全 文 ：全球定位系统kŠ°≥l在林业导航中的试验研究 3
武红敢
k中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 tsss|tl 吴 坚k国家林业局造林司 北京 tssztwl
王福贵 高 树
k中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 tsss|tl
薛振南
k广西林业局森防站 南宁 xvssuul
关键词 } 全球定位系统kŠ°≥l o林业 o导航
收稿日期 }t||{2s{2us ∀
3 参加试验的还有广西林业厅森防站 !南宁市森防站 !南宁地区森防站 !武鸣县林业局 !扶遂县林业局 !南宁郊区林业局 !广西航空
运动学校 !大明山自然保护区的罗基同 !杨秀好 !黄桂英 !郑 卫等 us余名同志 o谨此对他们付出的艰辛劳动表示诚挚的谢意 ∀
ΕΞΠΕΡΙΜΕΝΤΑΛ ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ ΝΑςΙΓΑΤΙΟΝ ΟΦ
ΓΛΟΒΑΛ ΠΟΣΙΤΙΟΝΙΝΓ ΣΨΣΤΕ Μ ΙΝ ΦΟΡΕΣΤΡΨ
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( Τηε Ινστιτυτε οφ Φορεστ Ρεσουρχεσ Ινφορµ ατιον Τεχηνιθυεσ , ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t)
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( Βυρεαυ οφ Νατιοναλ Φορεστρψ Βειϕινγ tssztw)
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( Τηε Ινστιτυτε οφ Φορεστ Εχολογψ ανδ Προτεχτιον , ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t)
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( Φορεστ Προτεχτιον Στατιον οφ Γυανγ ξι Ναννινγ xvssuu)
Αβστραχτ : ׫¨ ³¤³¨µ©¬µ¶·¯¼ §¨¶¦µ¬¥¨¶·«¨ ¥¤¶¬¦¦²±¦¨³·²© Š°≥ ¤±§¬·¶·¨¦«±¬´∏¨ q׫¨ ± ¤§¬©©¨ µ¨±·¬¤¯ Š°≥
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Κεψ ωορδσ: Š¯ ²¥¤¯ ³²¶¬·¬²±¬±ª¶¼¶·¨°kŠ°≥l oƒ²µ¨¶·µ¼ o‘¤√¬ª¤·¬²±
全球定位系统定位技术已经广泛地渗透到经济建设 !国防建设和科学技术的许多领域 o对基础测
绘 !资源调查和管理的传统方法产生了划时代的影响 ∀诸多发达国家在林业资源调查和管理 !病虫害
飞防 !飞播造林等林业生产中已广泛地使用了该项技术 o并制定了相应的作业规范 o极大地提高了工作
效率 ∀我国的广大林业工作者对此也有着浓厚的兴趣 o中国林科院开展了实时差分全球定位系统技术
用于飞防和飞播的导航试验 o结果表明 o该项技术在林业生产中有着广阔的应用前景 ∀
全球定位系统 Š°≥ o是一个全天候的无线电测距导航系统 o是一种改进了的天文导航系统k5电波
与天线6编辑部 ot||{l ∀由于 Š°≥所实现的测速 !定位精度远比预期的好 o于是美国政府为了保持军方
在 Š°≥应用上的优势 o决定采取 ≥„k≥¨¯ ¦¨·¬√¨ „√¤¬¯¤¥¬¯¬·¼l政策 o人为地将误差引入卫星时钟和卫星数
据中 o有意降低 Š°≥的定位精度 o以防止未经许可的用户把 Š°≥用于军事目的 ∀采用 ≥„政策 o规定水
平定位精度为 tss ° o垂直测量精度为 txz ° ∀致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足 o因此
差分 Š°≥技术得到了迅猛的发展 ∀差分 Š°≥亦写作 ⁄Š°≥k⁄¬©©¨ µ¨±·¬¤¯ Š°≥l o是通过差分技术将 Š°≥
的误差消除 ∀差分 Š°≥k⁄Š°≥l通常有两种技术 o一种是码相位k伪距l差分 o另一种是载波相位差分 ∀
它们是用不同信息来修正计算出的位置 o修正可以是事后进行 o也可以实时处理 o取决于所用的测量技
术 ∀但对于林业生产上的飞机导航 !样地复位等而言 o我们需选择实时差分系统 ∀差分 Š°≥技术发展
很快 o现有局域差分 Š°≥ 系统k„⁄Š°≥l !广域差分 Š°≥ 系统k • „⁄Š°≥l和广域增强 Š°≥ 系统
k • „„≥l等 ∀在目前的林业生产中 o采用最简单的单基准站组成的局域差分 Š°≥系统即可满足要求 ∀
1 系统构成
中国林科院森林生态与保护研究所选配的实时动态差分 Š°≥系统基本配置如下 }
基准站 ‘²√„·¨¯ vtxt• ~ 移动站 Š¤µ°¬± t|x ~ 数字电台 ×  vu 两台 ~ 电台功放
• ƒ „|y2vx • 两台 ~ 通信天线 全向 tx⁄…k基站用l o刀状天线k飞机上的移动站用l o鞭状天线
第 vx卷 第 w期t | | |年 z 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤ „∞
∂ ²¯1vx o ‘²1w
∏¯ qot | | |
k地面森林环境中用l ~ Š°≥天线  °测量天线k基站用 ≥×wvs o移动站为 ≥×wtsl ~ 蓄电池
tu ∗ vy∂ ~ 配套部件 ∀同时还拥有 ×µ¬°¥¯¨ ‘×2tss移动站一台 ∀总之 o现有的移动站全部为导航
型 o其中 ‘× tss为 y通道航海型产品 oŠ°≥t|x为 tu通道航空型产品 o显然它们能满足高动态实时导
航的要求 o但我们希望它们在地面的定位作业中也能发挥一定作用 ∀
为了保证数据传输的质量 o降低误码率 o选用甚高频通讯设备k频率为 wxs ∗ wzs  ‹½l o其信号直线
传播 o特别适合于空中实时导航 ∀数据传输的波特率基本都采用 w{ss ∀
2 试验区和试验目标
选择广西壮族自治区的南宁市和南宁地区作为试验区 o于 t||{年 y月进行了近一个月的地面和
空中实验 o鉴于飞行需办理空域和航线申请等复杂的手续 o本次试验主要以地面测试为主 o因为空中要
比地面的通视环境更好 o因而其结果肯定会更佳 ∀其主要目的是 }验证系统软硬件的实用性和可靠性 o
尤其是在高动态k飞行l条件下 o设备和数据链路的稳定性 ~测定在不同基线长度k约 ts ®° !us ®° !ws
®° !{s ®° !tts ®°l和不同数据采集时间kt ¶¨¦!t °¬± !v °¬± !x °¬±l时 o移动站的精度 o以便掌握它们在
用于样地复位等林业作业中的可行性和使用方式 ~对系统进行整体评估 o提出改进意见 o积累使用经
验 o力求尽快把该项技术应用于林业生产 o并能提供相应的技术服务 ∀
3 试验方法
v qt 编制 • Š≥{w与我国 t|xw年和 t|{s年大地坐标系间的转换软件 Š°≥接收机一般均采用美国
国防部研制确定的大地坐标系 o即 • Š≥{wk • ²µ¯§ Š ²¨§¨·¬¦¶¼¶·¨° ot|{w年lk刘基余等 ot||ul o而我国
的测绘成果采用 t|xw年北京坐标系或 t|{s年国家大地坐标系 o为此必须进行坐标系统的转换 ∀程序
采用 ∂¬¶∏¤¯ ≤ n n编写 o主要是采用局部区域的v个以上已知点k可采用国家 „ 级网或 …级网数据l计
算坐标转换参数和高程转换参数 o然后再进行坐标数据间的系统转换 ∀
v qu 确定基准站点位 o收集坐标数据并进行相应的转换 根据实验设计要求 o兼顾到轻型飞机的飞行
特点 o最终选取了 x个国家三角点作为基准点 o并从测绘部门获取了相应的坐标数据 o且用上述软件转
换成所需格式后输入基准站 ∀
v qv 移动站的选取 试验仅选择了几个国家三角点或军控点作为定位精度检核点 o主要是由于地形
平坦地区测绘标志遭到严重破坏 o且经费 !时间以及劳动强度等诸多因素也制约着选择更多点的可行
性 ∀但为了数据更具有代表性和说服力 o试验还设定了若干临时检测点 ∀在每个检测点上 o分别对两
种机器进行精度测试 ∀表 t为测试点一览表 ∀
表 1 测试点一览表
Ταβ .1 Ταβλε οφ τηετεστινγ ποιντσ
基线长度
¨±ª·«²©¥¤¶¨ ¬¯±¨ k®°l
ts us ws {s tts
检核点数k个l
× ¶¨·¬±ª³²¬±·¶k±∏°¥¨µ¶l
y y ts v w
v qw 数据记录 ‘ ∞„2st{v是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式 o目前广泛采
用的是 u1ss版本k王广运等 ot||yl ∀我们用便携式电脑记录了预先设定好的几条 ‘ ∞„ 语句 o每个
点上至少记录 x °¬±∀试验所用的两台接收机的数据更新率不同 oŠ„ • Œ‘t|x为 u ¶¨¦输出一次 o
×µ¬°¥¯¨‘×2tss为 t ¶¨¦一次 ∀由于从驻地到检测点或基站需要几个小时的行程 o所以试验全部在下
午进行 ∀
v qx 飞行实验 试验运用海燕 yxs2…轻型飞机 o在航高为 vss ∗ xss °的高度 o以 tss ®°r«的航速进
行了高动态差分 Š°≥试验 ∀
v qy 分析方法 首先编制了从 Š°≥接收机输出的 ‘ ∞„语句中提取位置即经纬度 !时间等信息的程
序 o然后建立起各检测点的数据库 o并分别计算了 t ¶¨¦!t °¬± !v °¬± !x °¬±观测时间内的平均值 o转换
成 t|xw坐标系后 o求出与已知点绝对坐标或已知长度间的距
离之差 o最后求出各个基线长度时的中误差 ∀其中在 {s ®°
处 o因山上突降暴雨 o只对 Š¤µ°¬± t|x进行了测试 o且采用手工
记录方式 ∀
vut w期 武红敢等 }全球定位系统kŠ°≥l在林业导航中的试验研究
表 2 ΓΑΡ ΜΙΝ 195 不同基线长度的中误差
Ταβ .2 ΕΜΣ οφ διφφερεντ διστανχεσ οφ ΓΑΡ ΜΙΝ 195
基线长度
¨±ª·«²©¥¤¶¨ ¬¯±¨ k®°l
t ¶¨¦ t °¬± v °¬± x °¬±
ts x1usyy v1{uu| t1|{t{ t1xzst
us t1vvtx t1szu| s1||{y s1{tv|
ws w1ystw u1|twt u1vs|s t1wvzy
{s v1uwyx u1|{vu t1stt s1xuv|
tts v1xvyw u1wvs{ u1xszz t1|ys|
表 3 ΝΤ2100 不同基线长度的中误差
Ταβ .3 Ε ΜΣ οφ διφφερεντ διστανχεσ οφ ΝΤ2100
基线长度
¨±ª·«²©¥¤¶¨ ¬¯±¨ k®°l
t ¶¨¦ t °¬± v °¬± x °¬±
ts t|1|yyw us1xwvv us1vy{z us1|yus
us ts1tu{w |1yuy| z1w|sy v1|ww{
ws y1x|z |1tzyx |1y{zy tt1t{y{
{s
tts u1twx u1wy{y t1tz|x t1xtyz
4 结果分析
试验结果表明 o数据链路畅通稳定 ∀随着时间的延长 o定位精度会有所提高 o但没有质的飞跃 o因
为仍在同一个数量级上 o所以用于林业实时导航是可行的 o这主要是由设备硬件决定的 ∀
Š¤µ°¬± t|x在各个距离和点位上 o都达到了设计要求k表 ul ∀而原有的 ×µ¬°¥¯¨ ‘×2tss接收机则
在 x个点位尤其是森林环境条件下 o信号不稳定k差分信号和使用的卫星数目都变化较快l o致使整体
精度下降 o其实在绝大多数点位其绝对定位误差还是没超过 { °k表 vl ∀这恐怕与该机为 y通道等硬
件设施有关 o具体原因还有待进一步核查 ∀实际上 o现在 ‘× 系列产品的性能已有了很大的改进 ∀
5 讨论与结论
x qt 系统基本达到设计要求 o能用于飞播和飞防作业 按设计要求 o该系统应达到中误差小于 x ° o因
为这个精度也基本能满足林业生产要求 ∀从静态定位测试结果来看 o在各个基线长度时 o都基本达到
了指标 ∀且在一定的作业范围内 o基准站与移动站间的距离不会对机器的定位精度产生根本性的影
响 ∀而我国目前的飞播和飞防作业仍主要采用地面信号队和地面标志来导航 o它不仅效率低 !组织难
度大 !机动性差 o而且费用昂贵 !飞行精度难以保证 o还极不适宜长时间大范围作业 ∀所以运用先进的
Š°≥技术来彻底摆脱传统落后的作业方式已是刻不容缓 ∀
x qu 用于林间作业的 Š°≥系统必须有高度的集成性 由于林业作业的特殊性 o现阶段还有必要采用
价廉的导航型手持机进行样地复位等林间实时导航 o但是一般在进行系统配置时 o多是单独选购设备 o
所以会导致集成性很差 o这样非常不利于操作与使用 ∀至少现在还没有适合于林业应用的性能价格比
较好的集成性产品 ∀因此在确认系统达到技术要求后 o应对系统进行集成 o使其使用更方便和可靠 ∀
x qv 当要进行长距离数据通讯时 o接收机电台必须设置为高灵敏度 当移动站和基准站的距离超过
xs ®°时 o移动站接收机电台的灵敏度必须选择为/高0 o此时尽管可能会有干扰信号 o但从在南宁市周
边地区的试验来看 o效果还不错 ∀否则收不到差分信号 ∀
x qw 在林间作业时 o应选配较好的外接天线和通讯天线k若是差分系统的话l 根据在林下的测试来
看 o当林冠茂密特别是林下植被丛生时 o数据通讯时有时不稳定 o收星状况也会受到影响 ∀因此为了顺
利完成工作 o在选配系统时 o必须要充分考虑机器的内置天线应有较高的灵敏度 o或要选配适合的外接
天线 ∀这是 Š°≥林业应用的一大关键和决定因素 ∀
x qx 基准站要尽量选在作业区的制高点上 由于试验数据通讯采用甚高频k∂ ‹ƒl o致使其绕射能力
较差 o所以只有当基站有一定高度时 o才能确保有一定的覆盖范围 ∀根据此次实验的结果表明 o只要基
站选择适当 o至少 tts ®°的辐射半径是没问题的 ∀因时间等原因 o本次试验没有测定本系统最远的有
效数据通讯距离 o我们将会在今后的实际应用中积累起这方面的数据资料 ∀
参 考 文 献
5电波与天线6编辑部 q智能交通系统 tss问 q电波与天线 ot||{ oktl }v ∗ wz
刘基余等 q全球定位系统原理与应用 q北京 }测绘出版社 ot||u
王广运 o郭秉义 o李洪涛等 q差分 Š°≥定位技术与应用 q北京 }电子工业出版社 ot||y
wut 林 业 科 学 vx卷