面向精准农业的GPS信号处理与定位方法研究

摘要

为了适应精准农业高精度、低成本的GPS定位导航应用要求,该文通过对GPS伪距和载波相位定位方法的研究,结合精准农业的实际情况,提出了基于GPS OEM板的高精度定位与测量方法,并用仿真和田间试验验证了各关键技术的可行性.主要研究内容如下:1.针对低成本的Jupiter GPS OEM板接收机,直接根据星历原始数据和接收机原始观测数据以及GPS定位技术的理论进行了GPS OEM板的伪距与载波相位定位软件的开发.2.通过对运动载体CA模型和统计模型的卡尔曼滤波效果的研究,提出误差反馈式自适应卡尔曼滤波方法,解决了卡尔曼滤波器模型或滤波参数选择不恰当,造成滤波效果差,甚至发散的问题.3.在分析动态小波滤波、小波包滤波和误差反馈式自适应卡尔曼滤波方法的基础上,提出基于小波分析反馈式自适应卡尔曼滤波方法,实现了当测定信号相对平稳时滤波结果较为平滑,而在测定信号发生突变时滤波器又具有极强跟踪能力的目标.4.针对短基线的情况,研究基于平面模型的浮点数遗传搜索算法来确定整周模糊度.利用模糊度函数法对于周跳不敏感的特点,充分发挥遗传算法的优化搜索特点,实现了对载波相位整周模糊度的在航解算.5.为了解决遗传算法适应度函数多峰特征的搜索问题,提出了分级优选遗传搜索算法,提高了整周模糊度解的搜索重复精度,解决了与整周模糊度无关的定位解的求解问题.6.研究采用小波分析算法来检测周跳以及采用映射技术给出周跳修复值的方法.实现周跳检测准确,并可以比较完善地预测在周跳发生过程中GPS载波相位信号的修正轨迹.7.在分析双频P码伪距法、模糊度函数法、最小二乘搜索法、模糊度协方差法、Cholesky分解法、和LAMBDA算法的基础上,重点研究基于双GPS天线动-动基线载波相位双差整周模糊度确定方法.根据农业机械田间作业低速动态和近似平面运动的特点,研究运动载体的低俯仰角姿态搜索方法和行走速度的测量方法,以实现高精度的GPS定位、导航以及测量的目标.8.结合精准农业的实际情况,提出了GPS动态运动轨迹的自动跟踪方法.在减少差分基准站和差分信号传输链路硬件系统的条件下,达到降低GPS定位系统的建设成本和运行成本的经济目标.9.针对联合收割机测产系统的定位与测速要求,研究采用实时记录粮食产量、水分、位置和速度的信息,进行高精度的GPS数据后处理方法.10.将高精度的GPS偏航距离和速度测量技术应用于大型平移式喷灌机的导向与速度遥测、遥控系统中,配合其它辅助传感器组成实时测量与导航控制系统,试验证明了基于载波相位的GPS高精度测量技术能满足大型喷灌机变量控制的各项技术性能要求.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景与目的意义

1.1.1 GPS在“精准农业”中的作用

1.1.2 GPS在“精准农业”中应用的意义

1.1.3课题的提出与主要研究目的

1.2国内外GPS技术在精准农业中应用情况

1.2.1国外GPS在精准农业技术中的典型应用

1.2.2国内GPS在精准农业技术中的典型应用

1.3国内外GPS技术的研究进展

1.3.1 GPS误差影响

1.3.2 GPS差分技术

1.3.3 GPS信号滤波技术

1.3.4 GPS组合导航技术

1.3.5 GPS的定向和定姿的研究

1.3.6高动态GPS导航技术研究

1.3.7确定整周模糊度方法研究

1.3.8 GPS+GLONASS组合测量方法研究

1.3.9电离层误差削除方法

1.3.10国外常用的差分技术

1.4精准农业专用GPS技术的发展趋势

1.4.1美国天宝公司(Trimble)的GPS在精准农业中的应用

1.4.2雷卡公司(Racal)的GPS在精准农业中的应用

1.5研究内容与方法

1.5.1研究内容

1.5.2拟解决的关键问题

1.5.3本课题的技术路线

1.5.4试验方案

第二章GPS的定位技术理论基础及方法研究

2.1引言

2.2 GPS定位的理论基础

2.2.1 GPS定位的坐标系统

2.2.2时间系统

2.2.3 GPS卫星的星历

2.2.4 GPS卫星在轨位置的计算

2.3 GPS定位解算方法

2.3.1 GPS绝对定位理论

2.3.2 GPS相对定位理论

2.3.3伪距定位精度估算方法

2.4载波相位定位原理

2.5基于OEM方式的GPS开发

2.6小结

第三章GPS信号处理方法研究

3.1引言

3.2卡尔曼滤波器的理论与应用

3.2.1运动载体动态模型的建立

3.2.2卡尔曼滤波器的基本理论

3.2.3基于卡尔曼滤波器的GPS动态滤波方法

3.2.4常用的自适应卡尔曼滤波算法

3.2.5带阶跃调节因子的自适应卡尔曼滤波算法

3.3小波动态滤波方法的研究

3.3.1小波分析理论基础

3.3.2小波去除噪声的方法

3.3.3小波包滤波仿真试验

3.3.4 WPKT小波包与卡尔曼动态滤波理论

3.3.5 WPFAKF卡尔曼小波自适应滤波算法

3.4各滤波算法的田间数据信号处理

3.5小结

第四章GPS高精度定位技术的研究

4.1引言

4.2载波相位测量误差消除方法

4.2.1载波相位的观测方程

4.2.2载波相位的单差观测方程

4.2.3载波相位的双差观测方程

4.2.4载波相位的三差观测方程

4.3整周模糊度问题

4.3.1现有的整周模糊度确定方法

4.3.2 GAAFM基于遗传算法的整周模糊度确定方法

4.3.3 IGACF基于迭代算法的整周模糊度搜索方法

4.3.4 GAGAFM基于优化遗传算法的整周模糊度确定方法

4.4整周跳变的探测与修复

4.4.1现有周跳的确定与修复的方法

4.4.2周跳分析的多项式拟合法

4.4.3采用小波检测周跳及其映射修复方法

4.5农业机械姿态和速度的高精度测量方法

4.5.1 GPS姿态测量方法

4.5.2 GPS测速方法

4.5.3动-动基线姿态的确定方法

4.5.4动-动基线GPS动态定位方法

4.5.5试验情况

4.6小结

第五章基于精准农业的GPS应用技术研究

5.1引言

5.2 GPS在精准农业领域中应用的几个具体问题

5.2.1坐标转换模型

5.2.2高斯坐标变换

5.2.3 Trimble 5700高精度测量系统

5.2.4定位误差的描述

5.2.5大型喷灌机GPS高精度测量与定位方法

5.3大型平移式喷灌机GPS导航、定位方法研究与试验

5.4大型联合收割机的GPS定位技术方案

5.5小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

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