第3讲“精细农作”的主要支持技术( 全球卫星定位系统 中国工程院院士汪懋华 精细农作”是“精细农业”技术体系的主要组成部分。他是 在作物生产管理中,根据农田小区产量和生长环境因素的空间 差异性,通过空间信息的聚类处理后,实施定位处方农作。因此, 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“精细农作”的基础。正 是九十年代初全球卫星定位系统(GPS- Global positioning System)的完善,为实践农田作物生产的定位精细管理提供了基 本的条件。 GPS的基本原理是易于理解的。该系统由包括24颗地球卫星组 成的空间部分,由地面控制站和一组地面监测站组成的地面监控 部分以及和用户接收机3个主要部分组成。目前已建成投入运行 的全球卫星定位系统有美国国防部建设的GPS系统和俄罗斯建 设的 GLONASS( Global Navigation Satellite System)系统,两 者原理相同,但利用了不同的时间标准和大地坐标系,均可提供 全球卫星定位信息的免费服务。对于用户来说,只需要根据不同 用途的要求,如同使用移动电话一样,购置用户接收机,享用不 同方式的服务。用户具有必要的使用知识即可
第 3 讲 “精细农作”的主要支持技术（一） 全球卫星定位系统 中 国 工 程 院 院 士 汪 懋 华 “精细农作”是“精细农业”技术体系的主要组成部分。他是 在作物生产管理中, 根据农田小区产量和生长环境因素的空间 差异性，通过空间信息的聚类处理后，实施定位处方农作。因此， 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“精细农作”的基础。正 是九十年代初全球卫星定位系统（GPS - Global Positioning System）的完善，为实践农田作物生产的定位精细管理提供了基 本的条件。 GPS 的基本原理是易于理解的。该系统由包括 24 颗地球卫星组 成的空间部分，由地面控制站和一组地面监测站组成的地面监控 部分以及和用户接收机 3 个主要部分组成。目前已建成投入运行 的全球卫星定位系统有美国国防部建设的 GPS 系统和俄罗斯建 设的 GLONASS（Global Navigation Satellite System）系统, 两 者原理相同，但利用了不同的时间标准和大地坐标系，均可提供 全球卫星定位信息的免费服务。对于用户来说，只需要根据不同 用途的要求，如同使用移动电话一样，购置用户接收机, 享用不 同方式的服务。用户具有必要的使用知识即可
GPS卫星是一组能发射精确的卫星轨道参数和时钟信号,在2万 余Ⅷ皿高空环绕地球运转的轨道卫星系统。这些信号穿越太空、 电离层和大气层到达地面,被接收机接收,经过数字信号处理进 行定位计算。空间卫星的布局,可以保证在地球表面任何地方 昼夜任何时间和任何气象条件下,接收机均可至少获得其中4颗 以上卫星发出的定位定时信号。理论上只要用户能接收到4颗卫 星信号,即可解算出用户所在的3维(x、y、z)位置信息。其 定位概念可作如下理解: 每一卫星在空间的轨道位置信息是由地面监控中心监控而精 确知道的,它们作为用户用三角测量法测定自己在地面上的位 置的基准参考点 用户接收机测量卫星发出的无线电编码信号到达接收机的传 输时间,利用T(传输时间)×光速=距离的公式,进行测距 计算 为精确测量传输时间,GPS卫星上装置有精确可靠的原子铯钟, 接收机上的同步时钟虽精度远远不如卫星原子铯钟的要求,但 可以通过信号处理进行校正 理论上,在地球表面附近的用户接收机,只要能测得与卫星系 统中任意3个卫星的空间距离,即可通过数字信号处理和按三 角法测距原理,确定自己的位置坐标(x、J、z),为了对用 户接收机时钟误差进行校正计算,需要能同时接收4颗卫星的
GPS 卫星是一组能发射精确的卫星轨道参数和时钟信号，在 2 万 余 km 高空环绕地球运转的轨道卫星系统。这些信号穿越太空、 电离层和大气层到达地面, 被接收机接收，经过数字信号处理进 行定位计算。空间卫星的布局，可以保证在地球表面任何地方、 昼夜任何时间和任何气象条件下，接收机均可至少获得其中 4 颗 以上卫星发出的定位定时信号。理论上只要用户能接收到 4 颗卫 星信号，即可解算出用户所在的 3 维（x、y、z）位置信息。其 定位概念可作如下理解： 每一卫星在空间的轨道位置信息是由地面监控中心监控而精 确知道的，它们作为用户用三角测量法测定自己在地面上的位 置的基准参考点； 用户接收机测量卫星发出的无线电编码信号到达接收机的传 输时间，利用 T（传输时间） 光速 = 距离的公式, 进行测距 计算； 为精确测量传输时间，GPS 卫星上装置有精确可靠的原子铯钟， 接收机上的同步时钟虽精度远远不如卫星原子铯钟的要求，但 可以通过信号处理进行校正； 理论上，在地球表面附近的用户接收机, 只要能测得与卫星系 统中任意 3 个卫星的空间距离，即可通过数字信号处理和按三 角法测距原理, 确定自己的位置坐标（x、y、z），为了对用 户接收机时钟误差进行校正计算，需要能同时接收 4 颗卫星的
定位定时信息 当GPS卫星信号通过电离层和大气层传输时,会受到干扰和时 间延迟,产生定位误差。美国提供的民用GPS接收机定位误差 可达100米,实用的精确测量定位系统,还需要在地面设置校 正定位误差的差分信号服务,使用差分定位系统(DGPS)。 对卫星定位测距的原理也可通过图1a、b、c来理解 ①当你测得与某一个卫星的距离,你在宇宙空间中的位置一定 是在以卫星为参考点(圆心),以距离为半径的球面上(图1a)。 ②当你测得与某两个卫星的距离,你一定是在这两球面相切的 圆形轨迹上(图1b) ③当你测得与某三个卫星的距离,你一定是在三个球面相切的 两个交点位置上。其中一个一定是在近地表面,另一个在远离地 面的太空中。这样,你可以判定自己的唯一位置坐标(图1c)。 图1.卫星定位测距原理示意图(略) 同时需测得接收机与第四个卫星的距离,是为了进行接收机时 钟误差的校正计算。卫星和接收机都会产生一组在时间上同步的 相同编码信号,以便对每一编号卫星的信号进行识别和信号传输
定位定时信息; 当 GPS 卫星信号通过电离层和大气层传输时，会受到干扰和时 间延迟，产生定位误差。美国提供的民用 GPS 接收机定位误差 可达 100 米，实用的精确测量定位系统, 还需要在地面设置校 正定位误差的差分信号服务，使用差分定位系统（DGPS）。 对卫星定位测距的原理也可通过图 1 a、b、c 来理解： ① 当你测得与某一个卫星的距离，你在宇宙空间中的位置一定 是在以卫星为参考点（圆心）, 以距离为半径的球面上（图 1a）。 ② 当你测得与某两个卫星的距离，你一定是在这两球面相切的 圆形轨迹上（图 1b）。 ③ 当你测得与某三个卫星的距离，你一定是在三个球面相切的 两个交点位置上。其中一个一定是在近地表面，另一个在远离地 面的太空中。这样，你可以判定自己的唯一位置坐标（图 1c）。 图 1. 卫星定位测距原理示意图（略） 同时需测得接收机与第四个卫星的距离, 是为了进行接收机时 钟误差的校正计算。卫星和接收机都会产生一组在时间上同步的 相同编码信号，以便对每一编号卫星的信号进行识别和信号传输
时间的比较。因此,接收机对用户来说虽似傻瓜机,但又是技术 上很复杂的高技术智能化产品。 为了提高GPS接收机的定位精度,需要采用DGPS系统。其原理 是在地面已经标定的位置上设置一个GPS接收机,该接收机通过 卫星系统确定自己带有误差的位置信息后,与真实位置坐标相比 较,计算出GPS接收机的κ、F、Z位置误差信息,按时间序列存 储记录下来或通过广播实时发射出去,被周围的移动接收机接 收,使周围的移动接收机自动修正自己的位置信息。这样,可以 使GPS定位精度容易达到米级或厘米级。根据上述两种提供差分 信息的方式,可区分为后处理差分系统和实时动态差分系统两 类。现有提供动态差分服务的方式有:(1).通过政府在沿海或沿 大型水道设置的导航信标台获得差分信号免费服务。我国在东南 部沿海建立的20个信标台,可提供的服务半径约200~300公里 (2).通过卫星发射的差分校正信号收费服务。我国大部分地区可 以获得国外提供的这种收费服务,但GPS接收机需具备相应的功 能和建立起相应的服务机制。(3).自建为局域范围(数十公里) 服务的独立DGPS系统。适合于尚缺乏公用差分信号服务的地区 在远离具备公用差分信号服务条件的地区开展“精细农作”示范 试验时,可以采用这种方式。 目前国外已有许多著名GPS公司进入中国市场。有的著名厂商, 如美国 Trimble公司和 Ashtech公司已可专门提供支持“精细农
时间的比较。因此，接收机对用户来说虽似傻瓜机，但又是技术 上很复杂的高技术智能化产品。 为了提高 GPS 接收机的定位精度，需要采用 DGPS 系统。其原理 是在地面已经标定的位置上设置一个 GPS 接收机，该接收机通过 卫星系统确定自己带有误差的位置信息后，与真实位置坐标相比 较，计算出 GPS 接收机的 X、Y、Z 位置误差信息，按时间序列存 储记录下来或通过广播实时发射出去, 被周围的移动接收机接 收，使周围的移动接收机自动修正自己的位置信息。这样，可以 使 GPS 定位精度容易达到米级或厘米级。根据上述两种提供差分 信息的方式，可区分为后处理差分系统和实时动态差分系统两 类。现有提供动态差分服务的方式有：⑴. 通过政府在沿海或沿 大型水道设置的导航信标台获得差分信号免费服务。我国在东南 部沿海建立的20个信标台，可提供的服务半径约200～300公里。 ⑵. 通过卫星发射的差分校正信号收费服务。我国大部分地区可 以获得国外提供的这种收费服务，但 GPS 接收机需具备相应的功 能和建立起相应的服务机制。⑶. 自建为局域范围（数十公里） 服务的独立 DGPS 系统。适合于尚缺乏公用差分信号服务的地区， 在远离具备公用差分信号服务条件的地区开展“精细农作”示范 试验时，可以采用这种方式。 目前国外已有许多著名 GPS 公司进入中国市场。有的著名厂商， 如美国 Trimble 公司和 Ashtech 公司已可专门提供支持“精细农
作”的农用GPS产品,如 Trimble的Ag132GPS接收机,具有 12个卫星接收通道,根据预订的配置,可接收信标台( Beacon) 或卫星(如 Oministar)转发的差分校正信号,也可购置两台 Ag132接收机,其中一台加配基站选件后作为差分基准站使用, 使之可输出RTM标准格式的差分校正信号,通过带调制解调器 的小型数传电台(35W)将差分校正信号发射出去,为附近半径 在30km左右范围内的移动接收机提供差分信号服务,从而建立 起农场自己的独立差分GPS系统。他可提供分米级定位精度和 0.16km/h速度测量精度,定位数据可每秒更新一次,也可另配快 速定位选件使定位数据采集频率达10Hz.同时具有农机田间导 航、定点采样、背负式巡田定位信息采集与测量、专用掌上型计 算机、适于与多种设备和主要农机厂商产品联接的专用信号电缆 等附件可供用于配置实用系统时进行选择。 Ashtech公司提供Ag Navigator系统虽有不同结构形式,但具有相似的功能。 为“精细农作”或其它农业应用选购GPS产品,需要有明确的应 用目标和必要的知识支持,需注意主机与附件的合理配置,避免 由于盲目性
作”的农用 GPS 产品，如 Trimble 的 Ag132 GPS 接收机，具有 12 个卫星接收通道，根据预订的配置，可接收信标台（Beacon） 或卫星(如 Oministar)转发的差分校正信号，也可购置两台 Ag132 接收机，其中一台加配基站选件后作为差分基准站使用， 使之可输出 RTCM 标准格式的差分校正信号，通过带调制解调器 的小型数传电台（35W）将差分校正信号发射出去，为附近半径 在 30 km 左右范围内的移动接收机提供差分信号服务，从而建立 起农场自己的独立差分 GPS 系统。他可提供分米级定位精度和 0.16km/h 速度测量精度,定位数据可每秒更新一次，也可另配快 速定位选件使定位数据采集频率达 10Hz.同时具有农机田间导 航、定点采样、背负式巡田定位信息采集与测量、专用掌上型计 算机、适于与多种设备和主要农机厂商产品联接的专用信号电缆 等附件可供用于配置实用系统时进行选择。Ashtech 公司提供 Ag Navigator 系统虽有不同结构形式，但具有相似的功能。 为“精细农作”或其它农业应用选购 GPS 产品，需要有明确的应 用目标和必要的知识支持，需注意主机与附件的合理配置，避免 由于盲目性