НОВОСТИ

Global Position System, или По-нашему - Джи Пи Эс Система глобального позиционирования (GPS)

ТЕГИ:

Роберт «Бобби» Гриссо, инженер-агротехник, Biological Systems Engineering

Марк Элли,У. Дж. Вайсор, Профессор энвироники зерновых и почвы

Конрад Хитвол, адъюнкт-профессор, Департамент проектирования биосистем Вирджинский политехнический институт

Точное земледелие

Практика современного аграрного менеджмента меняется: от полей, считающихся однородными, переходим к вариабельности полей, когда любое поле делится на более мелкие зоны и каждая из них управляется и обрабатывается по отдельности. Точное земледелие можно определить как сбор информации, имеющей отношение к пространственным и временным изменениям на одном поле, и последующее использование этой информации для управления затратами и практиками обработки. Точное земледелие стало возможным благодаря объединению компьютеров, датчиков движения, глобальной системы позиционирования (GPS) и других устройств. В данной публикации рассматриваются принципы GPS и технологии, на которых она работает.

Конфигурация спутников Снижение точности Ошибка многолучевости
Системы дифференциальной GPS Точность GPS для 2DRMS Точность GPS

Система глобального позиционирования (GPS)

GPS повсеместно доступна в сельском хозяйстве, и ее потенциал постоянно растет. К видам ее применения в сельском хозяйстве относятся:

  • картирование урожаев (GPS + мониторинг урожайности с комбайна);
  • посев с изменяемыми параметрами (GPS + сеялка с изменяемой нормой посева);
  • внесение извести и удобрений с изменяемой нормой внесения (GPS + разбрасыватель с изменяемой нормой внесения);
  • применение пестицидов с изменяемой нормой внесения (GPS + аппликатор с изменяемой нормой внесения);
  • картирование полей с целью дальнейшего документирования (создания архива) и страхования (GPS + программное обеспечение картирования);
  • параллельное вождение (GPS + средства навигации).

Что такое GPS и как это работает

Система GPS, разработанная Министерством обороны США, - это система навигации, осуществляемая 24 спутниками. С помощью компьютеров и спутников GPS она способна круглосуточно определять местоположение любого объекта на Земле. Орбиты и орбитальное положение спутников GPS (так называемая констелляция спутников, или спутниковое созвездие) рассчитаны так, что девять из 12 спутников постоянно находятся над горизонтом в любой точке планеты Земля. Благодаря этому осуществляется местоопределение, то есть каждая такая точка на поверхности Земли получает свой уникальный адрес. GPS-навигация обеспечивается за счет трех составляющих: космического сегмента, пользовательского сегмента и контрольного сегмента. Космический сегмент основывается на конфигурации (спутниковом созвездии) 24 активных и трех запасных спутников, движущихся по своим орбитам вокруг Земли. Контрольный сегмент - это система из пяти станций слежения, расположенных в разных частях света, с главным центром управления на авиабазе ВВС США Фэлкон (Колорадо).

Пользовательский сегмент -самый динамично развивающийся - состоит из GPS-приемников и сообщества пользователей. GPS-приемники преобразуют данные спутников в показатели местоположения, скорости и времени. Эта информация используется для навигации, местоопределения, передачи сигналов точного времени и исследований.

Справка. Что мы знаем о GPS

GPS-спутники, или космический сегмент

В основе системы GPS лежит идея о том, что можно определить точное местоположение объекта с помощью триангуляция (метода пеленгации нескольких целей тремя приемниками). Путем объединения сигналов группы спутников, триангуляции и спутниковой локации производится расчет местоположения объекта на Земле с помощью измерения расстояния от него до каждого из нескольких спутников, находящихся в космосе. Спутники действуют как точки привязки в пространстве. Знание расстояний от каждого из спутников до точки на земной поверхности позволяет точно определять местоположение объекта.

Для точного место определения объекта в трехмерном пространстве требуется четыре показателя спутника. Чтобы использовать триангуляцию, приемник замеряет время, требующееся радиоволне, чтобы добраться от спутника до приемника. И спутник, и приемник генерируют последовательность цифровых кодов, называемых псевдослучайными, точно в одно и то же время. Псевдослучайный код повторяет сам себя каждую миллисекунду и передается радиоволнами. Каждый спутник передает два сигнала несущей частоты (carrier signal). Таким образом, разница между кодом спутника и псевдослучайным кодом приемника даст расстояние между двумя этими устройствами. Поскольку для работы системы важно точное время, каждый спутник оснащен четырьмя квантовыми (атомными) часами. Используются только одни часы, остальные играют роль дублеров. Квантовые (атомные) часы называются так потому, что в качестве «маятника» используются атомы либо цезия, либо рубидия: частота, излучаемая или поглощаемая атомами при их квантовых переходах из одного энергетического состояния в другое, регулирует ход часов. Частота настолько стабильна, что квантовые часы позволяют измерять время точнее, чем любые другие методы. Эти часы показывают самое точное время и никогда не врут. Однако, несмотря на свою точность, квантовые часы GPS-спутников все же несовершенны и некоторые погрешности в измерении времени иногда случаются, вызывая ошибки в место-определении. Часы GPS-приемника не обязательно должны быть такими же точными, поскольку их ошибки корректируются благодаря тригонометрии. Для надлежащей работы GPS помимо точного времени требуются данные о местоположении каждого спутника. Спутники находятся высоко над Землей (порядка 20 112,5 км от поверхности Земли), так что их орбиты легко предсказуемы. Но станции слежения МО США фиксируют даже малейшие отклонения орбит и передают соответствующие данные обратно на спутники. Другие спутники и приемники учитывают эти ошибки и дают точные орбитальные координаты и условия каждого спутника.

GPS-приемники, или пользовательский сегмент

В пользовательском сегменте существует два класса приемников, военные и гражданские. Гражданские спутники могут принимать частоту L1. Военные и правительство, у которых есть шифровальное оборудование, ключи и специально оборудованные приемники, могут принимать сигналы на частоте L2 и на частоте L1. Объединение этих двух частот значительно повышает точность сигнала. Большинство имеющихся приемников - это приемники непрерывного типа, способные отслеживать четыре и больше спутников одновременно, в зависимости от количества имеющихся каналов. Приемники непрерывного типа дороже и потребляют больше энергии, зато могут

определять местоположение и скорость в любой момент времени. Также у них меньше вероятность допустить ошибку, потому что приемник может принимать несколько псевдослучайных кодов одновременно. Пользователю следует определить, какой уровень точности для определения места и скорости ему требуется, исходя из имеющегося в его распоряжении бюджета. Чем больше принимаемых каналов, тем выше точность, однако тем и дороже необходимое оборудование.

Управление, или контрольный сегмент

Предельная точность системы определяется совокупностью нескольких типов погрешностей (см. ниже таблицу 1. «Стандартные ошибки, связанные с сигналом GPS»). МО США может изменять и перестраивать орбиты спутников для повышения точности сигнала. Эта система была разработана с использованием режима, называющегося избирательным доступом - ИД (или SA, от selective availability - избирательный, или выборочный, доступ). МО США может использовать такой доступ для целенаправленного снижения точности системы. Избирательный доступ был разработан, чтобы предотвратить получение вражескими силами тактического преимущества. Когда режим ИД активен, сигнал дает наибольшую погрешность. В настоящее время ИД отключен, и МО США не планирует подключать его снова. Чтобы гарантировать, что потенциальный противник не воспользуется преимуществами GPS-навигации, военные разрабатывают и размещают средства регионального отказа – вместо того, чтобы с помощью режима ИД создавать глобальное ухудшение сигнала.

Таблица 1. Стандартные ошибки связанные с сигналом GPS

GPS-сигналы и коррекция

Чем вызваны погрешности в сигналах GPS? Есть несколько причин, связанных с системой GPS, которые могут вызывать ошибки в информации о позиционировании. Самые распространенные из них показаны в табл. 1. Влияние каждого источника погрешности зависит от атмосферных условий и состояния оборудования. С учетом всех возможных типов ошибок становится понятным, что система GPS не может быть абсолютно точной. Однако с помощью математики и моделирования некоторые ошибки можно значительно уменьшить или устранить совсем. GPS-приемник корректирует ошибки с помощью математических расчетов. Таким образом, количество и воздействие ошибок можно уменьшить за счет расширения возможностей приемника.

Как повысить точность?

В сельском хозяйстве стандартный способ допустить как можно меньше ошибок -использование DGPS, дифференциальной GPS, когда специальный GPS-приемник помещается в точно известную локацию (рис. 4). Этот приемник (опорный, или базовый) рассчитывает погрешность между фактической и расчетной локациями. Информация об ошибках передается на мобильный GPS-приемник, работающий в поле, и тот получает возможность корректировать место-определение, рассчитываемое с помощью GPS-сигналов. В США корректировка с помощью DGPS выполняется обычно средствами Береговой охраны США - WAAS (the FAA’s Wide Area Augmentation System - Региональная система радиоопределения местоположения со спутниковыми ответчиками на частоте запроса) или по подписке через закрытые (частные) радиопередатчики либо спутниковые линии связи.

Суть дифференциальной GPS в том, чтобы исправлять систематические погрешности в известной локации. Базовая станция, или вспомогательный приемник, рассчитывает коррекцию по каждому сигналу спутника. Поскольку индивидуальные псевдослучайные погрешности должны быть скорректированы до принятия решения о навигации, реализация DGPS требует наличия на вспомогательном приемнике программного обеспечения, которое способно отслеживать все спутники в зоне видимости и проводить индивидуальные псевдокоррекции для каждого из них. Эти коррекции передаются на удаленный (или мобильный) приемник, который должен иметь возможность применять индивидуальные псевдокоррекции к каждому спутнику, используемому в данной навигационной схеме. Применение простой корректировки локации от базовой станции к удаленному приемнику ограничивает эффект в полезных диапазонах. Причина в том, что оба приемника должны использовать для навигации один и тот же набор спутников и иметь одинаковые показатели снижения точности (GDOP) (что в разных локациях невозможно), чтобы влияние на них систематических ошибок было одинаковым. Дифференциальные коррекции можно использовать в реальном времени или с отсрочкой с использованием технологий заключительной обработки. Коррекции в реальном времени могут передаваться по радиолинии (FM) или через спутниковый сигнал. Коррекции можно записывать для постобработки. Более усовершенствованным вариантом стандарта DGPS является Kinematic DGPS, или Real Time Kinematic GPS (RTK — кинематика в реальном времени). Система RTK подсчитывает количество длин волн радиосигнала несущей частоты между спутником и приемником, чем обеспечивается точность менее фута (0,30 м). Эти системы дороги (от 15 до 60 тысяч долларов), они требуют от пользователей установки и поддержания собственных базовых станций, поэтому обычно не применяются в сельском хозяйстве, разве что для создания топографических карт, координации прохода тракторов и точного размещения посевов культур и труб для полива. Некоторые приемники предыдущего поколения DGPS требуют отдельных антенн для GPS-сигналов и для сигналов дифференциальной коррекции. В более современных аппаратах все антенны объединены в один общий блок.

Таблица 2. Точность GPS

Как производители GPS-аппаратуры сообщают о точности

Пользователи GPS должны знать, что производители могут по-разному обозначать точность GPS-приемника. Хотя производители редко пытаются обмануть пользователей, те сами могут запутаться, если не имеют соответствующего образования. Например, один и тот же GPS-блок может иметь спецификации следующего вида: 1-ft СЕР, 1.2-ft RMS и 2.4-ft 2DRMS.

Спецификация 1.2-ft RMS accuracy (среднеквадратическая погрешность в 1,2 фута) означает, что расстояние определяется с точностью до 1,2 фута (0,36 м), т.е. определяемая локация попадает в зону радиусом 0,36 м фактического положения в течение 68% времени. Оставшиеся 32% времени позиция может оказаться за пределами радиуса в 0,36 м подлинной локации. Спецификация 2.4-ft 2DRMS accuracy (горизонтальная среднеквадратическая погрешность в 2,4 фута) означает, что локация определяется с точностью 2,4 фута (0,73 м) в течение 95% времени (рис. 5). Спецификация 1-ft CEP (круговое вероятное отклонение (КВО) в 1 фут) означает, что локация определяется с точностью до 1 фута (0,3 м) в течение 50% времени.

Эта информация особенно важна при сравнении GPS-приемников. Показатель точности 2DRMS в два раза лучше показателя RMS для одного и того же устройства. Показатель RMS примерно в 1,2 раза лучше CEP. Поэтому приемник со спецификацией 5-ft 2DRMS accuracy на самом деле точнее, чем приемник, на котором указано 3-ft RMS accuracy, поскольку 3-ft RMS соответствует 6-ft 2DRMS. При сравнении точности GPS-приемников убедитесь, что этот параметр указан в одних и тех же системах (CEP, RMS и 2DRMS). Еще один важный момент: показатели точности RMS, 2DRMS и CEP обычно строятся только на горизонтальной локации (широта и долгота). Вертикальная локация (высота) у GPS-приемников обычно не столь точна, как горизонтальная. Фактически GPS-приемник с точностью горизонтальной локации 3-ft RMS имеет точность локации по высоте только уровня 10-15-ft RMS.

Использование портативных GPS-приемников в точном земледелии

Сельскохозяйственные DGPS-приемники для картирования урожая и вождения с помощью курсоуказателя стоят обычно от 2 до 6 тысяч долларов. В отличие от них пользовательские GPS-приемники, разработанные для личного использования (на рыбалке, в туризме, автомобилистами), гораздо доступнее, потому что производятся огромными тиражами для гораздо более широкого рынка. Портативный GPS-приемник может стоить от 200 до 400 долларов и обеспечивает точность местоопределения  в пределах 20 футов (6 м). Некоторые из портативных GPS-приемников с бесплатным сигналом и дифференциальной коррекцией WAAS показывают точность даже в пределах 7 футов (2,1 м). Точность портативного GPS-приемника достаточна для того, чтобы составить приблизительные карты и отметить на них препятствия, отклонения и даже заражение сельскохозяйственными вредителями. Многие портативные приемники позволяют сохранять эти данные непосредственно на устройстве для использования в будущем и/или предлагают возможность загрузить сохраненные данные на компьютер для последующего анализа. Такие недорогие устройства позволяют определять местоположение и составлять карты факторов, способных негативно повлиять на будущий урожай на протяжении года. Вот несколько примеров.

Заболоченные (сырые) участки. Можно нанести границы таких участков на карту, чтобы потом принять решение по их осушению (с помощью гончарного дренажа) или рассмотреть возможность замены высеваемых культур.

Участки многолетних сорняков. Можно отметить границы таких участков, чтобы потом провести точечную обработку гербицидами (точечное опрыскивание). Также можно добавить к этим картам заметки о степени засоренности (количество сорняков), чтобы потом составить подходящий график обработки.

Повреждения и прорывы дренажных труб. Можно отметить места повреждений на карте, чтобы вернуться и устранить их в сухую погоду и чтобы во время проведения полевых работ не ухудшить состояние труб сельхозтехникой (тракторами или сеялками).

Области для будущего мониторинга насекомых-вредителей - например, области, где личинки совки ипсилон (ВСШ) питаются зерном, которое будет выращиваться на этих полях.

Также можно отметить, где происходили поломки сельхозмашин и другие сбои, а также места, где пришлось отложить какие-то виды обработки. Кроме того, можно отметить области испытаний гибридов и другие полевые испытания.

DGPS – средство точного земледелия

DGPS оказывает огромное влияние на навигацию в агропромышленности, позволяя производителям точно определять местоположение. При использовании надлежащего приемника местоопределение происходит мгновенно. Зная местоположение, фермер может видеть поле как группу небольших зон и определять, является ли это поле однородным или нет (и в последнем случае делить его на более мелкие поля или участки). Компьютеры и гео-информационные системы (GIS) дают производителям возможность фиксировать данные местоположения и другую важную для них информацию. Например, мониторинг полей с помощью GPS позволяет фермеру документировать данные урожайности по каждому полю. Благодаря этому можно проанализировать технологии, повышающие эффективность и прибыльность. GPS-приемники быстро дешевеют, так что большинство производителей могут позволить себе применять их на разных уровнях управления.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ