当农业生产遇上北斗
山东巨野农民种萝卜的视频火了——
“采用装载北斗导航自动辅助驾驶系统的播种机，8小时可播种40亩，百米误差仅2厘米。如果用人工播种，同样8小时，五六个人仅可播种两亩地。”巨野县龙堌镇土码头农场主邓海英说。
不仅是高精度种萝卜，自动规划插秧路线、玉米籽粒机收……搭载北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）的农业机械，正驰骋在全国各地的农田里。特别是今年，我国粮食生产在经历极端天气等考验后，实现增产丰收，北斗系统便是背后的“法宝”之一。
作为我国自主建设的全球卫星导航系统，北斗系统是GPS、GLONASS之后，第三个成熟的全球卫星导航系统。自2012年北斗二号建成后，北斗系统在农业领域得到了规模化推广，截至2022年6月底，农业已累计应用北斗设备近100万台/套。
北斗系统在我国农业领域“落地生根”的背后，是这个传统行业走向智能化、科技化、现代化的典型探索，也是我国自力更生在高水平科技领域不断突破的生动体现。近年来，随着北斗产品加速进入农业生产领域，通过厘米级定位和控制，这一国之重器为农业生产提供了更加精准的可能。
一颗“中子”撞地球
时间回拨到10年前，河北省沽源县丰泰种植合作社负责人张志贵开始承包土地种植马铃薯。然而，每年春播时节，1600多亩的地让他犯了难。为赶在雨季之前完成播种，必须每天耕作上百亩，两周连轴作业，才能保证完成任务。
最让张志贵头疼的是开农机的司机。“之前都是插上旗杆，用划印器在地上划线，机手瞄着红旗压着白线开，弯曲、并线等问题是常有的。农忙时，花高价都不一定能请到好司机。”张志贵回忆那些年，高昂的人工成本，加上市场价格波动，一年到头也挣不了几个钱。
如今，北斗导航自动辅助驾驶系统帮了张志贵大忙——只需按照步骤提前设置好程序，农机即可按照期望的路径自动驾驶，无需全程掌控方向盘，只需在转弯时打打方向盘。“一次性就可以完成播种、起垄、开沟、施肥、铺设膜下滴灌带和膜上筑土等多道工序，驾驶员还可以随时下车查看播种情况。”张志贵笑着告诉记者，“与传统人工点播相比，机械化播种播量均匀，一亩地能比之前多种两行土豆，每亩地能增产10％。”
事实上，卫星导航最初是为军事服务，20世纪90年代以来开始向民用领域开放。从2009年启动研发的北斗三号系统，应用场景除提供定位、授时、导航和短报文通信等基本服务，还具备精密单点定位、地基增强等多种特色服务能力，为其融入农业领域提供了基本条件。
“北斗就像一颗‘中子’，撞到农业领域，会产生裂变。”中国农业大学信息与电气工程学院北斗团队牵头人、农业农村部农机作业监测与大数据应用重点实验室主任、中国农机工业协会精准农业技术装备分会秘书长吴才聪介绍，北斗系统在农业中触发了链式反应，促成了首个规模化应用的精准农业技术。
基于北斗系统的自动辅助驾驶技术应用在田间作业机械上，可以保证实施起垄、播种、喷药、收获等作业的交接行精度，避免作业重叠或遗漏，从而大大提高作业精度。
刚刚过去的采棉季，利用装上北斗系统的采棉机进行机械化采摘，已经不是新鲜事。在新疆各区棉花种植区里，在年初播种行距固定的情况下，装有北斗卫星导航系统的采棉机，按照规划好的行进路线作业，能够做到精准采摘。
新疆库尔勒普惠乡的棉花种植户刘四雷经营着400亩棉花地。“以前人工采棉需要40至45天，现在用上了装有自动辅助驾驶系统的采棉机，1天1夜就可以采完。之前人工采，成本两块多一公斤，机采一公斤只需4毛多，平均每亩地能节省700多元，落花率也大幅降低。”刘四雷告诉记者，按照传统种植模式，管理400亩棉花地需要5个人，而现在2个人就可以高效管理农田。
在新疆库尔勒普惠乡，装有北斗导航自动辅助驾驶系统的播种机正在播种玉米。 受访者供图
北斗导航自动辅助驾驶系统的应用，不仅能实现节本增效，也使种田更加轻松。
“在车里面，都有喝茶的时间。”刘四雷说，以前是男同志开车，一天下来全身是土，又脏又累。这两年随着北斗导航的普及和拖拉机的升级换代，女司机也可以坐在车里干干净净地干活。
中国卫星导航系统管理办公室主任冉其承介绍，刚刚过去的“三秋”时节，基于北斗系统的植保无人机、自动驾驶拖拉机、播种机、收割机等，广泛应用在北京、河北、河南、山东、浙江、江苏、黑龙江、甘肃等地，在秋收、秋种中发挥了重要作用。北斗正成为农民实打实的丰收“金钥匙”。
±2.5厘米
“毕竟是农业生产，一厘米、两厘米的差别放到大田里，播种时多一颗还是少一颗，累计下来就是百分之几的差别，要求其实也不低。”提到为什么使用北斗导航自动辅助驾驶系统，刘四雷如此说道。
近年来，随着精准农业技术的不断发展，对其核心支撑的定位精度要求也不断提高。而使用北斗自动辅助驾驶系统后的农机，1000米内的误差仅有±2.5厘米。
±2.5厘米是什么概念？当时，在新疆最优秀的农机手，作业精度是10厘米左右，北斗自动导航的精准度提高了3倍；而普通手机和车载导航的精度是5到10米。
但是，北斗系统只能提供导航信号，厘米级甚至毫米级精准导航是怎么实现的？
先来看一下北斗自动导航设备的工作原理——在导航终端中设定导航线，通过拖拉机上安装的前轮转角传感器、北斗卫星导航接收机、惯性测量单元，来获取拖拉机的实时位置、速度、姿态，并计算拖拉机与预设导航线的偏离距离和偏离航向，再通过导航控制器计算前轮转角，并向拖拉机的自动转向机构发送控制信号，实时修正拖拉机的行驶方向。
北斗卫星导航接收机就相当于导航设备的“大脑”，是自动辅助驾驶系统的核心部件。也就是说，每台终端设备想要实现定位，就要靠接收机内的定位板卡来进行计算和处理。
但在北斗系统应用之初，定位板卡却面临着受制于人的境地。
“时至2011年，我国定位导航板卡90％以上被国外企业占据。”上海司南总经理王昌告诉记者，当年，国内导航型板卡是200元一片，而进口的高精度定位板卡价格在2万至3万元一片。“所以当时，国外高精度板卡比国内导航型板卡定位精度高了100倍，技术门槛也高了100倍，成本高了100倍，售价也高了100倍。”
粮食安全要抓在自己手上，核心技术也要牢牢抓在自己手上。在北斗系统应用之初，以司南导航为代表的导航企业加大自主研发力度，攻克了一个个技术难关，实现了高精度板卡的自主可控。“当前，高精度板卡的价格不止拦腰对折，甚至低至2折、1折，现在迈向了千元级别，功耗也越来越低。”王昌说。
由于农业作业的特殊性，除要求路径跟踪精度达到±2.5厘米外，对信号的可靠性也有着较高的要求。
“信号中断后，农机将无法保持厘米级的定位精度，针对棉花等对作业精度要求较高的作物，只能停止作业，会耽误农时。”千寻位置解决方案经理胡冰冰告诉记者，全球卫星导航系统定位时，因卫星、大气层和用户端三个方面的综合误差影响，单点定位的误差在5-10米，不能满足精准农业的需求。“通过增强系统将误差计算出来，发送给用户终端，用户终端把误差消除后，定位的精度就可以提高。”
然而，在北斗系统应用之初，农机手都是自己购买移动基站进行差分定位。胡冰冰介绍，当时，仅新疆石河子就建了接近130个固定式小基站。但是，由于无人协调电台发射频率，造成了非常严重的信号干扰，一旦接入别人的基站，就会导致坐标不统一，拖拉机就会走歪。“就像很多人在群里喊话，一旦嗓门大了，就会把别人的电台压制。”
近年来，我国创新提出建设地基增强系统，通过在全国范围内建设地基增强系统和北斗系统匹配融合。2016年，国家北斗地基增强系统“全国一张网”正式投入运行，开始提供实时厘米级、后处理毫米级的高精度定位服务。2018年，千寻位置发布“星地一体”高精度时空服务，进一步增强服务的性能和覆盖范围。
盆景还是森林？
尽管如此，北斗导航自动辅助驾驶系统的推广并没有想象的顺利。
第一代自动辅助驾驶系统，通过液压阀控制油路的方式驱动拖拉机转向，从而达到自动驾驶的目的。“由于液压改造要将油路拆开，插入很多油管，改造难度比较大，安装时间很长，对工作人员要求较高。”上海司南产品经理张冬冬告诉记者，虽然液压改造后系统控制效率高一些，但是对于后端来说更加复杂，故障率也相对较高。
除此之外，高昂的成本，也成了自动辅助驾驶大规模推广的阻力。
“普通农民对新技术的抵触情绪比较大，况且当时的成本很高，一套自动驾驶设备通常要卖到十余万元，价格相当于一台中马力段拖拉机的价格，个体农民很少有愿意尝试的。”张冬冬说，在北斗系统应用之初，所使用的高精度技术和自动驾驶系统都从国外引进，在液压自动转向推广的三四年间，销量在每年1000台左右，很难实现突破。
最初打开局面是在新疆生产建设兵团。过去每到棉花采摘季，便有河南、四川等地百万采棉队浩浩荡荡去新疆务工，近年来这个数字已锐减近一半。“这些年，内陆省份工资和生活水平都提高了，年轻人不愿干这体力活，包吃包住一天350块钱，都难请到人。”王昌表示，用北斗自动导航的农机在农村有着更现实的需求。
“我们的业务员带着产品前往团场农机科和农机推广站挨个走访，先做实验测试，然后再小批量采购，大概花了一两年的时间，兵团内部就认可了这个产品。”张冬冬回忆道。随着团场的批量使用，自动导航就在新疆遍地开花了。黑龙江也是先从国营农垦集团推广到普通农户。
国家层面的支持从2013年开启。在北斗二号系统建成并提供区域服务之际，为促进我国精准农业技术装备发展和北斗系统农业应用，财政部、原农业部在国家农机购置补贴目录中，增加了“精准农业设备”小类，对“农业用北斗终端（含渔船用）”进行补贴，为北斗系统开始在农业领域“落地生根”提供了助力。2014年，国家发改委启动的新疆兵团第八师石河子市北斗系统精准农业重大应用示范工程项目，在陈学庚院士的指导下，对国产北斗农机自动驾驶系统的规模化应用起到了至关重要的作用。
各类补贴算下来，一套设备只要三四万元，农民也能够接受。在听说有购置补贴后，张志贵当机立断，购入了第一台自动导航设备，“当时雇一个熟练机手每天的工资是500元左右，用了导航后，对机手的要求低了，雇用机手的成本也在降，一台自动导航设备的成本两三年就能收回。”
更大的惊喜来自2015年。国内一批导航企业和主机企业，通过自主研制北斗农机自动导航和辅助驾驶系统，实现了国产化的突破——用电机控制代替了液压控制，北斗自动导航系统开始向规模化迈进。
“新系统在执行机构和算法方面做了改进，把电机加装在原车的方向盘上，改动小了，安装快了。”张冬冬介绍，从2015年开始，整个行业的销量基本都在翻番增长，加上近几年国产化速度加快，设备售价从之前的十余万元降到了一万多元，只有之前的十分之一。“2021年开始每年销量都在2万台以上，2022年接近5万台。”
随着土地流转与农机购置补贴等政策的持续实施、农机社会化服务体系的逐步建立，为北斗在农业领域的快速推广提供了助力。“可以明显地感受到老百姓对北斗导航自动辅助驾驶系统接受度逐年增高，有些地区还出现了农机不配置自动辅助驾驶系统，下地没活儿干的现象。”上海联适导航董事长马飞告诉记者。
不过，在安装上，后装和前装问题还困扰着业界。多年来，北斗导航自动辅助驾驶系统的安装，大多数都是在购买农机后，相应的问题也随之日益凸显，例如后装的安全性、兼容性和可靠性等难以得到有效保障。不少主机企业联合导航企业和科研院所的办法是：发展后装应用的同时，不断探索自动导航技术前装应用。
“北斗系统的应用只受想象力限制”
“十年前，搞北斗的人还不太清楚北斗在农业领域有什么应用，而搞农业的人却只知道用GPS。”吴才聪认为，在北斗系统应用之初，技术和应用场景之间还存在着鸿沟，但如今，这个鸿沟正在被填平。
《2022中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》数据显示，在农业领域，全国已有将北斗终端作为标准配置的农机企业45家，安装农机自动驾驶系统超过10万台，安装农机定位、作业监测等远程运维终端超过45万台/套，全国接入国家精准农业综合数据服务平台的农机装备达到25.8万台，实现了跨企业农机作业数据整合，水稻、小麦、玉米等主粮作物收获和拖拉机作业的24小时动态监测。
随着北斗产品加速进入农业领域，通过厘米级定位和精准控制，农业生产的一系列场景有了更加精准的可能，其应用场景“朋友圈”正在不断增加之中。
搭载北斗导航自动辅助驾驶系统的农机已能适应不同场景、不同地形。农忙时节，不论是平原、丘陵，还是高原地带、极寒区域，从水稻机械直播、玉米籽粒机收到油菜全程机械化，4000多种我国自主研制的农业机械装备，驰骋在不同类型的农田上。
近年来，通过对北斗系统应用场景的不断探索，我国农业生产精细化水平不断提升，亦找到了一系列新的应用方向，遥感、无人机喷药、作业质量监测等都有着北斗深耕的身影。此外，北斗系统也逐渐成为农业相关补贴发放的重要技术基础，诸如土地深松补贴发放是基于北斗系统和相关传感器监测作业面积和作业质量实现的。
“以前我需要每天去很多地方统计车辆使用，现在足不出户，看着监控中心的大屏幕，就能知道每一天农机车在什么位置作业。有了农机信息化管理调度系统，可以随时了解农机的具体使用情况。”新疆生产兵团一师二团的农机管理人员曾在接受采访时感慨，有了北斗系统，不知不觉还催生了农机作业、组织和管理关系方式的变革。
基于农机作业大数据，还可以整体掌握麦收进度。在今年麦收季，5万多台安装了北斗系统的小麦联合收割机，就用工作轨迹，在我国农田上画出了一幅从南到北“追逐”丰收的热力图。
“就像孙家栋院士说的，北斗的应用只受想象力的限制。”王昌认为，其实北斗本身不是一个行业，而是“北斗＋”，随着农业生产走向高度智能化、智慧化，北斗将深度改变更多领域。按照近年来的趋势，农业成了除车辆导航和位置服务外最重要的应用行业。“其实没有一个是真正特别赚钱的企业，都是在投入期。”王昌表示北斗的行业应用还未到爆发期，有着广阔前景。
采集数据、模型决策和精准执行是精准农业的“三部曲”。农机上装了北斗，就能知道位置，进而远程监测工况和作业质量，最终评估这些指标以便决策。不过从数据采集到决策，再到执行，北斗系统在农业应用上还有很长的路要走。
俄罗斯自然科学院外籍院士、新疆农业大学教授艾克拜尔·伊拉洪举例，“北斗系统＋传感器”能提供草原覆盖面积、草原长势、土壤裸露情况的基础信息，但在区别草原物种、追踪物质流动、分析养分循环，根据土壤辐射形状鉴别土壤类型、土壤性状、土壤污染程度等方面的相关技术还有待提高。
“地区差异大，受到土壤、气候、海拔等因素的影响和干扰，不利于北斗助力精准农业技术的推广应用。此外，技术难度较大且人才匮乏，会进一步限制和影响北斗系统的应用与发展。”艾克拜尔·伊拉洪认为，在农业领域北斗系统的推广还存在一些待突破的瓶颈。
就像建高铁要重铺轨道
“高铁能在绿皮火车的轨道上跑吗？就像高铁需要建立新的路基、轨道一样，北斗农业应用的爆发关键在于能否建立起一整套智慧农业的标准体系。”吴才聪拿北斗无人驾驶系统举例，即使拥有性能稳定的无人拖拉机，但如果机库、机耕道及农田的标准化改造没有跟上，也实现不了高效率，“就像让高铁列车在绿皮火车轨道上一样跑不出高速度”。
今年秋收季，广东高州丝苗米省级现代农业产业园核心区内，基于建设的北斗无人农场，实现了丝苗米耕、种、管、收全程机械化：装有北斗终端的无人驾驶收割机自动驶入稻田，按照科研人员规划好的路径开始收割，待收割机装满稻谷后便向无人运粮车发送接粮信号，无人运粮车自动行驶至无人驾驶收割机旁边，精准将收割机中的稻谷转运至道路边卡车上。
我国北斗系统既重视系统建设，也注重应用推广，可以说是边建设、边推广。随着北斗系统与农业生产结合不断深入，“北斗＋农业”在实现精准化的同时，正朝着无人农场的方向发展。
“发展无人化技术是一个必然的趋势，但无人化并不是完全没有人，而是立足智能化，面向无人化，发展少人化，要根据我国实际需求的阶段，通过信息技术将人逐步置换出来。”吴才聪介绍。
我国农业从业人员正在经历老龄化过程，通过北斗系统高精度应用，能够为多年来我国三农领域中“谁来种地，怎么种地”的问题，提供一种新的答题思路。
但无人农场的建设并非一蹴而就。吴才聪认为，要从总体上去把握无人农场发展的趋势，发展的规划，要站在整个农业生产系统的角度，从全场景、全流程、全地形、全天候的角度去制定整个无人化农机技术、农机作业技术的标准体系。不仅要考虑田内，还要考虑机库、机耕道和农田全场景。在做农机的无人化改造的时候，同时还要考虑到无人耕地、无人播种、无人打药等“耕种管收”生产全流程。
“空间信息技术服务农业生产还需要提高精度、可靠性和并发性。”中国农业科学院农业资源与农业区划研究所吴文斌在技术方面提出建议，未来要打通数据链路，实现数据的实时采集和更新。进一步提升农业智能感知和观测能力，推进农业卫星的研制，尤其是要提升天空地感知能力，形成多层次的观测平台，建立高中低分辨率并举、光学和微波相结合的对地观测体系。提升卫星标准化产品与加工处理能力，实现多星多传感影像数据的协同处理，保障卫星遥感数据的及时、可靠供应。
除了产品和技术，配套的软件和服务也得跟上。“进入大数据时代，不能光卖拖拉机，还应做好软件服务。”吴才聪回忆起在美国调研的经历，在美国，约翰迪尔公司卖拖拉机时，会提供给顾客一个数据平台账户，农场主手持鼠标，就可以在遥感图上把他家的农田圈出来，还能回看GPS的轨迹，掌握耕地、播种的实时情况。回到中国，他在多个场合建议国内企业搭建与农机配套的数据平台，让合作社能通过软件平台管理农田、作物、机器和人员。
如今，“北斗＋农业”应用已经走出国门，面向更多的国家提供服务。12月10日，“一带一路”精准农业国际合作联盟倡议书（2022）发布，倡议书从开展现代农业产业合作、推动精准农业应用合作、拓展“卫星应用＋智慧农业”合作等方面发出号召，旨在希望通过各方共同努力，促进“一带一路”沿线国家和地区精准农业的高质量发展。
今年，国务院新闻办公室发布了《新时代的中国北斗》白皮书。白皮书中指出，面向未来，中国将建设技术更先进、功能更强大、服务更优质的北斗系统，建成更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系，提供高弹性、高智能、高精度、高安全的定位导航授时服务，更好惠及民生福祉、服务人类发展进步。
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