国t r i m b l e 公司的a 9 1 3 21 2 通道g p s 接收机， 可接收信标站发布的地区性差分校正信号免费服务或获得由近地卫星转发的广域差分收 费校正信号服务，提供亚米级定位精度和0 1 6k m h 的速度测量精度【2 ”。据国外介绍，利 用差分g p s 对飞机精密导航，估计会使投资降低5 0 。在农业领域的具体应用中，利用 g p s 差分定位技术可以使飞机在喷撒化肥和除草剂时减少横向重叠，节省化肥和除草剂 用量，避免化学剂用量过多而影响农作物生长和减少环境污染。而且，利用g p s 导航定 位还可减少转弯重叠，避免浪费，节省资源。此外，农业中常实施夜间喷施，这是因为 夜间蒸发和漂移损失小而且夜间植物气孔是张开的，更容易吸收除草剂和肥料，提高除 草和施肥效率。所以夜间喷施化学剂作业，可以充分利用作物生理特征。实验证明：利 用差分g p s 技术可以扩展作业时间段，可实现夜间导航作业，可以节省大量农药和化肥， 提高喷施作业效率m 】。d g p s 作为农业空间信息管理的基础设施，一旦建立起来，即可 服务于精细农业，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的 定位服务。其农业应用技术的开发前景广阔【2 ”。 图2 1 为基于g p s 和g i s 的典型精细农业系统示意图。对于虚线框内的田间历史信 兰苎查兰! 兰堡垒查 一一_ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ 一 一一 息、农业专家系统、变量控制器、传感器、农业机械装置以及机器状态传感器等精细农 业装备，由于条件、时间等的限制，本文束再加以研究。下面对与本论文相关的g p s 和g i s 的有关理论分别加以介绍和讨论，并对实验中a g g p s1 3 2 接收机和a r c v i e w g i s 的集成应用加以分析。 田问历史信息g p s i 显示器l l _ j 型嘲l f 策- 屯三翼 面 噬 匣 l 传感器j ll 图2 1 基于g p s 和g i s 的典型精细农业系统示意图 2 2g p s 系统的组成、定位原理以及主要误差源分析 2 2 1g p s 系统的组成【2 2 】 g p s 系统最早由美国为了改进原有的海军导航卫星系统n n s s 于1 9 7 3 年确定研制 的，目前已建成投入运行的有美国g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统。 g p s 主要有三大部分组成： ( 1 ) 空间部分_ g p s 卫星星座。由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫 星星座。这些卫星分布在6 个倾角为5 5 0 的几乎为圆形的轨道上，每个轨道上有4 颗卫 星。卫星的平均高度为2 0 2 0 0 k m ，运行周期为1 2 仓恒星时。它的主要功能是接收和存储 地面监控站的导航信息、执行监控站的控制指令、通过星载高精度原子钟产生基准信号 和提供精确的时间标准、向用户连续不断地发送导航定位信号等。为了解算测站的三维 坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。 ( 2 ) 地面控制部分地面监控系统。由1 个主控战、3 个注入站和5 个监测站组成。 其主要功能是跟踪观测g p s 卫星同时收集当地的气象信息，收集卫星的观测值、气象要 素、卫星时钟和工作状态等信息。编算和向各个g p s 卫星发送导航电文，诊断本监控系 统的工作状态，是否给用户发送导航电文和调度卫星、改变和修正g p s 卫星轨道等。 ( 3 ) 用户设备部分- g p s 信号接收机。用户设备的核心是g p s 接收机。它由主机、 6 讧蒜大学硕士学位论文 天线、电源和数据处理软件等组成，其主要功能是接收g p s 卫星发播的信息、获取定位 的观测值、提取导航电文中的广播星历及卫星钟改正等参数，经信息数据的处理而完成 导航工作。 2 2 2 g p s 定位原理 g p s 定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交会方法，用户接收机在某一 时刻接收到三颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点到卫星的距离并通过导航电文解算 出该时刻g p s 卫星空间坐标，采用距离交会算法，得出接收机天线中心的空间位置坐标 【2 3 1 。基本的定位方法有单机定位、差分定位、双星定位、a g p s ( a s s i s t e dg p s ) 及广域增 强系统w a a s 等【2 4 j 。 ( 1 ) 单机定位也称绝对定位，常有伪距和载波相位等方法。伪距法：观测值是信 号从卫星到测站接收机天线的传递时间，将此时间乘以电波传递速度即得距离。但卫星 钟与接收机钟无法严格同步。传递时间有误差，所以算得的距离不是真实距离，称为“伪 距”。g p s 定位的基准是g p s 卫星的位置，如果观测点测到了它到4 个卫星的伪距，就 可以解算出此测站的三维坐标和种差，测量精度达几十米( 选择可用性s a 误差源存在) ， 能满足大部分定位导航要求，定位原理如图2 2 所示。载波相位法：理论上是接收g p s 信号的瞬时载波相位值，但实际上无法直接测量出任何信号的瞬时相位值，只能测得卫 星信号与接收机的本地信号之间的相位差。若测得4 个载波相位也可以解算出测站位置， 测量精度很高，可达厘米级，但有模糊值问题，即不能实时计算，只能事后处理。单机 绝对定位可以在多数时候满足要求，但在精度要求非常高的领域，例如大地测量时，往 往要用到差分定位来实现【2 4 j 。 图2 2g p s 定位原理 图2 3 差分g p s 原理 ( 移动站) ( 2 ) 差分定位 所谓差分g p s 即d g p s ，是在基准站上进行g p s 观测，利用已知的 基准站精密坐标计算出基准站到卫星的伪距改正数，并将这一改正数实时发送出去，用 户接收机在进行g p s 观测的同时也接收基准站的伪距改正数，对其伪距观测量进行改 江苏大学硕士擘位论文 正；然后利用改正过的伪距进行定位计算，求解出用户接收机的精确位置2 5 1 。这种改正 能将卫星时钟偏差、星历误差、电离层误差、对流层误差等公共误差抵消，从而使实时 定位精度从1 0 0 m 提高到5 3 m 以上，在s a 政策未取消之前相对于单机定位有非常明 显的定位优势。根据基准站发送的信息方式可将d g p s 分为位置差分、伪距差分、相位 平滑伪距差分以及载波相位差分，它们的原理相同，如图2 3 ，只是修正方式不1 司t 2 4 。 本课题采用伪距差分，因此重点介绍一下，其他几种就不再详细介绍。 伪距差分是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐 标( x 。，k ，z 。) 和测出的各卫星的地心坐标( x ，y ，z ，) ，按下式求出每颗卫星每一时刻 到基准站的真正距离r ，： r 7 = 。一氖2 + ( y 一y o ) 2 + ( z z 。) 2y ” 其伪距为，则伪距改正数为 a p j = r l p 其变化率为 d o | ：a p | | & 基准站将p 和i 发送给用户，用户在测出的伪距p ，上加以改正，求出经改正后的伪 距： p ；( f ) = p ，( f ) + a p ，o ) + 碣口，( f t o ) 拜按下式计算坐标： p ；= l c v 一x ，) 2 + ( j ，。一) 2 + ( z z ，) 2 ，”+ c + 国+ k 其中国为钟差，v 为接收机噪声。 伪距差分的优点是基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测任意4 颗卫星， 就可完成定位。因提供的是印，和印- 改正数，可满足r t c m s c 1 0 4 标准( 国际海事无 线电委员会) 。缺点是差分精度随着基准站到用户的距离增加而降低阎。 ( 3 ) 双星定位 即接收机不但能接收到美国g p s 的卫星信号，而且能接收到俄罗斯 的g l o n a s s ( g l o b a l n a v y n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 的卫星信号，保证了在每一接收 点至少可接收到6 8 颗卫星的信号，通过复杂的计算机运算得到高精度的位置坐标【2 4 ， 2 6 。 ( 4 ) a g p s 主要有三部分组成：带有g p s 接收机的无线手机、带有基准接收机的 服务器( 与手机观测到相同卫星) 以及有基站和移动交换中心的无线网络。它可以解决 传统接收设备对接收视野的苛刻要求以及启动时延问题，可以提供最高精度、最可靠的 定位信息2 4 2 ”。但是这种系统在国外也是刚刚发展起来，在我国则还未有这样的系统。 2 2 3 误差源分析 无论采用哪一种定位方式。用户在定位过程中，都可能出现下面几个方面的误差， b 江苏大晕硕士学位论文 研究g p s 测量的误差来源，采取相应的减弱和消除措施，是提高监测精度的的重要内容 2 2 ，2 8 ，2 9 1 。 多路径和遮挡效应：由于信号到达天线之前被地面和附近的物体( 如建筑物、车 辆) 反射，形成的多路径到达接收机，会导致导航数据失真甚至卫星信号失锁。减小或 消除该误差影响的主要措施有：第一，选择合适的站址，即测站应远离大面积平静的湖 面，测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中以及测站要离开高层建筑物。第二，对接收机 天线的要求，即在天线中设置抑径板，接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较 强的抑制作用，还必须注意选择合适的天线场地，天线应处于最高反射体的位置，而且 要注意调节天线高度。 卫星接收机钟差：卫星接收机振荡引起的误差，采用差分法消除。 s a 频率抖动：美国军方采用的s a 政策，即人为地降低广播星历精度和在卫星钟 基本频率上附加随机抖动，可以采用差分法消除。 相对论效应：卫星频率的不稳定，造成的定位误差可达数米，采用差分观测值就 能基本消除该误差。 对流层折射：减弱此项误差影响的主要措施有：采用对流层模型加以改正；引入 描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；利用同步观测量求差。 电离层折射：可采用双频接收机载波相位观测或利用电离层改正模型加以修正消 除其影响。 计算误差：主要来源于解决整周模糊度，在g p s 观测中发生失锁或观测时间较短、 基线较长而使整周模糊度难以分解，造成整周数不准或整周数不可靠，主要采用双差或 三差法、短基线、长时间观测可消除其影响。 由上可见，采用差分技术能消除很大一部分误差，显示出差分g p s 的优越性。随着 美国在2 0 0 0 年5 月1 日取消了人为限制精度的s a 政策，以及g p s 定位设备性能的不 断改进和完掣3 0 】，定位精度大大提高。但这并不是说可以不考虑g p s 的定位误差，不同 的任务对定位精度的要求也不一样，所以分析g p s 的定位误差也是非常重要的。因此， 在本课题中，采用差分g p s 进行实验，以提高定位精度并且在提高其使用精度的方面进 行研究。 2 3 农业g i s 系统的基本组成部分和数据源分析 2 3 1 农业g i s 系统的基本组成 g i s ( 地理信息系统) ，是在计算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、处理、检 索、分析和显示空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并以回答用户问题为主要 任务的技术系统口“。在精细农业中g i s 主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条 件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息 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信息弘“。 个实用的农业g i s 系统，要支持对田间数据的采集、管理、处理、分析、建模和 显示等功能，其基本组成一般包括三个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据。 ( 1 ) 系统硬件 计算机与一些外部设备及网络设备的联接构成g i s 的硬件环境。计算机是g i s 的主 机，它是硬件系统的核心，包括从主机服务器到桌面工作站，用作数据的处理、管理与 计算。农业g i s 外部设备包括输入设备即数字化仪、扫描仪和全站型测量仪器等；输出 设备即绘图仪、打印机和高分辨率显示装置等；数据存贮与传送设备即磁带机、光盘机、 活动硬盘和硬盘阵列等。g i s 的网络设备包括布线系统、网桥、路由器和交换机等，具 体的网络设备根据网络计算的体系结构来确定口2 1 。本论文中g i s 的输入设备是a g g p s 1 3 2 接收机。输出设备是高分辨率计算机显示器。 ( 2 ) 系统软件【3 2 j g i s 软件是系统的核心，用于执行农业g i s 功能的各种操作，包括数据输入、处理、 数据库管理、空间分析和图形用户界面( g u i ) 等。按照其功能分为g i s 专业软件、数 据库软件和系统管理软件等。 g i s 专业软件一般指具有丰富功能的通用g i s 软件，它包含了处理地理信息的各种 高级功能，可作为其他应用系统建设的平台。其代表产品有a r c i n f o 、m g e 、m a p i n f o 、 m a p g i s 、a r c v i e w 、g e o s l a r 等。它们一般包含有以下的主要核心模块：数据输入 和编辑、空间数据管理、数据处理和分析、数据输出、用户界面、系统二次开发能力。 数据库软件除了在g i s 专业软件中用于支持复杂空间数据的管理软件以外，还包括 服务于以非空间属性为主的数据库系统，这类软件有：o r a c l e ，s y b a s e ，i n f o r m i x ， d b 2 ，s q ls e r v e r ，i n g r e s s 等。它们也是g i s 软件的重要组成部分。 系统管理软件主要指计算机操作系统，当今使用的操作系统有：m s d o s ，u n i x ， w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 ，w i n d o w s n t ，v m s 等。它们关系到g i s 软件和开发语言使用的有 效性，因此也是g i s 软硬件环境的重要组成部分。 本论文中所用的g i s 专业软件为a r c v i e w8 ，系统管理软件亦即计算机操作系统为 w i n d o w s2 0 0 0 。 ( 3 ) 空间数据 数据是农业g i s 系统中最基础的部分。利用计算机来提取、处理数据是农业g i s 的 基本功能。农业g i s 的操作对象是田间数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特 征和时间特征。空间特征是指地理实体的空间位置及相互关系；属性特征表示地理实体 的名称、类型和数量等；时间特征指实体随时间而发生的相关变化【3 2 】。 根据地理实体的空间图形表示形式，空间数据可抽象为点、线、面三类元素，它们 的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构 1 0 3 2 。矢量数据结构是指以x 、y 坐标对来表示点、线、面等图形：栅格数据结构是指以 二维数组来表示空间各象元特征的地理信息系统【3 3 】。本论文中采用的数据结构就是矢量 数据结构。在地理信息系统中，空间数据以结构化的形式存储在计算机中，便于空间数 据库管理系统对数据的统一管理，包括查询、检索、修改和维护等【3 2 】。 2 3 2 农业g i s 的数据源 农业g i s 的数据源，是指建立农业g i s 的地理