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汽車用品 / GPS導(dǎo)航 / GPS導(dǎo)航_GPS論壇
GPS技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
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07-10-19 12:02
] 太平洋汽車網(wǎng)
1 引言
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的縮寫,意為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。自1973年美國軍方批準(zhǔn)成立聯(lián)合計劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時20年,耗資300億美元,成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題,在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化。同樣,GPS技術(shù)在土地資源調(diào)查,土地侵蝕調(diào)查,農(nóng)作物估產(chǎn)與監(jiān)測,災(zāi)害監(jiān)測與評估等方面都正得到應(yīng)用,將從為農(nóng)業(yè)服務(wù)發(fā)展到直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程,推動實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化。
2 GPS基本原理
GPS主要包括三大部分:
(1) GPS衛(wèi)星(空間部分)
(2) 地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)
(3) GPS接收機(用戶部分)
下面簡單加以介紹:
2.1 GPS衛(wèi)星
最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在互成60°的6個軌道平面上,軌道傾角為55°。這樣的衛(wèi)星配置基本上保證了在地球任何位置均能同時觀測到4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的運行軌道呈圓形,長半軸為26560KM,傾角為64°,軌道高度約20000KM。衛(wèi)星重774Kg,主體呈柱形,直徑為1.5M,星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板,全長5.33M,接受日光面積7.2平方米,以保證衛(wèi)星正常工作的供電。
2.2 地面支撐系統(tǒng)
在導(dǎo)航定位中,首先必須知道衛(wèi)星的位置。而位置是由衛(wèi)星星歷計算出來的,地面支撐系統(tǒng)測量和計算每顆衛(wèi)星的星歷,編輯成電文發(fā)送給衛(wèi)星,再由衛(wèi)星實時地播發(fā)給用戶。這就是衛(wèi)星提供的廣播星歷。工作衛(wèi)星的地面支撐系統(tǒng)包括1個主控組、3個注入站和5個監(jiān)測站。如圖1所示。
監(jiān)測站的主要任務(wù)是對每顆衛(wèi)星進行觀測,并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站配有GPS接收機,對每顆觀測數(shù)據(jù)送往主控站。
主控站擁有大型電子計算機,用作主體數(shù)據(jù)采集、計算、傳輸、診斷和編輯等。主要完成:
(1) 采集數(shù)據(jù)
(2) 編輯導(dǎo)航電文
(3) 診斷
(4) 調(diào)整衛(wèi)星
主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到三個注入站,定時將這些信息注入各個衛(wèi)星。
3.3 用戶接收機
上述的兩大部分是由專門機構(gòu)投資建立,維護和運行的,一旦工作,就晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息,可供無數(shù)用戶免費共享。因此,世界各國的公司、研究機構(gòu)陸續(xù)研制出各種類型的接收機。GPS接收機的種類眾多,但其結(jié)構(gòu)基本一致。GPS接收機可分為天線單元和接收單元兩部分。 GPS手機http://www.baidugps.cn
1) 天線單元由接收天線和前置放大器組成。前置放大器是關(guān)鍵性部件,要求具有噪聲系數(shù)小、增益高和動態(tài)范圍大的特點。
2) 接收單元由信號通道單元、存儲單元和計算與顯示等單元組成:
a.信號通道單元,用于接收來自天線單元的信號。通常有1-12個通道,每一通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星。當(dāng)此衛(wèi)星被瑣定后,便占據(jù)了這一通道。
b.存儲單元,用以存儲實時的各種數(shù)據(jù),原始觀測量及計算結(jié)果,供事后處理用。
c.計算和顯示單元,用于根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷,偽距觀測值計算三維坐標(biāo)和速度。
3美國的S/A政策
GPS設(shè)計時,計劃提供兩種服務(wù),一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS),精度約為100M,提供給民間用戶使用。另一種為精密定位服務(wù)(PPS),精度可達10M,提供給軍方和得到特許的民間用戶使用。但在試驗衛(wèi)星應(yīng)用階段,多次試驗表明,實際定位精度遠高于此值。SPS可達14M,而PPS可達3M。于是美國政府采取了SA政策(Selective Availatility),人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中,以降低GPS的定位精度,防止未經(jīng)許可用于軍事目的。按SA政策,水平定位精度為100M,垂直定位精度為157M。這就大大降低了GPS的實用性。因此各家公司和研究單位紛紛研制在實施SA政策下提高實時定位精度的技術(shù)。顯然,無論采用那種技術(shù),都會提高應(yīng)用的成本。其中比較重要的是差分GPS技術(shù)(DGPS),下面逐一加以介紹: gps地圖http://www.baidugps.cn
3.1差分GPS(DGPS)
差分技術(shù)的原理并不復(fù)雜,它使用一臺基準(zhǔn)GPS接收機和一臺用戶接收機,利用實時或事后的處理技術(shù)就可以消去用戶測量時公共的誤差。差分GPS需要增設(shè)基站和通訊設(shè)施,投資較高,而且僅適用用于基站周圍200公里左右范圍內(nèi)的用戶。
3.2移動式差分GPS
針對差分GPS的不足,目前已開發(fā)出移動式差分GPS,即可根據(jù)需要在某一基準(zhǔn)點,臨時架設(shè)可移動的基站,這一方法適用于非實時的測量場合,投資較省。
3.3信標(biāo)差分GPS
這一方法的原理同差分GPS,信標(biāo)站是我國交通部在沿海建立的一系列差分基站,為船舶導(dǎo)航提供免費服務(wù),因此,在沿海地區(qū),只需購置特制的信標(biāo)機,就能實現(xiàn)差分GPS,大大降低了投資成本。但使用范圍有限。
3.4雙星定位GPS
GPS的精度取決同時能觀察到的衛(wèi)星個數(shù),雙星定位GPS接收機不但能接收到美國GPS的衛(wèi)星信號,而且能接收到俄羅斯的GLONASS的衛(wèi)星信號,保證了在每一接收點至少可接收到6-8顆衛(wèi)星信號,通過復(fù)雜的計算機和得到高精度的位置坐標(biāo)。
4 GPS在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
隨著知識經(jīng)濟時代的到來,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)將向“精細農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)”發(fā)展,著名美國未來學(xué)家托夫勒夫婦撰文指出,農(nóng)業(yè)革命的基礎(chǔ)是生物技術(shù)和信息技術(shù)的突破性進展及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用。
九十年代以來,三S(RS、GPS、GIS),即遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已成為最有吸引力的前沿性研究領(lǐng)域,主要包括利用三S技術(shù)實現(xiàn):(1)合理利用農(nóng)業(yè)資源(2)提高農(nóng)作物產(chǎn)量(3)降低生產(chǎn)成本(4)改善生態(tài)環(huán)境等。
4.1降低生產(chǎn)成本
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正走向大農(nóng)業(yè)和機械化道路,大量采用飛機播種、除草、施肥等工作。利用GPS合理地布設(shè)航線和準(zhǔn)確地引導(dǎo)飛機。可以大大節(jié)省飛機作業(yè)的費用,據(jù)報導(dǎo),可降低成本約50%。
4.2控制化肥數(shù)量
由于農(nóng)田的土地性質(zhì)不同,要求施加的肥料品種和數(shù)量也不相同。利用GIS和 GPS技術(shù)可有效地解決這一問題。首先,利用空中攝影或土地采樣方法區(qū)別不同土地類型,及對施肥的要求,利用GIS技術(shù)繪制成土地施肥圖,在作業(yè)時利用GPS進行精密定位,嚴(yán)格按照已設(shè)計好的土地施肥圖和標(biāo)準(zhǔn)進行施肥,真正做到按需施肥和肥盡其用,據(jù)報導(dǎo)可節(jié)約化肥和提高效率達10%以上。
4.3在品種資源研究中的應(yīng)用
在野外考察和引種研究中,利用GPS技術(shù)可以準(zhǔn)確定位野生群落和引種區(qū)的經(jīng)緯度和高度,結(jié)合GIS技術(shù),可在二、三維地圖上加以標(biāo)注,并計算出區(qū)域的面積,查詢到該區(qū)域的氣候條件等。通過定期考察,可進一步觀察到特定野生群落區(qū)域的變遷,并掌握當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的狀況。GPS的應(yīng)用前景十分廣闊,研究人員可從自身的研究對象出發(fā),開發(fā)出新的應(yīng)用,開拓新的研究領(lǐng)域。
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的縮寫,意為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。自1973年美國軍方批準(zhǔn)成立聯(lián)合計劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時20年,耗資300億美元,成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題,在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化。同樣,GPS技術(shù)在土地資源調(diào)查,土地侵蝕調(diào)查,農(nóng)作物估產(chǎn)與監(jiān)測,災(zāi)害監(jiān)測與評估等方面都正得到應(yīng)用,將從為農(nóng)業(yè)服務(wù)發(fā)展到直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程,推動實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化。
2 GPS基本原理
GPS主要包括三大部分:
(1) GPS衛(wèi)星(空間部分)
(2) 地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)
(3) GPS接收機(用戶部分)
下面簡單加以介紹:
2.1 GPS衛(wèi)星
最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在互成60°的6個軌道平面上,軌道傾角為55°。這樣的衛(wèi)星配置基本上保證了在地球任何位置均能同時觀測到4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的運行軌道呈圓形,長半軸為26560KM,傾角為64°,軌道高度約20000KM。衛(wèi)星重774Kg,主體呈柱形,直徑為1.5M,星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板,全長5.33M,接受日光面積7.2平方米,以保證衛(wèi)星正常工作的供電。
2.2 地面支撐系統(tǒng)
在導(dǎo)航定位中,首先必須知道衛(wèi)星的位置。而位置是由衛(wèi)星星歷計算出來的,地面支撐系統(tǒng)測量和計算每顆衛(wèi)星的星歷,編輯成電文發(fā)送給衛(wèi)星,再由衛(wèi)星實時地播發(fā)給用戶。這就是衛(wèi)星提供的廣播星歷。工作衛(wèi)星的地面支撐系統(tǒng)包括1個主控組、3個注入站和5個監(jiān)測站。如圖1所示。
監(jiān)測站的主要任務(wù)是對每顆衛(wèi)星進行觀測,并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站配有GPS接收機,對每顆觀測數(shù)據(jù)送往主控站。
主控站擁有大型電子計算機,用作主體數(shù)據(jù)采集、計算、傳輸、診斷和編輯等。主要完成:
(1) 采集數(shù)據(jù)
(2) 編輯導(dǎo)航電文
(3) 診斷
(4) 調(diào)整衛(wèi)星
主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到三個注入站,定時將這些信息注入各個衛(wèi)星。
3.3 用戶接收機
上述的兩大部分是由專門機構(gòu)投資建立,維護和運行的,一旦工作,就晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息,可供無數(shù)用戶免費共享。因此,世界各國的公司、研究機構(gòu)陸續(xù)研制出各種類型的接收機。GPS接收機的種類眾多,但其結(jié)構(gòu)基本一致。GPS接收機可分為天線單元和接收單元兩部分。 GPS手機http://www.baidugps.cn
1) 天線單元由接收天線和前置放大器組成。前置放大器是關(guān)鍵性部件,要求具有噪聲系數(shù)小、增益高和動態(tài)范圍大的特點。
2) 接收單元由信號通道單元、存儲單元和計算與顯示等單元組成:
a.信號通道單元,用于接收來自天線單元的信號。通常有1-12個通道,每一通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星。當(dāng)此衛(wèi)星被瑣定后,便占據(jù)了這一通道。
b.存儲單元,用以存儲實時的各種數(shù)據(jù),原始觀測量及計算結(jié)果,供事后處理用。
c.計算和顯示單元,用于根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷,偽距觀測值計算三維坐標(biāo)和速度。
3美國的S/A政策
GPS設(shè)計時,計劃提供兩種服務(wù),一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS),精度約為100M,提供給民間用戶使用。另一種為精密定位服務(wù)(PPS),精度可達10M,提供給軍方和得到特許的民間用戶使用。但在試驗衛(wèi)星應(yīng)用階段,多次試驗表明,實際定位精度遠高于此值。SPS可達14M,而PPS可達3M。于是美國政府采取了SA政策(Selective Availatility),人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中,以降低GPS的定位精度,防止未經(jīng)許可用于軍事目的。按SA政策,水平定位精度為100M,垂直定位精度為157M。這就大大降低了GPS的實用性。因此各家公司和研究單位紛紛研制在實施SA政策下提高實時定位精度的技術(shù)。顯然,無論采用那種技術(shù),都會提高應(yīng)用的成本。其中比較重要的是差分GPS技術(shù)(DGPS),下面逐一加以介紹: gps地圖http://www.baidugps.cn
3.1差分GPS(DGPS)
差分技術(shù)的原理并不復(fù)雜,它使用一臺基準(zhǔn)GPS接收機和一臺用戶接收機,利用實時或事后的處理技術(shù)就可以消去用戶測量時公共的誤差。差分GPS需要增設(shè)基站和通訊設(shè)施,投資較高,而且僅適用用于基站周圍200公里左右范圍內(nèi)的用戶。
3.2移動式差分GPS
針對差分GPS的不足,目前已開發(fā)出移動式差分GPS,即可根據(jù)需要在某一基準(zhǔn)點,臨時架設(shè)可移動的基站,這一方法適用于非實時的測量場合,投資較省。
3.3信標(biāo)差分GPS
這一方法的原理同差分GPS,信標(biāo)站是我國交通部在沿海建立的一系列差分基站,為船舶導(dǎo)航提供免費服務(wù),因此,在沿海地區(qū),只需購置特制的信標(biāo)機,就能實現(xiàn)差分GPS,大大降低了投資成本。但使用范圍有限。
3.4雙星定位GPS
GPS的精度取決同時能觀察到的衛(wèi)星個數(shù),雙星定位GPS接收機不但能接收到美國GPS的衛(wèi)星信號,而且能接收到俄羅斯的GLONASS的衛(wèi)星信號,保證了在每一接收點至少可接收到6-8顆衛(wèi)星信號,通過復(fù)雜的計算機和得到高精度的位置坐標(biāo)。
4 GPS在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
隨著知識經(jīng)濟時代的到來,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)將向“精細農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)”發(fā)展,著名美國未來學(xué)家托夫勒夫婦撰文指出,農(nóng)業(yè)革命的基礎(chǔ)是生物技術(shù)和信息技術(shù)的突破性進展及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用。
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九十年代以來,三S(RS、GPS、GIS),即遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已成為最有吸引力的前沿性研究領(lǐng)域,主要包括利用三S技術(shù)實現(xiàn):(1)合理利用農(nóng)業(yè)資源(2)提高農(nóng)作物產(chǎn)量(3)降低生產(chǎn)成本(4)改善生態(tài)環(huán)境等。
4.1降低生產(chǎn)成本
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正走向大農(nóng)業(yè)和機械化道路,大量采用飛機播種、除草、施肥等工作。利用GPS合理地布設(shè)航線和準(zhǔn)確地引導(dǎo)飛機。可以大大節(jié)省飛機作業(yè)的費用,據(jù)報導(dǎo),可降低成本約50%。
4.2控制化肥數(shù)量
由于農(nóng)田的土地性質(zhì)不同,要求施加的肥料品種和數(shù)量也不相同。利用GIS和 GPS技術(shù)可有效地解決這一問題。首先,利用空中攝影或土地采樣方法區(qū)別不同土地類型,及對施肥的要求,利用GIS技術(shù)繪制成土地施肥圖,在作業(yè)時利用GPS進行精密定位,嚴(yán)格按照已設(shè)計好的土地施肥圖和標(biāo)準(zhǔn)進行施肥,真正做到按需施肥和肥盡其用,據(jù)報導(dǎo)可節(jié)約化肥和提高效率達10%以上。
4.3在品種資源研究中的應(yīng)用
在野外考察和引種研究中,利用GPS技術(shù)可以準(zhǔn)確定位野生群落和引種區(qū)的經(jīng)緯度和高度,結(jié)合GIS技術(shù),可在二、三維地圖上加以標(biāo)注,并計算出區(qū)域的面積,查詢到該區(qū)域的氣候條件等。通過定期考察,可進一步觀察到特定野生群落區(qū)域的變遷,并掌握當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的狀況。GPS的應(yīng)用前景十分廣闊,研究人員可從自身的研究對象出發(fā),開發(fā)出新的應(yīng)用,開拓新的研究領(lǐng)域。
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