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