96

Savremena poljoprivredna tehnika Cont. Agr. Engng. Vol. 32, No. 1-2, p. 1-131, Novi Sad, januar 2006

Biblid: 0350-2953 (2006) 32: 1-2, p. 96-102 Pregledni rad UDK: 629.783: 631.1 (4-672EU) Review paper

POSTUPCI I TAČNOST PRIMENE GPS U POLJOPRIVREDI

PROCEDURES AND ACCURACY OF GPS USE IN AGRICULTURE

Gavrić M*, Martinov M.**

REZIME U poljoprivredi su zahtevi u pogledu pozicioniranja specifični. Zahteva se znatno viša

tačnost nego za primenu u saobraćaju, gde desetak metara ne predstavlja grešku od odlučujućeg značaja. U radu su analizirane mogućnosti, značaj i perspektive primene pozicioniranja. Takođe su obrađeni postupci pozicioniranja koji su u primeni i razvoju s opisom korišćenih pojmova. Posebno je obrađen značaj pozicioniranja za stvaranje dokumentovane proizvodnje u skladu sa novim propisima Common Agricultural Policy Evropske unije.

Ključne reči: pozicioniranje, GPS, poljoprivreda, tačnost

SUMMARY The positioning demands in agriculture are specific. The requirements regarding accuracy are considerably higher in comparison with traffic, where ten meters error has no influence. Possibilities, importance and applications of positioning are analyzed in the paper. Contemporary positioning procedures have been reviewed with explanation of used terms. The importance of positioning for documented agriculture has been commented, especially applicability of positioning as support for realization of new EU Common Agricultural Policy requirements.

Key words: positioning, GPS, agriculture, accuracy

UVOD Pozicioniranje primenom GPS, opisan u Gavrić i Sekulić (2005) već je zauzelo svoje

mesto u poljoprivredi. Tačnost pozicioniranja sve više se povećava, ispunjavajući i najviše zahteve, pri izvođenju operacija u poljoprivredi. Pored još uvek visoke cene najtačnijih sistema, uključujući opremu i godišnju pretplatu za korišćenje odabranog sistema, problem predstavljaju greške koje se pri pozicioniranju dešavaju.

Povećanje tačnosti i otklanjanje grešaka predmet je mnogih istraživanja i razvojnih aktivnosti. U nastavku je dat pregled tačnosti i grešaka koje uzrokuju probleme pri korišćenju GPS, zahtevi u pogledu tačnosti koji u poljoprivrednoj proizvodnji treba da se ispune, kao i perspektive budućeg razvoja.

* Mr Milan Gavrić, Naučni institut za ratarstvo i povrtarstvo, Novi Sad, gavric@ifvcns.ns.ac.yu ** Dr Milan Martinov, redovni profesor, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, mmartog@uns.ns.ac.yu

97

TAČNOST I GREŠKE Tačnost GPS prijemnika je vezana za:

• atomske satove na satelitima, • ”efemeris” – uticaj sunca i meseca na male promene u orbiti satelita, (koriguje

se slanjem korekcija sa 5 zemaljskih nadzornih stanica), • greške samog GPS prijemnika, • greške pri prolasku radio talasa kroz atmosferu i • greške višestruke putanje - odbijanje signala od velikog objekta u blizini

prijemnika. Izvori grešaka, kao i njihova veličina za sistetem GPS i dGPS navedeni su u tab. 1.

Tab. 1. Izvori grešaka kod Standardnog i Diferencijalnog GPS, (Upadhyaya et al, 2005) Tab. 1. Error sources and values for GPS and differential GPS, (Upadhyaya et al, 2005)

Izvor Source

Standardni GPS, [m] Regular GPS, [m]

Diferencijalni GPS, [m] Differential GPS, [m]

Satelitski sat Satellite clock

1- 1,5 0

Orbita satelita Satellite orbit

1 – 2,5 0

Šum GPS prijemnika GPS receiver noise

0,3 - 2 0,3 - 2

Atmosfera Atmosphere

5,5 – 11 0,6

Višestruka putanja Multiply path

0,5 – 0,6 0,5 – 0,6

Sateliti emituju signale na dve različite frekvencije L1=1575,42 MHz i L2=1227,60

MHz. Signal L1 sadrži Course / Acquisition (C/A) i Precision (P) kodove. Signal L2 sadrži samo P kod. Samo C/A kod signala L1 je dostupan za civilnu upotrebu i on je poznat kao Standard Positioning Service (SPS). Signali L1 i L2 su dostupni vojnim i ostalim autorizovanim korisnicima i obezbeđuju Precise Positioning Service (PPS).

Jedan način da se poboljša tačnost prijemnika jeste da se koristi diferencijalna korekcija, radi smanjenja efekta uticaja atmosfere i eliminisanja grešaka satelitskog sata i promena u orbitama satelita (dGPS – differential GPS). Ako se prijemnik postavi na referentnu tačku (čija je pozicija određena sa visokom tačnošću), tada je moguće izračunati grešku njegovog proračuna pozicije. Ova greška se šalje radi korekcije mobilnom prijemniku (prijemniku na terenu). Postoji više tehnika za obezbeđivanje signala diferencijalne korekcije:

Korekcija sa satelita – ovaj sistem koristi geostacionarni satelit i nekoliko zemaljskih stanica raspoređenih širom pokrivene oblasti. Primer ovog sistema je OmniSTAR. Ovaj sistem prima signale sa GPS satelita na preko 90 poznatih lokacija širom sveta. Na ovim lokacijama se računaju greške od svih vidljivih satelita i računaju korekcije. Trenutni prijem ovih proračunatih korekcija uklonio bi većinu grešaka za prijemnik na terenu. OmniSTAR koristi nekoliko komercijalnih geostacionarnih satelita širom sveta da bi isporučio ove

98

korekcije korisnicima. Podaci o korekciji su u standardnom formatu koji se zove RTCM-104 i kojeg prepoznaje velika većina GPS prijemnika. Svaki korisnik dobija optimalizovanu korekciju za sopstvenu lokaciju. Da bi korisnik primao OmniSTAR korekcije mora da plaća godišnju pretplatu. On obezbeđuje tačnost pozicioniranja na manje od 1 metra širom sveta.

WAAS (Wide Area Augmentation System) – ovaj sistem je vrlo sličan korekciji sa satelita. On se sastoji od 25 zemaljskih stanica raspoređenih širom SAD-a i geostacionarnih satelita. Iako ovaj sistem ima potencijal da bude tačan kao korekcija sa satelita, trenutno tačnost ovog sistema je dva do tri puta niža. Prednost ovog sistema je njegova besplatna upotreba i rasprostranjenost jeftinih GPS sistema razvijenih za preuzimanje WAAS diferencijalne korekcije.

EGNOS – predstavlja tri geostacionarna satelita i mrežu zemaljskih stanica. Napravljen je kao pandam američkom WAAS-u. Skraćenica je nastala od European Geostationary Navigation Overlay Service, i on je prvi evropski projekat vezan za navigaciju. Osnovna prednost ovog sistema je što je on besplatan. EGNOS zahvata praktično celu Evropu (osim krajnjih severnih krajeva). Većina jeftinih GPS prijemnika može da prima korekciju od EGNOS-a, zbog usklađenosti sa WAAS-om.

Dvofrekventni sistemi - ovi sistemi koriste diferencijalnu korekciju sa satelita. Druga frekvencija od geostacionarnog satelita može da poboljša tačnost sistema sa oko 75 na oko 25 cm i bolje. Primer dvofrekventnog GPS prijemnika je John Deere-ov StarFire sistem – WADGPS (Wide Area Diferential GPS). Ovaj sistem pored dvofrekventnog GPS prijemnika – koji mogu da se koriste i kao referentni i terenski prijemnici sadrži i Inmarsat L-band (1.525 – 1.565 MHz) - satelitski komunikacioni prijemnik za prijem diferencijalnog signala. Podaci o diferencijalnoj korekciji dobijaju se na osnovu StarFire zemaljskih referentnih stanica. Dvofrekventni GPS prijemnik je proizvod NavCom Technology Inc. - ogranka John Deere and Co.

Drugi prijemnik kao bazna stanica – prijemnici koji se koriste za bazne stanice trebalo bi da budu veće tačnosti od onih koji se koriste na terenu, te su često vrlo skupi. Zbog toga samo vrlo precizni sistemi, kao što je RTK GPS, koriste drugi prijemnik za lokalnu baznu stanicu.

Real-time kinematic (RTK) GPS – ovo je vrlo precizan GPS sistem, koji postiže santimetarsku tačnost. Ova tehnika uključuje merenje ugla faze nosećeg signala. Udaljenost prijemnika od satelita se izražava celim brojem perioda plus racionalni deo talasne dužine, izražen faznim uglom. RTK GPS zahteva lokalnu baznu stanicu u krugu od 5 km i najmanje 5 satelita da bi se dobila santimetarska tačnost. Postoji mogućnost pripremanja RTK GPS referentnog signala koristeći mrežu baznih stanica. U takvom slučaju korisnik ne mora da kupi drugi prijemnik za baznu stanicu, već može da se pretplati na referentni signal. Primer ovakve mreže je mreža referentnih stanica Vojvodine, koja je počela uvođenjem u rad u decembru 2003. godine i čiji završetak je puštanje u komercijalni rad 16. decembra 2005. godine servisa AGROS (Aktivna Geodetska Referentna Osnova Srbije), koji obuhvata teritoriju Vojvodine i uže Srbije. AGROS se sastoji od 31 permanentne stanice, komunikacionog segmenta i korisničkog segmenta. AGROS je ostvaren u saradnji sa Fakultetom tehničkih nauka iz Novog Sada, preciznije sa Centrom za geoinformacione tehnologije.

Trenutno AGROS nudi tri vrste servisa, tab. 2.

99

Tab. 2. AGROS servisi Tab. 2. AGROS services

Br. No

Servis Service

Tačnost, [m] Accuracy, [m]

Opis Description

1. AGROS RTK 0,02 – 0,03

Pozicioniranje primenom kinematičke metode

Positioning using kinematics method

2. AGROS DGPS 0,5 – 3,0

Pozicioniranje primenom diferencijalne metode

Positioning using differential method

3. AGROS PP 0,01 Pozicioniranje primenom statičke

metode Positioning using static method

POJMOVI TAČNOSTI U nastavku su navedeni najčešče korišćeni pojmovi tačnosti pozicioniranja. Tačnost GPS uređaja Potrebno je naglasiti da termin tačnost GPS uređaja predstavlja u stvari grešku merenja. Kružna ili sferna verovatnoća greške (Circular or spherical error probable – CEP, SEP) predstavlja prečnik kruga (sfere) koji obuhvata 50% merenja sa poznate lokacije tokom

određenog vremena, obično 24 sata. Koren srednjih vrednosti kvadrata greške - Root Mean Square (RMS) Error Na primer lokacija sa tačnim koordinatama (x0,y0) i n merenja sa rezultatima (x1,y1) (x2,y2) (x3,y3) .... (xn,yn), tada je:

[ ]n

yyxxyRMSaccurac

n

iii∑

=

−+−= 1

20

20 )()(

.

RMS tačnost je jednaka jednoj standardnoj devijaciji (1σ). Ona predstavlja krug koji sadrži približno 68% svih izmerenih vrednosti. Potrebno je naglasiti da RMS tačnost odgovara statičkim merenjima. Ipak, većina GPS uređaja ima bolju dinamičku tačnost, nego statičku. Dinamička tačnost predstavlja ponovljivost merenja u dinamičkim uslovima.

Koren srednjih vrednosti preciznosti – RMS Precision Za lokaciju sa tačnim koordinatama (x0, y0) i n merenja sa prosečnim rezultatima ( y,x ),

pri čemu je x prosečna vrednost svih izmerenih x pozicija, a y prosečna vrednost svih izmerenih z pozicija, tada je:

[ ]n

yyxxonRMSprecisi

n

iii∑

=

−+−= 1

22 )()(.

100

Dinamička preciznost je naročito važna za operacije sa paralelnim zahvatima, npr. statička tačnost nekog dvofrekventnog prijemnika može biti 25 cm, a njegova dinamička tačnost 10 cm.

Horizontalna i vertikalna tačnost Vidljivi sateliti su samo oni koji se nalaze iznad horizonta mobilnog prijemnika. Zbog

toga je horizontalna tačnost veća 1,5 do 2 puta od vertikalne tačnosti. Koordinatni sistemi GPS merenja se obično izražavaju u geodetskim koordinatama – geografska dužina,

geografska širina i geografska visina. Pri tome se koristi WGS 84 elipsoid sa NAD 83 datumom. Ovako dobijeni podaci moraju da se projektuju u dvodimenzionalni koordinatni sistem da bi se kreirale mape. Državni planovi i UTM (Universal Transferse Mercator) su najčešće korišćene 2-D projekcije.

GPS TAČNOSTI POTREBNE ZA POLJOPRIVREDNE OPERACIJE Osnovu precizne poljoprivrede predstavlja GPS tehnologija. Poljoprivredna proizvodnja

u većini slučajeva ne zahteva santimetarsku tačnost pozicioniranja. U zavisnosti od operacije koja se izvodi, zahtevana tačnost se kreće od desetak metara (prepoznavanje parcele, otvaranje pedoloških profila), pa do reda par santimetara za automatsko navođenje traktora pri setvi, kultivaciji, itd. Gruba podela zahteva poljoprivredne proizvodnje svodi se na:

Tab. 3. Tačnosti pozicioniranja koje su potrebne za pojedine operacije u poljoprivredi Tab. 3. Needed positioning accuracy for farming operations

Poljoprivredna operacija Farming operation

Potrebna tačnost, [m] Accuracy needed, [m]

Identifikacija parcele Plot identification

10-20

Praćenje prinosa Yield record

5-10

Primena tehnologije kontrolisane primene đubriva Fertilizer VRT – Variable Rate Technology 1-5

Uzimanje uzoraka zemljišta Soil sampling

1-3

Lociranje korova Weed record

1-3

Primena tehnologije kontrolisane primene pesticida Controlled biocides application

1-2

Navođenje za uklapanje prolaza Track guidance

0,51-1

Redno navođenje In row guidance

0,5-2 1 Već danas se prema podacima proizvođača opreme za pozicioniranje i navođenje

traktora i mašina postiže tačnost u realnom vremenu 0,2 m.

101

1. Ispitivanja zemljišta i identifikacija parcela, kao i praćenje prinosa - ne zahtevaju tačnost veću od nekoliko metara.

2. Za razliku od dosadašnje uniformne primene herbicida, đubrenja, itd. na površini cele parcele, GPS omogućava adekvatnu primenu na površini od 1 m2, tj. primenu tehnologije kontrolisane primene. Za ovakve primene tačnost od 1 m do nekoliko metara je dovoljna.

3. Navođenje i praćenje prohoda je najzahtevnija operacija sa stanovišta tačnosti. Za ovu operaciju je potrebna tačnost manja od jednog metra.

U tabeli 3 prikazane su tačnosti koje zahtevaju pojedine operacije u poljoprivredi.

PERSPEKTIVE RAZVOJA Stalnim razvojem odgovarajućih postupaka i opreme, pozicioniranje će naći široku

primenu u sačinjavanju dokumentacije o poljoprivrednim aktivnostima na državnom nivou: identifikaciji parcela, biljnih vrsta, prinosa, mašina, transportnih puteva i drugim.

U okviru zahteva Common Aagricultural Policy Evropske unije pozicioniranje bi trebalo da postane široko primenljiv alat i podrška za ostvarenje sledljivosti (traceability). Očekuje se razvoj novih mogućnosti primene, pri čemu bi uz podršku celom sistemu trebalo da se ostvari visok nivo automatizacije sačinjavanja dokumentacije.

Definisanje pozicija parcela, mašina, transporta i povezivanje s operacijama i biljnim vrstama će, razvojem odgovarajućih sistema, biti značajna podrška vođenju poslovne dokumentacije i podloga za menadžment. Tipičan primer mogla bi da bude organizacija transporta šećerne repe od prizme do prijemnog mesta u šećeranama, s optimalizacijom transportnih tokova i vremena čekanja na istovaru.

Pozicioniranje u poljoprivrednim operacijama dostiglo je nivo potpune primenljivosti u praksi. U budućnosti se očekuje pad cena opreme i pretplate. Takođe, uz razvoj primene elektronike na traktorima i priključcima, kao i sprovođenje razvijenih standarda za međusobna povezivanja njihovih kontrolno-upravljačkih sistema, ostvarili bi se preduslovi za potpunu primenu lokacijski specifične poljoprivredne proizvodnje – precizne poljoprivrede. Razvojem novih postupaka i sredstava za definisanje resursa i antiresursa, uz njihovo pozicioniranje, te mapiranje prinosa, takođe će biti stvoreni preduslovi za ostvarenje svrsishodne lokacijski specifične proizvodnje.

ZAKLJUČCI Relativna tačnost pozicioniranja, a ona je od značaja za primenu u poljoprivredi, koja se

ostvaruje pozicioniranjem primenom GPS i dodatnih uređaja, već sada je na nivou koji zadovoljava potrebe svih operacija. Primena nekih od sistema za pozicioniranje, posebno onih sa manjom relativnom tačnošću, već sada bi trebalo da bude ekonomična i kod nas, mada bi to trebalo potvrditi ispitivanjima. Korišćenje sistema sa višom relativnom tačnošću je još uvek skupo, što je posledica, pre svega, visokih ulaganja u razvoj, ali se na osnovu iskustava u drugim oblastima očekuje da u budućnosti cene budu niže.

Daljnji razvoj primene mašina i oruđa s elektronskom kontrolom i upravljanjem, kao i napredak u pozicioniranju, dovešće do ekonomične primene sistema za većinu operacija u poljoprivredi. U zemljama u razvoju pozicioniranje, uz pomoć GPS, takođe može da nađe primenu, a njegov poseban značaj biće za ostvarenje traceability (sledljivosti).

102

LITERATURA 1. Gavrić M, Sekulić P. 2004. Primena GIS-a i GPS-a u poljoprivredi. Zbornik radova

Naučnog instituta za ratarstvo i povrtarstvo, Novi Sad, (40), 171-178. 2. Rizos C. 2001. How can my position on the paddock help my future direction?

Geospatial Information & Agriculture Conference, Sydney, Australia, 16-19 July, CD-ROM proc, 557-572.

3. Sharpe T, Hatch R, Nelson F. 2005. John Deere’s StarFire System: WADGPS for Precision Agriculture. www.navcomtech.com/docs/StarFireSystem.pdf.

4. Sullivan M, Ehsani R, Walker J, Levison P, Lang L. 2001. Accuracy and Availability of WAAS for Precision Agriculture. ASAE Meeting Paper, No: 01-1155.

5. Upadhyaya S. K, Pettygrove G. S, Oliveira, J. W, Jahn B. R. 2005. An Introduction – Global Positioning System. calspace.ucdavis.edu/Docs/Intro-GPS-Final.pdf.

6. Anonim, 2004. GPS in precision agriculture. www.bae.ncsu.edu. 7. Anonim. 2005a. European Space Agency ESA, decembar 2005,

www.esa.int/esaNA/GGG63950NDC_index_0.html. 8. Anonim 2005b. Centar za geoinformacione tehnologije i sisteme - FTN Novi Sad,

Republički geodetski zavod - Republika Srbija. http://gpsweb.ns.ac.yu/. 9. Anonim. 2005c. Fugro, OmniSTAR. www.omnistar.com.

Primljeno: 10.01.2006. Prihvaćeno: 12.01.2006.