GPS技术及其在农业上的应用

1 引言

   GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。同样，GPS技术在土地资源调查，土地侵蚀调查，农作物估产与监测，灾害监测与评估等方面都正得到应用，将从为农业服务发展到直接参与农业生产的全过程，推动实现农业生产的信息化。

2 GPS基本原理

   GPS主要包括三大部分：

（1） GPS卫星（空间部分）

（2） 地面支撑系统（地面监控部分）

（3） GPS接收机（用户部分）

下面简单加以介绍：

2.1 GPS卫星

   最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，轨道倾角为55°。这样的卫星配置基本上保证了在地球任何位置均能同时观测到4颗卫星。卫星的运行轨道呈圆形，长半轴为26560KM，倾角为64°，轨道高度约20000KM。卫星重774Kg，主体呈柱形，直径为1.5M,星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板,全长5.33M,接受日光面积7.2平方米,以保证卫星正常工作的供电。

2.2 地面支撑系统

   在导航定位中，首先必须知道卫星的位置。而位置是由卫星星历计算出来的，地面支撑系统测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，再由卫星实时地播发给用户。这就是卫星提供的广播星历。工作卫星的地面支撑系统包括1个主控组、3个注入站和5个监测站。如图1所示。

    监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监测站配有GPS接收机，对每颗观测数据送往主控站。

    主控站拥有大型电子计算机，用作主体数据采集、计算、传输、诊断和编辑等。主要完成：

（1） 采集数据

（2） 编辑导航电文

（3） 诊断

（4） 调整卫星

主控站将编辑的卫星电文传送到三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星。

3.3 用户接收机

   上述的两大部分是由专门机构投资建立，维护和运行的，一旦工作，就昼夜不停地发送导航定位信息，可供无数用户免费共享。因此，世界各国的公司、研究机构陆续研制出各种类型的接收机。GPS接收机的种类众多，但其结构基本一致。GPS接收机可分为天线单元和接收单元两部分。

1) 天线单元由接收天线和前置放大器组成。前置放大器是关键性部件，要求具有噪声系数小、增益高和动态范围大的特点。

2) 接收单元由信号通道单元、存储单元和计算与显示等单元组成：
a.信号通道单元，用于接收来自天线单元的信号。通常有1－12个通道，每一通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星。当此卫星被琐定后，便占据了这一通道。

b.存储单元，用以存储实时的各种数据，原始观测量及计算结果，供事后处理用。

c.计算和显示单元，用于根据采集到的卫星星历，伪距观测值计算三维坐标和速度。

3美国的S/A政策

    GPS设计时，计划提供两种服务，一种为标准定位服务（SPS），精度约为100M，提供给民间用户使用。另一种为精密定位服务（PPS），精度可达10M，提供给军方和得到特许的民间用户使用。但在试验卫星应用阶段，多次试验表明，实际定位精度远高于此值。SPS可达14M，而PPS可达3M。于是美国政府采取了SA政策（Selective Availatility），人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，以降低GPS的定位精度，防止未经许可用于军事目的。按SA政策，水平定位精度为100M，垂直定位精度为157M。这就大大降低了GPS的实用性。因此各家公司和研究单位纷纷研制在实施SA政策下提高实时定位精度的技术。显然，无论采用那种技术，都会提高应用的成本。其中比较重要的是差分GPS技术（DGPS），下面逐一加以介绍：

3.1差分GPS（DGPS）

   差分技术的原理并不复杂，它使用一台基准GPS接收机和一台用户接收机，利用实时或事后的处理技术就可以消去用户测量时公共的误差。差分GPS需要增设基站和通讯设施，投资较高，而且仅适用用于基站周围200公里左右范围内的用户。

3.2移动式差分GPS

针对差分GPS的不足，目前已开发出移动式差分GPS，即可根据需要在某一基准点，临时架设可移动的基站，这一方法适用于非实时的测量场合，投资较省。

3.3信标差分GPS

这一方法的原理同差分GPS，信标站是我国交通部在沿海建立的一系列差分基站，为船舶导航提供免费服务，因此，在沿海地区，只需购置特制的信标机，就能实现差分GPS，大大降低了投资成本。但使用范围有限。

3.4双星定位GPS

   GPS的精度取决同时能观察到的卫星个数，双星定位GPS接收机不但能接收到美国GPS的卫星信号，而且能接收到俄罗斯的GLONASS的卫星信号，保证了在每一接收点至少可接收到6-8颗卫星信号，通过复杂的计算机和得到高精度的位置坐标。

4 GPS在农业中的应用

   随着知识经济时代的到来，传统的农业将向“精细农业（Precision Agriculture）”发展，著名美国未来学家托夫勒夫妇撰文指出，农业革命的基础是生物技术和信息技术的突破性进展及其在农业领域的成功应用。

    九十年代以来，三S（RS、GPS、GIS），即遥感、全球定位系统和地理信息系统在农业上的应用已成为最有吸引力的前沿性研究领域，主要包括利用三S技术实现：（1）合理利用农业资源（2）提高农作物产量（3）降低生产成本（4）改善生态环境等。

4.1降低生产成本

    现代农业正走向大农业和机械化道路，大量采用飞机播种、除草、施肥等工作。利用GPS合理地布设航线和准确地引导飞机。可以大大节省飞机作业的费用，据报导，可降低成本约50%。

4.2控制化肥数量

    由于农田的土地性质不同，要求施加的肥料品种和数量也不相同。利用GIS和 GPS技术可有效地解决这一问题。首先，利用空中摄影或土地采样方法区别不同土地类型，及对施肥的要求，利用GIS技术绘制成土地施肥图，在作业时利用GPS进行精密定位，严格按照已设计好的土地施肥图和标准进行施肥，真正做到按需施肥和肥尽其用，据报导可节约化肥和提高效率达10%以上。

4.3在品种资源研究中的应用

    在野外考察和引种研究中，利用GPS技术可以准确定位野生群落和引种区的经纬度和高度，结合GIS技术，可在二、三维地图上加以标注，并计算出区域的面积，查询到该区域的气候条件等。通过定期考察，可进一步观察到特定野生群落区域的变迁，并掌握当地生态环境的状况。GPS的应用前景十分广阔，研究人员可从自身的研究对象出发，开发出新的应用，开拓新的研究领域。

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