北斗CORS在无人机植保智能化系统中的应用探讨

曹洪涛 张迷霞 袁楠 闫浩 朱可

引言

在农作物生产中，我国的植保方式仍普遍以手工、半机械化操作作业为主，存在劳动强度大、易发生农药中毒、农药浪费严重等情况。此外，粗放式植保作业带来了严重的水土污染、农业生态系统破坏、农产品质量下降等问题。随着农村劳动力的大量流失以及土地走向集约化，农业植保也面临着日趋严重的形势。

当前，我国正处在传统农业向现代农业发展的新阶段，无人机施药技术装备与服务体系成为农业领域重点发展方向。无人机施药采用低容量噴雾技术替代粗放的大容量喷雾技术，采用基于北斗CORS（连续运行参考站）的自动导航技术，实现智能化、自主化控制作业，能够大大提高我国植保作业的质量和效率。

北斗CORS无人机植保系统

基于北斗CORS的无人机植保系统是通过北斗卫星进行授时、测速和定位，利用CORS进行位置差分解算，获得更精确的位置信息，从而实现植保无人机田间作业的自动化、精准化的飞行控制。系统包括北斗CORS站、植保无人机2个主要组成部分。

北斗CORS站是植保无人机差分定位的基准站，包括接收天线、北斗接收机、数据中心、无线电台四个部分。接收机接收卫星高度截止角范围内的所有北斗卫星的星历数据，并存储于数据中心；通过无线电台向植保无人机发送差分解算数据。

植保无人机作为植保作业单元，包括无人机平台、药剂喷洒设备、遥控器及监控站，具有田间药剂喷洒、遥控操作、航线规划、状态监视等功能。植保无人机的飞控系统能够通过北斗接收模块实时获取北斗导航星历，并与接收的CORS站差分参数进行解算，得到精确位置信息；根据姿态和速度调整药剂喷洒设备的水泵速度，实现药剂喷洒流量控制。

北斗CORS支持的智能化

我国的农田由于权属分散，生产经营不统一，存在农田面积小、形状不规则、田间设施多（护田林、输电线路、房屋设施）等问题，而且田间强电磁干扰因素多，如高压线塔、变压器、铁矿区等，这对植保无人机操作的便捷性、飞行稳定性、作业安全性提出了更高的要求。北斗CORS系统支持的植保无人机系统相对与单基站的导航定位具有更高的精度，能够实现田间复杂环境下的智能控制和精准控制。

高精度定位精准控制航距和幅宽

基于北斗CORS的差分定位精度要远高于单点定位，覆盖范围以基准站为中心半径 30千米左右，水平精度≤2厘米、高程精度≤3厘米。在平面测量方面，确保精准航向；在高度测量方面，使得植保无人机贴近农作物高度可达1米以内，并保持平稳定高飞行。基于北斗CORS对无人机航向和高度的控制，能够有效避免因航偏过大或幅宽变化造成的漏喷、重喷。

喷洒流量与飞行速度动态匹配

对速度的精确控制，是药剂精准喷洒的首要条件。北斗导航卫星通过多普勒频移测量无人机的相对运动速度精度优于0.2米/秒，无人机飞控依据飞行速度动态调节水泵功率，实现喷洒流量与速度的匹配，确保药剂喷洒均一。例如，ZW-1600植保无人机在流量与航速精准匹配下，可将亩喷药量误差控制在0.05L/亩以内。

组合姿态测量克服多源电磁干扰

卫星导航姿态测量是利用载波相位差分技术计算出由两个或多天线构成的基线矢量，进而求解出基线矢量相对于当地水平面的夹角，从而获得无人机的航向和姿态角。惯性信息与北斗卫星的组合姿态测量，能够消除惯导的误差积累，同时提高抗干扰性和数据更新速率。采用微惯性器件与双天线北斗组合的方式，可以达到航向精度±0.44·（基线长度1米）、横滚角±0.29·、俯仰角0.20· 。

航线智能规划适应复杂地块形状

航线规划效果直接影响无人机的作业质量。通过植保无人机监控站进行农田边界厘米级测量，绘制出精确的作物分布边线。将农田精细划分为多个“凹、凸”多边形区域，并考虑无人机单架次满载药量无法沿作业航线完成整个作业区域喷施的情况，自动规划最优航线，提高覆盖完整率，降低重复与遗漏率，降低作业消耗成本。

全自主飞行作业实现无人操控

植保无人机的全自主飞行是在无人操控的情况下，实现无人机的自动起飞、飞行作业、返回降落点、自动降落等功能。无人机在起飞前，首先利用北斗CORS系统计算和记录准确的HomePoint位置的三维坐标；飞控系统根据获得的速度、位置和姿态，控制无人机飞行作业；完成任务或中断后，按预设航高返回HomePoint位置，并自动降落。基于北斗CORS的精确HomePoint位置和速度测定为自主飞行的稳定性、安全性提供了保障。

辅助智能避障减少喷洒遗漏

植保无人机作业时的避障功能分为已知避障和偶然避障。在飞行前已知障碍物的位置、形状和尺寸，从而通过航线精细规划实现避障。在飞行过程中，遇到未发现或偶然出现的树木、人员等障碍时，植保无人机能够迅速感知，并作出躲避动作。无论已知避障还是偶然避障，在北斗CORS的支持下能够大大缩小避障半径，实现无缝喷洒。

结束语

随着我国自主研制的北斗导航定位系统的完善和成熟，北斗系统已经在海洋、林业、国土等各行业发挥重要作用。在农业领域，以北斗CORS为支撑的植保无人机系统，具备智能化、精准化、系统化等特点，对提高我国农作物病虫害防治机械化水平，提高农业资源的利用率，缓解农村劳动力短缺，实现农业可持续发展具有十分重要的意义。

（责任编辑：刘英姿）