GPS-технологии в оптимизации сельского хозяйства: от параллельного вождения до аэрофото контроля

Введение

Идея спутниковой навигации зародилась в 1950-х годах. В это время СССР успешно запустил свой первый искусственный спутник на орбиту. Тем временем американские ученые под руководством Ричарда Кершнера мониторили сигналы, исходящие от советского спутника. В процессе наблюдения они выявили явление известное как эффект Доплера, который показал, что частота принимаемого сигнала повышается, когда спутник приближается, и уменьшается, когда он удаляется. Суть этого открытия заключалась в возможности определения положения спутника, если точно известны координаты на Земле, и, наоборот, определения земных координат, если известно положение спутника.

Зарождение системы глобального позиционирования (GPS) приходится на 1979 год и было инициировано Пентагоном США. В её основе находится 24 искусственных спутника навигационной системы с измерением времени и дальности (NAVSTAR), находящихся на орбите Земли.

В 2000 году американское правительство раскрыло доступ к системе GPS для гражданских пользователей. До этого момента система работала в режиме SA (Selective Availability), который намеренно искажал сигнал и ограничивал точность позиционирования до 70-100 метров. Однако, начиная с 1 мая 2000 года, этот режим был отключен, что позволило определять свое местоположение с улучшенной точностью от 3 до 10 метров.

Этот переломный момент отметил начало интеграции GPS в бытовые навигационные устройства. В результате стоимость системы значительно снизилась, и ее пользовательская база стремительно расширилась: применение ГНСС оказывается весьма эффективным в решении сложных вопросов, таких как построение всестороннего глобального геоида и точное определение формы и размеров Земли. ГНСС находит оптимальное применение в геопривязке ГИС, облегчая эффективное управление земельными ресурсами и кадастровую деятельность. Применение методов ГНСС в том числе в сфере сельского хозяйства приносит значительные выгоды.

Обсуждение результатов

Эра космической навигации открыла новые возможности с запуском искусственных спутников Земли (ИСЗ). Начало пришло в 1957 году с запуска первого спутника, Спутника-1, в СССР, а затем в 1960 году появился первый навигационный спутник TRANSIT от США. Этот переход ознаменовал собой отход от индивидуальных навигационных спутников к созданию комплексных навигационных систем. Первые системы TRANSIT (США) и Цикада (СССР), были созданы в 1970-х годах. Затем в 1980-х началось развитие и эксплуатация систем второго поколения, таких как NAVSTAR и GLONASS, а в третьем тысячелетии появились системы, такие как Galileo (Европейский союз), Beidou (Китай) и другие [1].

Как правило, все спутниковые системы разрабатываются, управляются и контролируются единым государственным органом, обычно Министерством Обороны конкретной страны. Каждый спутник обладает уникальным "псевдошумовым кодом", который ассоциируется с навигационными сигналами, представленными числовыми кодами. Изначально технические характеристики GPS включали в себя 32 кода, избыточных для обеспечения возможности добавления новых спутников в эксплуатацию. Несмотря на то, что изначально планировалось использовать всего 24 спутника, на текущей орбите находится 32 спутника (см. рисунок 1), при этом 31 из них активно передают навигационные сигналы на Землю.

Рис. 1. Расположение спутников GPS вокруг Земли

Необходимо подчеркнуть, что для точных расчетов расстояния требуется высокоточная синхронизация часов между GPS-приемником и спутниками системы GPS. Даже небольшая разница в несколько микросекунд может привести к существенным ошибкам в определении позиции, внесенным в расчеты.

Система GPS организована на три ключевых сегмента:

1. Космический сегмент. Включает констелляцию из 24 основных и 3 резервных спутников, а также космодром для их запуска. На текущий момент орбитальная констелляция насчитывает почти 30 спутников. Основные задачи спутников включают прием и хранение данных, поддержание системного времени с использованием нескольких атомных частотных стандартов на борту и передачу информации пользователю на различных частотах L-диапазона.
2. Контрольный сегмент. Объединяет сеть наземных станций отслеживания и центров обработки информации. Основная цель – обеспечение исправной работы космического сегмента.
3. Пользовательский сегмент. Включает физических лиц и организации, обладающих GPS-приемниками, независимо от их местонахождения на суше, в воде или в воздухе [1].

С момента своего создания американская система глобального позиционирования (GPS) постоянно развивается. Эффективность системы улучшилась в плане точности, доступности и целостности. Это произошло не только благодаря значительным технологическим усовершенствованиям в трех сегментах: космическом, управляющем и пользовательском, но и благодаря увеличению опыта эксплуатационного сообщества ВВС США.

GPS предоставляет два основных сервиса: Сервис точного позиционирования и Стандартный сервис позиционирования. Сервис точного позиционирования – это зашифрованный сервис, предназначенный для военных и других уполномоченных государственных пользователей. Стандартный сервис позиционирования бесплатен и используется миллиардами гражданских и коммерческих пользователей по всему миру.

В рамках исследования необходимо отметить, что в современном мире сельское хозяйство сталкивается с постоянной необходимостью улучшения и оптимизации процессов, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности населения в продуктах питания. Одним из ключевых факторов, влияющих на эффективность сельскохозяйственного производства, является точность определения местоположения и направления движения сельскохозяйственной техники и оборудования. В этой области большую роль играют геодезическое оборудование совместно с технологией GPS.

При выборе спутниковых устройств для высокоточного сельского хозяйства важно четко определить цели решаемых задач и необходимую степень точности координат.

На данный момент существует два метода определения координат:

1. Передача данных в режиме реального времени (RTK). Данный метод позволяет мгновенно определять координаты во время записи данных, что обеспечивает немедленное управление движениями и отслеживание траектории.
2. Постобработка. В рамках данного метода данные спутников обрабатываются на компьютере с использованием специального программного обеспечения для постобработки данных GNSS (глобальных навигационных спутниковых систем).

Особенно важен режим RTK, который предоставляет данные о движении устройств в реальном времени. Реализация требует источника дифференциальных поправок, передающего информацию для уточнения координат приемника с максимальной точностью. Выбор источника поправок зависит от желаемой точности координат, возможности передачи корректирующей информации и финансовых соображений.

Самый точный метод передачи коррекций включает использование отдельного приемника, так называемого Basic. Этот базовый приемник должен находиться в месте с известными координатами, и информация о коррекциях передается роверу для обеспечения определения координат с точностью в сантиметрах (рисунок 2).

Рис. 2. Принцип взаимодействия GPS-спутника, базовой станции и ровера

Передача данных между базовой станцией (Base) и приемником (Rover) в высокоточном сельском хозяйстве может осуществляться через три канала связи:

1. УКВ-Ультракоротковолновое радио. Для этого метода требуется УКВ-модем, который может быть встроен в приемник или использоваться внешне. Передача коррекций может осуществляться на расстояние от 5 до 30 км в зависимости от мощности (2-35 Вт) и рельефа местности. Связь бесплатна, но требует инвестиций в оборудование. Однако недостатком является бюрократический процесс получения разрешения на использование частоты.
2. Голосовая связь (CSD): Этот метод позволяет общаться на больших расстояниях, но из-за увеличения ошибок при определении координат действует в пределах 50–70 км. Необходимы GSM-модем и SIM-карты с доступом к данным через голосовой канал. Коррекции передаются аналогично телефонному разговору с оплатой за минуту. Существуют ограничения, такие как отсутствие GSM-покрытия в некоторых областях и возможное отсутствие поддержки CSD-сервиса местными операторами связи [2].
3. Интернет: Самый распространенный метод передачи коррекций, требующий GSM/GPRS-модемов и SIM-карт для доступа к интернету на приемниках. Базовая станция может передавать коррекции на большие расстояния (50–70 км) нескольким приемникам, но проблемой остается доступность интернета [3].

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, и выбор зависит от региона и доступных ресурсов. Решение о том, доступен ли интернет или требуется использование радиомодема, должно быть принято заранее.

Независимо от метода связи, можно использовать собственный приемник в качестве базовой станции или воспользоваться существующей сетью базовых станций (BS) за плату.

Следующим шагом является рассмотрение систем дифференциальной коррекции (см. рисунок 3).

Рис. 3. Принципы взаимодействия элементов в рамках системы дифференциальной коррекции

Современные услуги дифференциальной коррекции позволяют точно определять координаты в дециметровом диапазоне без необходимости использования базового приемника или сети базовых станций.

Существует несколько подобных услуг, таких как RTX, Terrastar и Atlas, которые используют земные станции по всему миру для предварительного вычисления коррекционных данных и их отправки на геостационарные спутники. Этот метод коррекции оказывается чрезвычайно удобным, если связь между базовой станцией и ровером ограничена, и достигнутая точность координат соответствует требованиям. При этом необходимо отметить, что стоимость услуг обычно высока, и для приемника необходим многочастотный приемник.

Следующим методом выступает SBAS – вспомогательная спутниковая система [4].

WAAS, EGNOS, SDCM, MSAS и GAGAN представляют собой значительные системы дифференциальной коррекции, обеспечивающие в определенных регионах бесплатную точность в субметровом диапазоне при определении координат. Расположение систем дифференциации коррекции на карте представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Расположение систем дифференциации коррекции на карте

Существует возможность полного отказа от внешних источников коррекции, если автономная точность, предоставляемая спутниковым приемником, в пределах 3-15 м, удовлетворяет требованиям.

В сельском хозяйстве ключевую роль играет алгоритм "Pass-to-Pass" при улучшении относительной точности от одного прохода к другому. Эта технология позволяет выполнять равномерные проходы с минимальными отклонениями от 20 до 40 см в течение 15 минут.

На этом этапе целесообразно оценить количество необходимых спутниковых приемников, их точность и необходимость дополнительных устройств, таких как модемы и антенны. При этом следует учесть бюджет на платные подписки на услуги дифференциальной коррекции.

Еще одним важным аспектом является выбор между одночастотными и многочастотными приемниками. Из-за специфических характеристик распространения сигналов спутников одночастотные приемники обеспечивают высокую точность позиционирования только при расстоянии менее 8 км между базой и ровером. Поскольку многочастотные приемники устраняют это ограничение, это является ключевым аспектом на этапе планирования.

Используемая в сельском хозяйстве, технология GPS оказывает значительное воздействие на повышение эффективности и производительности. Она позволяет повысить эффективность следующих ключевых направлений:

1. Управление сельскохозяйственной техникой: точная оптимизация маршрутов сельскохозяйственных машин позволяет устранить пропуски и избыточные проходы. Это приводит к снижению расхода топлива, уменьшению использования семян, удобрений и химикатов, точному контролю полива и опрыскивания, а также способности работать ночью и при плохой видимости без потери качества. Кроме того, предотвращается неэффективное и несанкционированное использование технологии.
2. Мониторинг и анализ посевных площадей: качественная цифровая карта посевных площадей является ключевым элементом эффективного планирования обработки почвы, удобрения и уборки. При этом создаются цифровые карты, учитывающие различные характеристики, такие как урожайность и тип почвы, для точной координации анализа почвы (рисунок 5).

Рис. 5. Пример цифровой карты местности

Специальные GPS-приемники и программное обеспечение помогают получать точные географические координаты объектов на поле, обеспечивая проведение сельскохозяйственных операций с максимальной точностью. Геодезическое обследование также помогает определить топографию и характеристики почвы поля, что важно для оптимизации использования удобрений и улучшения качества почвы.

Еще одним значимым применением технологии GPS в сельском хозяйстве является навигация сельскохозяйственной техники и оборудования. Современные тракторы и комбайны оснащены специальными GPS-приемниками, которые позволяют автоматически управлять движением машины по заданным координатам с высокой точностью. В современном сельском хозяйстве системы параллельного вождения играют важную роль в регулировке движения трактора при использовании тягового устройства (рисунок 6).

Рис. 6. Использование GPS-навигации в системах параллельного вождения

Если транспортное средство отклоняется от заданного курса, тяговое устройство автоматически корректирует траекторию с использованием передовой технологии точной RTK. При этом сокращаются потери времени и энергии, повышая производительность и качество сельскохозяйственных работ. Кроме того, GPS-навигация помогает предотвращать избыточное или недостаточное использование удобрений и пестицидов, что является важной частью устойчивого сельского хозяйства.

Стратегическое использование GPS-технологий для аэрофото контроля и управления сельскохозяйственными процессами также заслуживает внимания. Информация о движении сельскохозяйственной техники, оборудования, а также о применении удобрений и пестицидов может быть записана и передана через GPS-приемники и специализированные информационные системы. Это позволяет анализировать и оптимизировать сельскохозяйственные процессы, учитывая различные факторы, такие как погодные условия, тип почвы и потребности растений.

Внедрение передового навигационного модуля в систему аэрофото контроля (рисунок 7) обеспечивает точное и эффективное покрытие во время опрыскивания, минимизируя риск пропусков или избыточной переработки.

Рис. 7. Пример использования GPS в системах аэрофото контроля

При этом применение спутниковой навигации в сельском хозяйстве не ограничивается только созданием тематических карт землепользования, расчетом площадей посевов и мониторингом урожая.

В заключении необходимо отметить, что синергия сельскохозяйственного оборудования и технологии GPS играет важную роль, способствуя оптимизации процессов в данной сфере. Система навигации обеспечивает высокую точность и надежность при определении местоположения сельскохозяйственной техники и проведении сельскохозяйственных работ.

Заключение

В XXI веке навигационные системы стремительно развиваются. В настоящее время наиболее точные навигационные системы доступны исключительно военным. Тем не менее, по мере течения лет и десятилетий навигационные системы для общественности поднимутся на более высокий уровень.

Разумное применение технологий ГНСС значительно снижает затраты на различных этапах. Время простоя сокращается, и качество работы улучшается. Повышенная эффективность использования земли способствует увеличению производительности и положительно сказывается на окружающей среде.

Оборудование сельскохозяйственных машин навигационными устройствами требует начальных инвестиций, которые, в среднем, окупаются в течение года. Оптимизация сельскохозяйственных процессов требует тщательной оценки, а принятие обоснованных решений требует понимания принципов работы спутникового оборудования.

Основным критерием при выборе приемников ГНСС является необходимая максимальная точность. Чем выше точность определения координат, тем технологически сложнее и дороже оборудование. Определение того, как и каким образом будут передаваться изменения, требует предварительного планирования. Бюджетные соображения должны охватывать не только покупку оборудования, но и дополнительные расходы, такие как модемы, услуги связи или подписки на услуги дифференциальной коррекции.

Практика показывает, что освоение навигационного оборудования можно осуществить всего за несколько часов, в крайнем случае - за несколько дней. Таким образом, внедрение GPS-технологий в сельское хозяйство может повысить эффективность производства, снизить потребление ресурсов и сделать сельское хозяйство более устойчивым и экологически дружелюбным.