ГСП – глобальная система позиционирования

Задача определения координат мобильной сельскохозяйственной техники является одной из главных в точном земледелии по двум причинам. Во-первых, ставится задача дифференциации управления в пределах поля, и участки неоднородности должны быть четко идентифицированы. Вторая причина заключается в том, что управляющие воздействия (нормы высева, нормы поливов, дозы внесения агрохимикатов) должны варьироваться с учетом выявленной неоднородности.

Для определения координат мобильной сельскохозяйственной техники на поле в качестве средства навигации используется ГСП – глобальная система позиционирования (GPS – Global Positioning System).

Системы позиционирования можно в зависимости от требований точности подразделить на четыре класса (таблица 1) /38/.

Таблица 1

Требования к точности систем позиционирования

На территории России открыты для коммерческого использования две спутниковые радионавигационные системы — американская NAVSTAR (Navigational Satellite Time and Ranging)и российская ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Они позволяют неограниченному числу любых объектов, имеющих соответствующую аппаратуру, в беззапросном режиме, практически мгновенно и с высокой точностью определять свое местоположение и скорость движения в любой точке планеты. Это сделало реальной перспективу полного обеспечения навигационной информацией сельскохозяйственную подвижную технику и создания на этой основе агротехнологий, построенных на точном знании среды.

ГСП представляет собой систему из 24 рабочих и резервных навигационных искусственных спутников Земли, обращающихся на средневысоких (около 20000 км) координированных орбитах.

Рабочие спутники передают закодированные навигационные сообщения двух категорий: сообщения одинаковой структуры, используемые определяющими свое положение объектами для измерения дальности и радиальной скорости, и сообщения, содержащие служебную информацию, индивидуальную у каждого спутника, которая необходима для повышения точности проводимых навигационных определений.

Такая навигационная система, устанавливаемая непосредственно, к примеру, на трактор, включает в себя приемник спутниковой информации (от 3…4-х спутников в каждый момент времени) и бортовой компьютер с программой, обеспечивающей запись текущих координат при движении объекта с заданным временным шагом. Сельскохозяйственные навигационные системы в принципе могут строиться на использовании сигналов любой из двух спутниковых радионавигационных систем или обеих вместе. В настоящее время более предпочтительны ГСП-приемники, использующие сигналы NAVSTAR, поскольку они сравнительно дешевы, имеются на рынке в широком ассортименте и легко встраиваются в аппаратуру любого назначения. Для получения приемлемой для ТЗ точности 1…5 м необходима дополнительная корректирующая информация.

В Европе до последнего времени использовалась так называемая дифференциальная система позиционирования (ДГСП). На территории, подлежащей контролю, помимо мобильного агрегата выделяется стационарный (неподвижный) объект с координатами, измеренными с геодезической (сантиметровой) точностью, в котором размещается ГСП-приемник – такой же, как и у движущегося объекта, но, как правило, более высокого класса, — и аппаратура на базе мощного компьютера. Так как координаты мобильного объекта при поступлении сигналов от спутников фиксируются с довольно высокой погрешностью (до 100 м), то эти данные нуждаются в корректировке, проводимой с помощью координат стационарной позиции. Путем сравнения определяемых координат контрольной точки с их априорными значениями вычисляется систематическая погрешность, которая может быть отнесена и к движущейся сельскохозяйственной технике. Комплекс устройств, размещенных в контрольной точке, образует так называемую дифференциальную станцию, которая позволяет обеспечивать формирование корректирующей информации для определения местоположения неограниченного количества перемещающихся объектов со среднеквадратичной погрешностью не более 3 м, как правило, в радиусе 50 км.

Сельскохозяйственные навигационные системы могут выдавать данные, которые необходимо будет впоследствии обрабатывать, в том числе и в масштабе реального времени. В первом случае решается только задача сбора топотехнологической информации. Аппаратура для мобильного агрегата выполняется в виде накопителя данных, содержащего ГСП-приемник с вычислителем навигационных определений и малогабаритным блоком энергонезависимой памяти. Затем этот накопитель доставляется на дифференциальную станцию, где данные вводятся в компьютер с хранимыми вычисленными значениями навигационных поправок. С учетом этой корректирующей информации уточняются ранее определенные на агрегате значения его координат и скорости в каждый момент времени. Далее с помощью программ, разработанных с использованием ГИС-пакетов, осуществляется привязка значений технологических параметров к координатам поля. Результирующая информация представляется в виде топотехнологических карт по каждому регистрируемому технологическому параметру или в табличной форме.

Этот тип навигационной системы является основным на этапе подготовки к развертыванию ТЗ в конкретном хозяйстве; этот этап начинается с подготовки топографических электронных карт полей севооборота путем сканирования карт подходящего масштаба на бумажной основе или путем программной обработки данных о координатах, полученных с помощью навигационной аппаратуры. Далее формируются накладываемые на электронную карту слои технологической информации о состоянии участков поля. Электронные почвенные карты предпочтительнее получать на основании результатов анализа почвенных образцов, взятых по заранее определенной жесткой схеме. По этой же схеме строится впоследствии и карта урожайности участка. Отечественные разработки навигационной аппаратуры и программного обеспечения для ТЗ позволяют обеспечить фрагментацию технологического состояния полей до нескольких квадратных метров.

Существуют несколько вариантов коммерческих систем ГСП. Характеристики различных систем отличаются друг от друга по числу задействованных каналов, точности измерений и стоимости оборудования.

В нашей стране существуют ГСП, обладающие следующими характеристиками: недифференциальная российская спутниковая система ГЛОНАСС обеспечивает работу с точностью 50…100 м; при совместном использовании ГЛОНАСС и ГСП точность увеличивается до 20 м.

Основным преимуществом применения системы позиционирования является то обстоятельство, что навигационные системы помогают сельскохозяйственной технике, оснащенной такой аппаратурой, обрабатывать большие площади с учетом особенностей каждого участка.

При переносе этого новшества на отечественную почву, к сожалению, приходится констатировать, что в России нет соответствующей информационно совместимой в масштабе производства сельскохозяйственной техники, оборудованной автоматическими системами мониторинга значений параметров технологического процесса и снабженной автоматическими управляющими системами, т.е. техники для ТЗ. В настоящее время в России трудно перейти от концепции развития сельскохозяйственной техники как системы машин к концепции системы автоматизированных производственных процессов.

Одним из наиболее важных направлений современных научных разработок в технологии ТЗ является разработка интерактивных программных средств, обеспечивающих работу новой техники. Усилия ученых должны концентрироваться на различных аспектах этой проблемы, в том числе на разработке и совершенствовании средств связи с мобильной сельскохозяйственной техникой, создании интерфейса между системами принятия решений и управлением мобильными агрегатами. Эти интерактивные средства поддерживают информационные потоки между фермерским компьютером и управляющим фермой, который, безусловно, должен иметь надежные средства для ввода и хранения данных, их анализа, интерпретации, интеграции и и применения в управлении.

Для ввода данных, как правило, разрабатывается словарь, который определяет структуру имен файлов в соответствии с их содержанием. Файлы организованы в виде базы данных и сохраняются в нормальной форме Directory/File structure. В связи с тем, что пространственные данные должны подвергаться непосредственному визуальному анализу, для этой цели установлены правила представления карт. Однако для всех работающих в этой области специалистов очевиден тот факт, что методология интеграции и практического применения пространственных и временных данных развита недостаточно и требует дальнейшего развития.

Для повышения эффективности применения систем глобального позиционирования ученые проводят исследования в направлении повышения точности определения координат, надежности, расширения сфер применения. Точность приемников сигналов GPS зависит от следующих факторов:

· правильности установки;

· используемой технологии изготовления приемников;

· погрешности, обусловленной несовершенством спутниковых систем;

· состояния атмосферы;

· точности дифференцированного сигнала в случае DGPS.

Ведутся исследования по использованию приемников GPS для вождения агрегатов для внесения удобрений и применения средств защиты по заданному курсу. Имеется и много других преимуществ нового способа вождения с.-х. машин (способность выполнения операций в ночное время, вождение машин-удобрителей с центробежными дисками, осуществление подкормки посевов).