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关于低成本农业用途的GPS接收系统的介绍

来源：　类别：技术文章　更新时间：2013-02-20　阅读次

　　GPS全球定位系统是一个全天候、全球性、信号覆盖范围广、基于卫星的无线电导航系统，能够提供实时的经度、纬度、高程等定位信息，是支撑精细农业的核心技术之一，GPS农田面积测量仪在农田定位信息采集、处方农作实施、农机自动导航系统和面积测量等方面起着重要作用。由于目前我国市场上低成本GPS设备无法满足农业领域的应用需求，而精度较高的GPS设备因其均从国外引进，成本高，不利于推广，因此自主开发针对精细农业应用的低成本GPS具有重要的意义。
　　采用VRS虚拟差分技术，可以提高GPS的定位精度，拓宽GPS的应用领域，也使GPS设备向便携式、轻巧式的方向发展。国外的GPS接收机除Trimble公司的少数高精度产品（Trimble公司的5800、R8 VRS rover）外，一般不具有接收VRS差分信息的功能。国内具有VRS接入功能的产品主要有广州南方测绘仪器有限公司生产的厘米级精度接收机（灵锐S82-2008），广州市中海达测绘仪器有限公司的V8 GNSS RTK系列等。针对采用GPSOEM板自主研制低成本GPS接收机的较多：过静珺等采用GPS OEM板研制了GJS-200系列接收机，差分定位精度达到米级。杨平等讨论了GPSOEM板与单片机的通信协议并实现了两者之间数据的传输。王琦等在完成GPS OEM板与单片机通信的基础上，增加了经纬度数据提取功能。刘兴等实现了GPS OEM板与掌上电脑（PDA）、PC机的实时通信。国内GPS应用于面积测量方面主要是低成本便携式手持机进行林区面积测量及误差分析，测量相对误差根据被测面积和GPS接收机本身的精度也有所不同，被测面积越大，相对误差越小。综上，国内外可接入VRS的产品虽然精度很高，但价格比较昂贵，几万至几十万元；国内采用OEM板自主开发的接收机普遍功能简单，大多数没有VRS接入功能，而且不具备U盘存储等功能，为数据处理带来不便。农田面积是农业生产管理中最基础的数据之一，田块的大小直接决定了种子、化肥、农药等生产资料的投入量，也是农业机械进行田间作业计算工时和收费的主要依据。相比传统测量方法，使用GPS进行面积测量具有不受面积大小和形状限制，快速准确、省时省力的优点；而目前应用于面积测量的接收机大多为米级精度，相对误差较大，而且对于1 hm2左右，特别是小于0.1 hm2的地块相对测量误差分析较少，不能为农田面积的精确测量提供数据支持。
　　本研究旨在开发能够接收VRS差分信息的低成本亚米级精度GPS接收机（简称PAC-GPS），并分析其在不同面积测量中的精度，特别是小块面积测量中的相对误差，为该接收机在精细农业中的应用提供数据支持。
　　1 VRS系统简介
　　VRS是一种网络RTK技术，由均匀或非均匀分布的3个或3个以上的GPS参考站组成，通过有线或无线通信方式与控制中心的控制软件连接，经数据处理中心对原始观测数据综合处理后，建立相应的空间定位信息数据库，并由信息发播系统向外发布，为移动站提供精确的位置修正数据，进行高精度、高速度、实时动态的定位和导航服务。
　　VRS系统包括3部分：网络控制中心（计算中心和数据发布中心）、连续运行GPS基准站和用户部分。GPS移动站向控制中心发送其概略位置。
　　控制中心接收此信息并进行误差计算重新向移动站发送差分改正信息。GPS移动站利用接收到的差分改正信息对实际观测值进行修正后，定位误差可以达到厘米级精度。这种为一个虚拟的、没有实际架设过的参考站创建原始参考数据的技术，称为“虚拟参考站技术”。
　　VRS系统的覆盖范围大，相邻参考站之间的距离可达70 km。VRS系统覆盖范围内任意位置的定位精度始终保持一致，不会随测量位置与参考站之间距离的变化而变化。VRS技术的出现，标志着GPS的发展进入新的阶段。它将使GPS的应用领域得到极大的扩展，代表着GPS的发展方向。
　　2 基于VRS的PAC-GPS接收机的开发
　　PAC-GPS接收机包括GPS-OEM�？�、无线通信�？椤⑽⒖刂破髂？椤盘�？�、键盘和液晶显示部分（图1），其中：GPS�？橛糜诮邮誈PS原始数据；无线通讯�？橛糜谟隫RS控制中心的通讯，发送当前位置的GPS原始数据并接收差分数据；液晶显示和键盘构成人机界面，用于选择定位方式、数据输出方式并实时显示经纬度。系统利用ARM7处理器根据所选择的定位方式及输出方式控制GPS�？楹虶PRS模块工作。在农业应用上，GPS主要有两大功能：一是将实时的位置信息输出到田间计算机，为变量施肥、变量喷药、自动导航等提供数据支持；二是将位置信息保存，再进行坐标转换后用于农田面积计算等。因此，为满足农业应用的需求，在PAC-GPS接收机的设计上增加了串口输出及U盘存储功能。

　　图1 PAC-GPS接收机硬件原理图
　　2.1 微控制器
　　PAC-GPS接收机中的微控制器采用ARM7LPC2119,内部集成了16 kB SRAM和128 kB高速Flash存储器，具有2个UART接口。微控制器的主要功能是控制系统中各�？樾ぷ�。通电后，首先启动GPS模块和无线�？椴⒊跏蓟壕允灸？�。微控制器通过串口接收GPS�？榉⒗吹腘MEA-0183语句，并提取其中的经纬度信息送液晶显示屏进行实时显示。若接收机工作在差分模式，则需要通过串口向无线通信�？榉⑺虯T指令及本地GPS位置信息，接收无线通信模块的差分数据并转发至GPS模块。
　　2.2 GPS-OEM模块
　　PAC-GPS接收机中GPS-OEM�？檠≡穹ü├鬃裙旧木哂醒敲准毒鹊腁C12,可输出工业级标准的NMEA-0183格式的数据，接收RTCM格式的差分信息并兼容SBAS（WAAS/MSAS/EGNOS）星基增强系统。GPS模块AC12有2路串行通讯口，串口A和串口B。串口A（TXD、RXD）接收控制命令并输出NMEA格式的GPS数据；串口B（RTCM）接收RTCM格式的差分数据。AC12采用TTL电平，LPC2119可与其直接连接。为了节约串口资源，接收命令脚（RXD）接到LPC2119的I/O口上，LPC2119通过模拟串口时序发送控制信息；而RTCM和TXD引脚上传输信息量大，为了保证数据传输正确无误，需要接到标准串口UART0上。
　　2.3 无线通信�？槲尴咄ㄐ拍？椴捎梦髅抛庸镜腗C55。该模块支持语音、短消息及传真业务，并且提供1.2~115.2 kb/s可选波特率。本研究中，采用成本较低且稳定性较好的GPRS （general packet radioservice）模式建立与VRS控制中心的TCP/IP连接。GPRS是在GSM系统的基础上发展起来的一种移动通信业务，可以为移动用户提供高速无线IP,在移动用户和数据网络间建立连接服务。
　　GPRS网络覆盖范围广，无空间和距离限制，使用GPRS技术可实现数据分组收发，用户能够永远在线，保证了数据传输的实时性。另外，GPRS接入速度快，一般只需1~3 s就可以登陆互联网。建立连接后，模块需要发送NTRIP（networked transport ofRTCM via internet protocol）协议头文件至VRS控制中心服务器获取差分数据源信息；若服务器反馈连接成功信息， MC55再发送NMEA格式的/GPGGA0语句至服务器以下载差分信息。
　　2.4 U盘存储�？�
　　U盘存储�？椴捎媚暇┖闱叩缱佑邢薰旧腃H375M。当GPS接收机数据输出方式设置为U盘存储时，微控制器通过串口控制U盘读写模块并将采集的数据传给U盘读写模块，再由U盘读写�？榻菪慈險盘，完成数据存储。
　　2.5 键盘和液晶显示模块
　　键盘选用4×4行列式键盘，系统采用查询法确定有无键按下并获得键值。液晶显示�？椴捎肔CM128645ZK。LPC2119的I/O口通过串行通信的方式连接LCM128645ZK,以实现控制命令的输入、字符显示和清屏等操作。键盘与液晶模块配合使用可实现GPS定位方式和输出方式的选择，以及实时显示经纬度数据和状态提示信息等。
　　3 试验与分析
　　面积测量实验于2008-10-10在中国农业大学（东校区）足球场进行。为了分析PAC-GPS接收机在不同定位方式、不同被测面积情况下的面积测量精度，分别对足球场面积、70 m@54 m矩形面积和半径分别为5.0、9.1、15.0、20.0 m的圆面积进行测量。
　　3.1 矩形面积和圆面积的测量及分析
　　试验目的：分析被测地块形状和面积不同时PAC-GPS接收机的面积测量精度。
　　将用皮尺测量并人工标定的待测地块边界作为标准，手持PAC-GPS接收机绕边界行走并记录轨迹信息。通过中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室自行开发的Yieldmapper软件中的面积测量功能计算被测地块面积，面积测量方法为解析法，单位为m2,其中，半径为5.0 m和15.0 m的圆面积分别测2组数据，足球场中心圆（半径9.1 m）和20.0 m半径圆面积分别测3组，矩形面积测1组（表1）�？杉�，通过多次测量取平均的方法，所有被测面积的相对误差最大不超过2.25%;虽然半径为9.1 m圆面积的测量误差较半径5.0 m的大，但总体上，随着面积的增大，测量误差逐渐减小。当被测面积大于714 m2时，相对误差小于1%;被测面积约为3 740 m2时，相对误差仅为0.14%。试验数据表明，PAC-GPS接收机在小块面积测量时有较高精度，能够满足农田面积测量要求。

　　表1 PAC-GPS接收机测量得到的圆形和矩形面积及误差分析
　　从PAC-GPS接收机测量轨迹图（图2）可以看出，被测面积边界的轮廓线性良好。虽然测量中采用VRS差分后的接收机定位精度为亚米级，但由于GPS定位数据在短时间内相对于真实位置的误差偏移具有一致性，因此被测面积边界保持了良好的轮廓。

　　图2 PAC-GPS接收机对不同半径圆的测量轨迹图
　　3.2 足球场面积的测量分析
　　试验目的：分析不同定位方式下PAC-GPS接收机对同一被测地块的面积测量精度。
　　首先使用工作在RTK差分模式下的Aggps332接收机绕足球场行走1周，记录的运动轨迹作为足球场标准面积；然后手持本课题开发的PAC-GPS系统，使之分别工作在单机、SBAS差分和VRS差分状态下，各绕足球场行走2圈，记录轨迹信息。面积计算方法同3.1试验，结果分析见表2。

图3 PAC-GPS接收机在单机模式、SBAS差分模式和VRS差分模式下的足球场测量轨迹
　　表2 不同定位方式下PAC-GPS接收机测量得到的足球场面积及误差分析
　　由表2可以看出：VRS差分定位方式所测得面积的相对误差为0.64%,而单机定位和SBAS差分定位方式所测得面积的相对误差稍大，经过2次测量取平均后相对误差可以控制在3%以内。与其他差分方式相比，采用VRS差分后的轨迹与标准轨迹的重合相对较好（图3），单机定位方式和SBAS差分定位方式轨迹与标准轨迹偏离较远。由以上分析可知，无论采用哪一种定位方式，其相对误差均比较小，可以满足农田面积测量的要求。

图3 PAC-GPS接收机在单机模式、SBAS差分模式和VRS差分模式下的足球场测量轨迹
　　图3 PAC-GPS接收机在单机模式、SBAS差分模式和VRS差分模式下的足球场测量轨迹
　　4 结束语
　　本研究采用低成本GPS OEM板并结合无线通信�？椋⒘艘惶卓山邮誚RS差分信息的GPS接收系统。此系统差分定位精度为亚米级，测量数据通过串口输出或U盘存储，兼顾了成本和精度2方面的要求。试验结果表明，使用该系统进行面积测量，由于GPS定位的误差偏移在短时间内具有一致性的原因，被测面积边界线性良好，相对误差小于3%,可以为精细农业生产管理提供可靠精确的数据支持。所设计的GPS接收系统还存在的不足是接口形式单一、功能相对简单。进一步应进行以下2方面的研究：
　　1）增加CAN总线接口，使之可直接与田间计算机相连，便于定位数据的实时显示；
　　2）内置坐标转换程序，便于数据的实时处理。