RTK技术在植保无人机的应用与发展
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摘 要：随着植保无人机行业的发展，实际应用中对植保无人机作业质量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常规GPS定位精度不够，已经很难满足精准农业的要求。RTK（Real-time kinematic）载波相位差分技术被应用至植保无人机。借助该技术，无人机可以实现厘米级的高精度定位，按照预先设置的航线实现厘米级的自主飞行。
关键词：GPS;RTK技术;植保无人机;精准
0 引言
我们通常所说的植保无人机主要是由飞行平台、导航飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，完成多种农业工作任务。
飞行平台顾名思义就是整个飞行器的载体;喷洒机构是任务执行机构;导航飞控可以理解为植保无人机的大脑，它决定了植保无人机的操控性和精准性。就操控性而言，目前的植保无人机已经能够实现航线规划自主飞行。这种植保理念与地理和测绘等学科进行融合，它需要飞手持地面站绕着田地四周行走一圈来测绘地图数据，然后在卫星地图上规划田地航线，植保无人机按照上述航线自主飞行作业，它使植保无人机的操控更加简单化、智能化，同时也提高了作业效率。然而，全自主的飞行模式，飞行过程中没有人工参与纠偏，也对飞行的精准性提出了更高的要求。常规GPS定位精度不够带来的问题已经显现，为了寻求一种更为精准的定位方式，相关人员将RTK技术和植保无人机实现了结合。
1 GPS和RTK技术的定位原理
1.1 GPS的定位原理及误差的产生
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。
GPS定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到地面GPS接收器之间的距离，然后接收器通过与至少4颗卫星通讯，计算与这些卫星间的距离，就能确定其在地球上的具体位置。常规GPS的定位精度能够达到1 m左右，通讯的卫星数量越多，精度会有所提高。但由于信号问题误差达到2 m以上精度的概率可能会达到50%。我们的手机导航就是常规GPS定位的典型应用，定位精度范围在使用时也都能够有所体会。这种定位精度，用于植保无人机的导航定位，如果没有人工参与纠偏，就会带来不可估量的问题。常规GPS的定位误差产生原因如下。
（1）大气层影响。大气层中的电离层和对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，从而让GPS信号产生延迟。
（2）卫星星历误差。由于卫星运行中受到复杂的外力作用，而地面控制站和接收终端无法测定和掌握其规律，从而无法消除产生的误差。
（3）卫星钟差。卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。卫星上使用铯原子钟，所以两者的时间也可能不同步。
（4）多路径效应。GPS信号在传输的过程中也可能是在不同的障碍物上反射后才被接收到，这就是所谓的“多路径效应”。
1.2 RTK技术的定位原理
RTK是英文Real - time kinematic（载波相位差分技术）的简称，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标，所以RTK技术通常也称作RTK差分技术。简单的说，RTK技术就是把常规GPS的误差想方设法分离出去的一种技术，这种定位方式需要建立固定基站，固定基站根据自身位置数据和接收卫星定位数据计算出误差值发送给接收端修正定位偏差。它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
通常RTK系统包括：两台 GPS信号接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备等，其中一台GPS信号接收设备作为基准站，另一台是用户端GPS，首先确定一个已知点的坐标，在已知坐标的固定点上架设一台GPS接收机（称基准站），通过GPS的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据，再通过无线电通讯设备将误差修正参数实时播发出去，用户端通过数据链接收修正参数并传给GPS，GPS接收修正参数后和自己的定位数据进行修正解算，即可将定位精度提高到厘米级，其工作及结构原理如图所示。
2 RTK技术在植保无人机应用的现状
2.1 RTK技术在植保无人机应用的必要性
RTK技术的出现已经有很长一段时间了，它具有定位精度高、作业自动化和集成化程度高、作業效率高等优点，而且RTK技术在公路控制测量、电力线路测量、水利工程控制测量、大地测量、地形测图、施工放样、变形监测等领域已经得到了广泛的应用。近几年来，随着植保无人机行业的发展，精准农业对行业要求的提高，RTK技术也已应用到植保无人机领域。相对于其它行业，RTK技术与植保无人机的结合还处于起步阶段，目前RTK技术应用在植保无人机领域的基准站通常采用可移动式的基准站，其有效工作半径与GPS接收机功率有关，一般能够达到5 km左右。流动站一般包括手持端和机载端，手持端主要是用来采集地块数据、制定飞行作业方案、规划飞行路线，然后通过地面站上传至飞控系统;机载端根据上传数据进行定位达到精准飞行的目的。
常规GPS植保无人机作业由于定位偏差的问题，会有掉高、飞不直的现象，常常出现重喷、漏喷等问题。如何精确完成断点续喷也是一直在解决的技术问题，而搭载RTK定位系统后，借助RTK差分定位技术，可以消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差的影响，使定位精度达到厘米级。通过搭载RTK模块的手持测绘器进行地块测量以获取高精度的田地边界信息，作为制定精确度达到厘米级别航线的数据基础，而无人机则可以在航线制定后进行飞行作业，妥善解决因航线偏移而带来的重喷、漏喷等问题。
另外，我国很多地区农田的田埂宽度普遍较小，且多丘陵、山地等复杂地形，对植保无人机飞行航线的精度要求很高。如果不能做到精准喷洒，不仅达不到防治病虫害的效果，甚至还可能产生药害。而RTK技术的应用，可以促使植保无人机真正走上精准作业之路。精准作业体现在两个方面：一是飞得精准，即高精度自主飞行技术。通过RTK系统可获取准确的田地边界信息，将航线精度从米级提升至厘米级，且不需要人工遥控，实现全自主飞行和喷洒;同时让无人机自动避开房屋、树木、电缆等障碍物，避免了碰撞和炸机事故的发生。二是喷得精准，可以通过精准变量喷洒技术来达到，同时妥善地解决了以往因GPS定位偏差而造成的重喷、漏喷等问题。 2.2 RTK技术在植保无人机应用存在的问题
RTK技术相对于常规GPS定位优势明显，但现在的应用并不普遍，一方面是作为新技术產品的普及需要时间，另一方面也是因为它的应用和推广存在着不可避免的问题，就目前而言RTK技术在植保无人机应用存在的问题主要集中在以下几点：
（1）RTK技术在植保无人机的应用中，系统软件的流程如何能让操作者快速简单的使用，这是生产厂家亟待解决的问题。
（2）RTK技术差分模块与飞控系统适配问题，目前还没形成统一的标准，没有一家的差分模块可以兼容所有飞控，产品适配性有待提高。
（3） RTK基站设施不完善，目前我国大部分地区的植保无人机应用RTK技术，都需要配备移动基站，移动基站不仅价格昂贵，而且其设置环境要求较高。
（4） RTK设备价格偏高，标配的一套RTK系统，包含一个移动基站和一个机载端价格在3万元左右，其中移动基站所占的价格比例达到了70%以上。这一价格相当于载重量10 L的植保无人机的价格，极大的增加了购机和作业成本。
（5）RTK设备的稳定性，由于RTK技术在植保无人机的应用尚处于起步阶段，其产品的完善和稳定性还需要时间的沉淀。
3 RTK技术与植保无人机结合的发展趋势
随着植保无人机行业的发展，实际应用中对植保无人机作业质量、效率、安全等需求提出了更高的要求，常规GPS定位精度已经很难满足精准农业的要求。可以说两项科技的结合是行业发展带来的必然结果，它们之间的结合趋势也具有自身特点。
植保无人机的应用行业属于农业范畴，那么植保无人机从应用角度应该归属农业机械，所以在保证作业质量、效率、安全等前提下，操作性和价格是两者结合发展首先要考虑的问题。因为只有真正解决这两方面问题，对于普通老百姓来说才能更容易接受。就操作性而言，这是生产厂家软件算法、流程设计需要解决的问题，生产厂家应该投入更多的科研力量，参考其它行业的应用情况，使操作更人性化，流程更简单易懂。
另一方面，从行业发展角度出发，国家应该增加RTK基站设施的建设，实现网络RTK在植保行业的应用。据统计，截至2016 年，全国完成RTK基站建设 600 多个，以单个基站有效信号覆盖半径50 km计算，全国覆盖的区域仅达10%左右，其中，重要的农业大省，如：新疆、云南、黑龙江均无网络覆盖，而在广西、贵州等省份也只完成部分覆盖。所以，随着行业的发展，国家一定会加大RTK基站设施的建设力度，当RTK技术能够以网络RTK的形式应用到植保无人机领域，那么就可以不再使用移动基站，这样RTK的硬件成本就会显著下降，将会很大程度的降低作业成本。
如果十多年前，GPS还只是少数移动设备的配置，而如今已然成为移动设备的标配，这是市场需求的变化结果，更是技术普及伴随的成本下降后的必然趋势。我们相信RTK技术在未来，一定会成为植保无人机行业一个不可或缺的部分。在国家加快现代化农业建设的大背景下，政府对植保无人机和精准农用设备的大力扶持，相应的难题也会迎刃而解。植保无人机和RTK技术的结合也会从发展到融合，两项科技定会转化为田间地头实用的利器，为飞防植保行业带来里程碑的变化。
参考文献：
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