GPS全球定位系統(tǒng)是一個全天候、全球性、信號覆蓋范圍廣、基于衛(wèi)星的無線電導航系統(tǒng)，能夠提供實時的經度、緯度、高程等定位信息，是支撐精細農業(yè)的核心技術之一，GPS農田面積測量儀在農田定位信息采集、處方農作實施、農機自動導航系統(tǒng)和面積測量等方面起著重要作用。由于目前我國市場上低成本GPS設備無法滿足農業(yè)領域的應用需求，而精度較高的GPS設備因其均從國外引進，成本高，不利于推廣，因此自主開發(fā)針對精細農業(yè)應用的低成本GPS具有重要的意義。
　　采用VRS虛擬差分技術，可以提高GPS的定位精度，拓寬GPS的應用領域，也使GPS設備向便攜式、輕巧式的方向發(fā)展。國外的GPS接收機除Trimble公司的少數高精度產品（Trimble公司的5800、R8 VRS rover）外，一般不具有接收VRS差分信息的功能。國內具有VRS接入功能的產品主要有廣州南方測繪儀器有限公司生產的厘米級精度接收機（靈銳S82-2008），廣州市中海達測繪儀器有限公司的V8 GNSS RTK系列等。針對采用GPSOEM板自主研制低成本GPS接收機的較多：過靜珺等采用GPS OEM板研制了GJS-200系列接收機，差分定位精度達到米級。楊平等討論了GPSOEM板與單片機的通信協(xié)議并實現了兩者之間數據的傳輸。王琦等在完成GPS OEM板與單片機通信的基礎上，增加了經緯度數據提取功能。劉興等實現了GPS OEM板與掌上電腦（PDA）、PC機的實時通信。國內GPS應用于面積測量方面主要是低成本便攜式手持機進行林區(qū)面積測量及誤差分析，測量相對誤差根據被測面積和GPS接收機本身的精度也有所不同，被測面積越大，相對誤差越小。綜上，國內外可接入VRS的產品雖然精度很高，但價格比較昂貴，幾萬至幾十萬元；國內采用OEM板自主開發(fā)的接收機普遍功能簡單，大多數沒有VRS接入功能，而且不具備U盤存儲等功能，為數據處理帶來不便。農田面積是農業(yè)生產管理中最基礎的數據之一，田塊的大小直接決定了種子、化肥、農藥等生產資料的投入量，也是農業(yè)機械進行田間作業(yè)計算工時和收費的主要依據。相比傳統(tǒng)測量方法，使用GPS進行面積測量具有不受面積大小和形狀限制，快速準確、省時省力的優(yōu)點；而目前應用于面積測量的接收機大多為米級精度，相對誤差較大，而且對于1 hm2左右，特別是小于0.1 hm2的地塊相對測量誤差分析較少，不能為農田面積的精確測量提供數據支持。
　　本研究旨在開發(fā)能夠接收VRS差分信息的低成本亞米級精度GPS接收機（簡稱PAC-GPS），并分析其在不同面積測量中的精度，特別是小塊面積測量中的相對誤差，為該接收機在精細農業(yè)中的應用提供數據支持。
　　1 VRS系統(tǒng)簡介
　　VRS是一種網絡RTK技術，由均勻或非均勻分布的3個或3個以上的GPS參考站組成，通過有線或無線通信方式與控制中心的控制軟件連接，經數據處理中心對原始觀測數據綜合處理后，建立相應的空間定位信息數據庫，并由信息發(fā)播系統(tǒng)向外發(fā)布，為移動站提供精確的位置修正數據，進行高精度、高速度、實時動態(tài)的定位和導航服務。
　　VRS系統(tǒng)包括3部分：網絡控制中心（計算中心和數據發(fā)布中心）、連續(xù)運行GPS基準站和用戶部分。GPS移動站向控制中心發(fā)送其概略位置。
　　控制中心接收此信息并進行誤差計算重新向移動站發(fā)送差分改正信息。GPS移動站利用接收到的差分改正信息對實際觀測值進行修正后，定位誤差可以達到厘米級精度。這種為一個虛擬的、沒有實際架設過的參考站創(chuàng)建原始參考數據的技術，稱為“虛擬參考站技術”。
　　VRS系統(tǒng)的覆蓋范圍大，相鄰參考站之間的距離可達70 km。VRS系統(tǒng)覆蓋范圍內任意位置的定位精度始終保持一致，不會隨測量位置與參考站之間距離的變化而變化。VRS技術的出現，標志著GPS的發(fā)展進入新的階段。它將使GPS的應用領域得到極大的擴展，代表著GPS的發(fā)展方向。
　　2 基于VRS的PAC-GPS接收機的開發(fā)
　　PAC-GPS接收機包括GPS-OEM模塊、無線通信模塊、微控制器模塊、U盤模塊、鍵盤和液晶顯示部分（圖1），其中：GPS模塊用于接收GPS原始數據；無線通訊模塊用于與VRS控制中心的通訊，發(fā)送當前位置的GPS原始數據并接收差分數據；液晶顯示和鍵盤構成人機界面，用于選擇定位方式、數據輸出方式并實時顯示經緯度。系統(tǒng)利用ARM7處理器根據所選擇的定位方式及輸出方式控制GPS模塊和GPRS模塊工作。在農業(yè)應用上，GPS主要有兩大功能：一是將實時的位置信息輸出到田間計算機，為變量施肥、變量噴藥、自動導航等提供數據支持；二是將位置信息保存，再進行坐標轉換后用于農田面積計算等。因此，為滿足農業(yè)應用的需求，在PAC-GPS接收機的設計上增加了串口輸出及U盤存儲功能。

　　圖1 PAC-GPS接收機硬件原理圖
　　2.1 微控制器
　　PAC-GPS接收機中的微控制器采用ARM7LPC2119,內部集成了16 kB SRAM和128 kB高速Flash存儲器，具有2個UART接口。微控制器的主要功能是控制系統(tǒng)中各模塊協(xié)同工作。通電后，首先啟動GPS模塊和無線模塊并初始化液晶顯示模塊。微控制器通過串口接收GPS模塊發(fā)來的NMEA-0183語句，并提取其中的經緯度信息送液晶顯示屏進行實時顯示。若接收機工作在差分模式，則需要通過串口向無線通信模塊發(fā)送AT指令及本地GPS位置信息，接收無線通信模塊的差分數據并轉發(fā)至GPS模塊。
　　2.2 GPS-OEM模塊
　　PAC-GPS接收機中GPS-OEM模塊選擇法國泰雷茲公司生產的具有亞米級精度的AC12,可輸出工業(yè)級標準的NMEA-0183格式的數據，接收RTCM格式的差分信息并兼容SBAS（WAAS/MSAS/EGNOS）星基增強系統(tǒng)。GPS模塊AC12有2路串行通訊口，串口A和串口B。串口A（TXD、RXD）接收控制命令并輸出NMEA格式的GPS數據；串口B（RTCM）接收RTCM格式的差分數據。AC12采用TTL電平，LPC2119可與其直接連接。為了節(jié)約串口資源，接收命令腳（RXD）接到LPC2119的I/O口上，LPC2119通過模擬串口時序發(fā)送控制信息；而RTCM和TXD引腳上傳輸信息量大，為了保證數據傳輸正確無誤，需要接到標準串口UART0上。
　　2.3 無線通信模塊無線通信模塊采用西門子公司的MC55。該模塊支持語音、短消息及傳真業(yè)務，并且提供1.2~115.2 kb/s可選波特率。本研究中，采用成本較低且穩(wěn)定性較好的GPRS （general packet radioservice）模式建立與VRS控制中心的TCP/IP連接。GPRS是在GSM系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的一種移動通信業(yè)務，可以為移動用戶提供高速無線IP,在移動用戶和數據網絡間建立連接服務。
　　GPRS網絡覆蓋范圍廣，無空間和距離限制，使用GPRS技術可實現數據分組收發(fā)，用戶能夠永遠在線，保證了數據傳輸的實時性。另外，GPRS接入速度快，一般只需1~3 s就可以登陸互聯(lián)網。建立連接后，模塊需要發(fā)送NTRIP（networked transport ofRTCM via internet protocol）協(xié)議頭文件至VRS控制中心服務器獲取差分數據源信息；若服務器反饋連接成功信息， MC55再發(fā)送NMEA格式的/GPGGA0語句至服務器以下載差分信息。
　　2.4 U盤存儲模塊
　　U盤存儲模塊采用南京恒沁電子有限公司生產的CH375M。當GPS接收機數據輸出方式設置為U盤存儲時，微控制器通過串口控制U盤讀寫模塊并將采集的數據傳給U盤讀寫模塊，再由U盤讀寫模塊將數據寫入U盤，完成數據存儲。
　　2.5 鍵盤和液晶顯示模塊
　　鍵盤選用4×4行列式鍵盤，系統(tǒng)采用查詢法確定有無鍵按下并獲得鍵值。液晶顯示模塊采用LCM128645ZK。LPC2119的I/O口通過串行通信的方式連接LCM128645ZK,以實現控制命令的輸入、字符顯示和清屏等操作。鍵盤與液晶模塊配合使用可實現GPS定位方式和輸出方式的選擇，以及實時顯示經緯度數據和狀態(tài)提示信息等。
　　3 試驗與分析
　　面積測量實驗于2008-10-10在中國農業(yè)大學（東校區(qū)）足球場進行。為了分析PAC-GPS接收機在不同定位方式、不同被測面積情況下的面積測量精度，分別對足球場面積、70 m@54 m矩形面積和半徑分別為5.0、9.1、15.0、20.0 m的圓面積進行測量。
　　3.1 矩形面積和圓面積的測量及分析
　　試驗目的：分析被測地塊形狀和面積不同時PAC-GPS接收機的面積測量精度。
　　將用皮尺測量并人工標定的待測地塊邊界作為標準，手持PAC-GPS接收機繞邊界行走并記錄軌跡信息。通過中國農業(yè)大學現代精細農業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室自行開發(fā)的Yieldmapper軟件中的面積測量功能計算被測地塊面積，面積測量方法為解析法，單位為m2,其中，半徑為5.0 m和15.0 m的圓面積分別測2組數據，足球場中心圓（半徑9.1 m）和20.0 m半徑圓面積分別測3組，矩形面積測1組（表1）。可見，通過多次測量取平均的方法，所有被測面積的相對誤差最大不超過2.25%;雖然半徑為9.1 m圓面積的測量誤差較半徑5.0 m的大，但總體上，隨著面積的增大，測量誤差逐漸減小。當被測面積大于714 m2時，相對誤差小于1%;被測面積約為3 740 m2時，相對誤差僅為0.14%。試驗數據表明，PAC-GPS接收機在小塊面積測量時有較高精度，能夠滿足農田面積測量要求。

　　表1 PAC-GPS接收機測量得到的圓形和矩形面積及誤差分析
　　從PAC-GPS接收機測量軌跡圖（圖2）可以看出，被測面積邊界的輪廓線性良好。雖然測量中采用VRS差分后的接收機定位精度為亞米級，但由于GPS定位數據在短時間內相對于真實位置的誤差偏移具有一致性，因此被測面積邊界保持了良好的輪廓。

　　圖2 PAC-GPS接收機對不同半徑圓的測量軌跡圖
　　3.2 足球場面積的測量分析
　　試驗目的：分析不同定位方式下PAC-GPS接收機對同一被測地塊的面積測量精度。
　　首先使用工作在RTK差分模式下的Aggps332接收機繞足球場行走1周，記錄的運動軌跡作為足球場標準面積；然后手持本課題開發(fā)的PAC-GPS系統(tǒng)，使之分別工作在單機、SBAS差分和VRS差分狀態(tài)下，各繞足球場行走2圈，記錄軌跡信息。面積計算方法同3.1試驗，結果分析見表2。

　　表2 不同定位方式下PAC-GPS接收機測量得到的足球場面積及誤差分析
　　由表2可以看出：VRS差分定位方式所測得面積的相對誤差為0.64%,而單機定位和SBAS差分定位方式所測得面積的相對誤差稍大，經過2次測量取平均后相對誤差可以控制在3%以內。與其他差分方式相比，采用VRS差分后的軌跡與標準軌跡的重合相對較好（圖3），單機定位方式和SBAS差分定位方式軌跡與標準軌跡偏離較遠。由以上分析可知，無論采用哪一種定位方式，其相對誤差均比較小，可以滿足農田面積測量的要求。

　　圖3 PAC-GPS接收機在單機模式、SBAS差分模式和VRS差分模式下的足球場測量軌跡
　　4 結束語
　　本研究采用低成本GPS OEM板并結合無線通信模塊，開發(fā)了一套可接收VRS差分信息的GPS接收系統(tǒng)。此系統(tǒng)差分定位精度為亞米級，測量數據通過串口輸出或U盤存儲，兼顧了成本和精度2方面的要求。試驗結果表明，使用該系統(tǒng)進行面積測量，由于GPS定位的誤差偏移在短時間內具有一致性的原因，被測面積邊界線性良好，相對誤差小于3%,可以為精細農業(yè)生產管理提供可靠精確的數據支持。所設計的GPS接收系統(tǒng)還存在的不足是接口形式單一、功能相對簡單。進一步應進行以下2方面的研究：
　　1）增加CAN總線接口，使之可直接與田間計算機相連，便于定位數據的實時顯示；
　　2）內置坐標轉換程序，便于數據的實時處理。