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1、GPS 在农业中的应用学院：机械交通学院班级：农业机械化及其自动化 091 班姓名：古丽亚学号：093732122指导老师：艾力.哈斯木GpsGps 在农业中的应用在农业中的应用机化 091 班 古丽亚 093732122 指导老师：艾力.哈斯木 摘要：本文研究内容是精细农业技术体系的一部分，首先介绍了 GPS 技术在农业 中的应用方法和 GPS 的定位原理，然后对差分GPS 系统做了详细的分析，并 结合我国实际情况，提出了在我国农业中使用 GPS 的方案和方案的检验方法， 同时对 GPS 应用的数据格式和坐标转换做了介绍。最后以美国 Trimble 公司的 农用 GPS 132和美国 PCC
2、 公司的 RFM96W 电台组成农用自主差分试验系统， 通过试验对该系统的性能和定位精度做了检验。试验结果表明，AgGPS 132 性 能良好，使用操作简便，由它和 RFM96W 电台组成的自主差分系统性能稳定， 差分后定位精度达到亚米级，符合精细农业中亚米级的定位要求。关键词：GPS；精确农业；精确施肥；精确灌溉；精确除虫害。精准农业（Precision Agriculture）也叫精细农业或精准农业，是 20 世纪 80 年代初国际农业领域发展起来的一门夸学科新兴综合的以获得农田高产、优质、高效的现代农业生产模式和技术体系。1： GPS 概述即全球定位系统（Global Positioni
3、ng System）。简单地说，这是一个由覆盖全球的 24 颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。全球定位系统(GPS)是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过 20 余年的研究实验
4、，耗资 300 亿美元，到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。 GPS 全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS 星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS 信号接收机。GPS 的前身GPS 系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系(Transit），1958 年研制，64 年正式投入使用。该系统用 5 到 6 颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 13 次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS 系统的研制埋下了铺
5、垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为 Tinmation 的用 12到 18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划，并于 67 年、69年和 74 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是 GPS 系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B 的以每星群 4 到 5 颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划，这些卫星中除 1 颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道 该计划以伪随机码(
6、PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973 年美国国防部将 2 者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。GPS 构成1.空间部分GPS 的空间
7、部分是由 24 颗工作卫星组成,它位于距地表 20 200km 的上空,均匀分布在 6 个轨道面上(每个轨道面 4 颗) ,轨道倾角为 55。此外,还有 4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为 C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为 P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法
8、解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。2.地面控制部分地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预
9、存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。3.用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在
10、于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。GPS 原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0
11、二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率 1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m；P 码频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时
12、更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的
13、跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采
14、用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。2.GPS 在农业中的应用农业生产中增加产量和提高效益是根本目的。要达到增产高效的目
15、的，除了适时种植高产作物， 加强田间管理等技术措施外，弄清土壤性质，检测农作物产量、分布、合理施肥以及播种和喷撒 农药等也是农业生产中重要的管理技术。尤其是现代农业生产走向大农业和机械化道路， 大量采用飞机撒播和喷药，为降低投资成本，如何引导飞机作业做到准确投放，也是十分重要的。利用 GPS 技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS） ，能够做到监测农作物产量分布、 土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益 的目的。利用差分 GPS 技术可以做到： 1.1 土壤养分分布调查在播种之前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农
16、田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS 接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS 接收机把样品采集 点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出 一幅土壤样品点位分布图。 1.2 监测作物产量 在联合收割机上配置计算机、产量监视器和 GPS 接收机，就构成了作物产量监视系统。对 不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器 记录下玉米所接穗数和产量，同时 GPS 接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出 一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出 影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。 1.3 合理施肥，精确农业管理 依据农田土壤养分含量分布图，设置有 GPS 接收机的“受控应用”的喷施器，在 GPS 的控制下， 依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制。 在作物生长期的管理中，利用遥感图象并结合 GPS 可绘出作物色彩
