Применение GPS/ГЛОНАСС навигации в сельском хозяйстве

Введение

Успешное применение навигационных систем в точном земледелии произвело революцию в методах ведения сельского хозяйства, открыв значительные преимущества с точки зрения повышения эффективности, производительности и устойчивости. Технологии ГНСС, такие как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, широко применяются в системах навигации по всему миру. GPS, разработанный в Соединенных Штатах, находится в использовании с момента, когда в 1995 году была достигнута полная его работоспособность. Этот проект уходит корнями в 1970-е годы как военная разработка. Аналогично ГЛОНАСС, созданный в России, достиг эксплуатационного статуса в 1995 году после начала разработки в 1970-х годах для военных целей. Galileo, инициированный Европейским Союзом, стал операционным в 2016 году, предоставляя независимую глобальную навигационную систему с главными целями в сфере гражданских потребностей. В отличие от этого BeiDou, разработанный в Китае, изначально предоставлял региональные услуги с 2000 года и стал глобальным в 2020 году. Эти системы ГНСС являются ключевыми в различных хорошо документированных областях применения, включая картографирование полей, руководство и управление сельскохозяйственной техникой, технологию дифференцированного внесения удобрений (VRT) и мониторинг урожайности [1, 2].

Рис. 1. Процесс навигации в сельском хозяйстве

Навигационные системы сегодня также выполняют важные функции в мониторинге состояния животных. Благодаря датчикам GPS осуществляется оптимизация процессов кормления и ухода за животными, что способствует повышению производительности скота и снижению потерь.

Беспилотные аппараты с встроенными навигационными системами стали неотъемлемой частью новейших технологий в сфере сельского хозяйства. Они оперативно предоставляют информацию о состоянии посевов и растений, что помогает фермерам принимать своевременные агрономические решения и предотвращать проблемы до их усугубления.

Использование навигационных технологий в сочетании с системами точного земледелия, робототехникой и цифровизацией открывает новые горизонты для развития сельского хозяйства. Это критически важно для улучшения конкурентоспособности аграрного сектора и обеспечения продовольственной безопасности в условиях увеличения численности населения планеты [3].

Рис. 2. Принцип и схема работы систем навигации

К основным задачам навигационных систем следует отнести:

1. Контроль сельскохозяйственной техники, так как точное планирование маршрутов передвижения обеспечивает:

• исключение перекрытия и повторного прохождения участков
• сокращение расхода топлива
• эффективное использование семян, удобрений и химикатов
• точный контроль процессов полива и обработки растений
• возможность работы в ночное время и при плохой видимости без потери качества
• предотвращение нецелесообразного и неправомерного использования сельскохозяйственной техники

2. Отслеживание и анализ площадей посева играют важную роль в разработке заданий для обработки почв, удобрения и сбора урожая. Качественная цифровая карта местности необходима для успешного выполнения этих задач, а также для создания тематических карт, отображающих различные характеристики, такие как урожайность и тип почвы.

• разработка цифровой карты местности
• анализ координат почвенного покрова

1. Принцип работы

Перед тем как выбирать конкретную модель приемника, полезно разобраться в технологии работы со спутниковым оборудованием. Существуют два способа определения координат:

1. Режим реального времени (RTK – Real Time Kinematic), позволяющий получать координаты непосредственно во время работы, обеспечивая возможность контроля движения и отслеживания траектории.
2. Постобработка данных, где спутниковая информация обрабатывается на компьютере с использованием специализированного программного обеспечения для послепроцессинга данных ГНСС (Глобальных Навигационных Спутниковых Систем).

В данном случае, более привлекателен режим RTK, поскольку он обеспечивает мгновенное получение данных о движении техники. Для его реализации необходимо наличие источника дифференциальных коррекций (поправок), которые передают корректирующую информацию для уточнения координат приемника до необходимой точности. Сейчас в сельскохозяйственной промышленности активно используются системы параллельного вождения для коррекции движения трактора с помощью подруливающего устройства. Если машина отклоняется от заданного курса, то подруливающее устройство автоматически корректирует траекторию с помощью высокоточного RTK.

Также высокоточные спутниковые определения просто необходимы при дифференциальной подпочвенной подаче удобрений, где важную роль играют даже сантиметры.

Рис. 3. Установка навигационного модуля высокой точности на борт агродрона

Благодаря установке навигационного модуля на борт агродрона можно производить опрыскивание участков без пропусков и переобработки. Создание тематических карт землепользования, расчет обработанной площади и контроль собранного урожая - далеко не все виды применения спутниковой навигации в сельскохозяйственной промышленности [4].

2. Современные навигационные технологии в сельском хозяйстве

Создание цифровых карт полей и их последующее внедрение в программное обеспечение являются ключевыми шагами в современном сельском хозяйстве. GPS-оборудование применяется для создания этих карт в реальных условиях работы на поле. Полученные данные служат основой для формирования баз данных полей с возможностью учета агрохимических характеристик.

Использование навигационных систем для сельскохозяйственной техники является значимым вложением в развитие сельского хозяйства. В основном применяются два наиболее распространенных типа навигационных систем:

Оптимизация сельскохозяйственных процессов с использованием системы параллельного вождения в сочетании с автопилотом для трактора или комбайна является важным шагом в современной сельской хозяйственной деятельности. Эта технология способствует уменьшению времени холостого хода и сокращению ширины разворотной полосы. Точность выполнения работ с использованием систем параллельного вождения и автопилотирования может достигать 2,5 см. Такие системы включают GPS-приемник, основной модуль для обработки данных и блок питания для подключения к бортовой электросети. Автопилотирование основано на электрогидравлической системе автоматического управления. Оператор сельскохозяйственной техники управляет маневрами на поворотах, что позволяет ему сосредоточиться на выполнении сложных технологических процессов. Также система способна запоминать начальные и конечные точки движения и автоматически формировать параллельные линии для работы.

Курсоуказатель показывает направление движения техники, учитывая установленную ширину обработки и прохода. Он обеспечивает возможность движения по прямым линиям или повторяет неровности первого прохода. Точность курсоуказателя в современных системах может достигать 15 см.

Система параллельного вождения (включая курсоуказатель) способна работать даже в условиях ограниченной видимости. Допустимые отклонения в работе составляют:

• для посевных работ ±10 см;
• при опрыскивании ±30 см;
• в ходе пропашных работ ±3 см.

Использование комплекса систем навигации полностью руководит процессом сельскохозяйственного производства, обеспечивая оптимизацию использования ресурсов, повышение урожайности и качества продукции, а также улучшение качества почвы за счет ее рационального использования. Установка GPS-трекеров на всю технику и служебный транспорт позволяет точно учитывать затраты топлива и времени.

Однако среди недостатков использования систем GPS-навигации следует отметить:

• Высокую стоимость качественного оборудования, что затрудняет внедрение новых технологий из-за их высокой стоимости.
• Техническую сложность. Не всегда легко найти специалистов, обладающих навыками работы с современным оборудованием в сельской местности.
• Отсутствие опыта. Развитие новых технологий затрудняет получение быстрого практического опыта и навыков использования навигационных систем [5, 6].

3. Сравнение

До внедрения систем навигации в сельское хозяйство процессы управления и работа на полях осуществлялись в основном вручную или при помощи карт и ручных измерений. Что в свою очередь являлось ограничивающим фактором, влияющим на точность и эффективность работ. В связи с чем появлялись ряд проблем:

1. Ручные измерения и определение местоположения могли быть неточными, что в свою очередь влияло на точность обработки полей, распределения удобрений и опрыскивания, что в последующем снижало урожайность и качество продукции.
2. Без точных данных о состоянии полей и растений, сельскохозяйственные ресурсы, такие как вода, удобрения и химикаты, могли использоваться неэффективно, что увеличивало затраты и негативно влияло на окружающую среду.
3. Отсутствие точных данных и систем навигации могло затруднять планирование посевов, уборку урожая и другие сельскохозяйственные процессы, что в итоге могло сказываться на производительности.

После внедрения систем навигации в сельское хозяйство ситуация изменилась в лучшую сторону, стало возможны:

1. Увеличить точность: Системы навигации позволили сельскохозяйственным работникам более точно определять местоположение на поле, следить за состоянием посевов и использовать инструменты с высокой точностью.
2. Благодаря точным данным о состоянии почвы, растений и условиях на поле, стало возможным оптимизировать полив, внесение удобрений и химикатов.
3. Системы навигации предоставляют больше данных для анализа поля, что помогает сельскохозяйственным предприятиям лучше планировать сезонные работы, определять оптимальные сроки посевов и уборки урожая.

Таким образом можно сказать, что благодаря внедрению навигационных систем стало возможным повысить точность и эффективность сельскохозяйственных мероприятий.

Заключение

Таким образом при правильном применении технологий ГНСС существенно сокращаются издержки на всех этапах процесса. Это приводит к уменьшению времени простоя техники и улучшению общего качества работы. Увеличивается эффективность использования земельных участков, что в конечном итоге повышает урожайность и благоприятно влияет на окружающую среду.

Оснащение сельскохозяйственной техники навигационным оборудованием является затратным мероприятием, однако в среднем окупается уже в первый год эксплуатации. Для более разумного использования собственных земельных участков необходимо проанализировать, какие действия приносят прибыль, а какие являются лишними тратами. Для этого важно понимать принцип работы спутникового оборудования.

Основной критерий при выборе ГНСС-приемников – это необходимая максимальная точность. Чем выше точность оборудования в определении координат, тем оно технически сложнее и дороже. Следует также заранее продумать, как будут передаваться корректировки, и будет ли такая необходимость.