Technické prvky systému hospodaření

V posledních letech se začíná prosazovat trend hospodaření označovaný u nás jako precizní zemědělství. Jestliže standardní zemědělství považuje pole za homogenní prostředí, pak precizní zemědělství vychází z toho, že různé části jednoho pole mohou být rozdílné a tomu je třeba přizpůsobit i jejich obdělávání. Precizní zemědělství, označované někdy jako lokálně cílené hospodaření, znamená z technického hlediska aplikaci moderních informačních technologií v zemědělské výrobě.

Precizní zemědělství se začalo prosazovat počátkem 90. let minulého století a zpočátku byl očekáván jeho bouřlivý rozvoj. V současné době se zdá, že se tato očekávání zcela nenaplnila. Je to možná z toho důvodu, že počáteční optimistické prognózy nepočítaly s tím, jak velká heterogenita se může v rámci jednoho pozemku objevit. Nicméně aplikace precizního zemědělství určitě stále patří k jednoznačným trendům vývoje zemědělské výroby v rozvinutých zemích.

Civilní využití GPS

Myšlenka precizního zemědělství přitom není nikterak nová. Již staří hospodáři věděli, že některá místa jejich pozemků se chovají odlišně než jiná, někdy znali i příčiny, proč tomu tak je, a dokonce se tomu i přizpůsobovali. To však šlo pouze omezeně a ještě jen při hospodaření na malých pozemcích. Jak se výměra obdělávaných pozemků zvětšovala, bylo stále větším problémem se na jednotlivá odlišná místa v rámci jednoho pozemku vracet.
Tento problém byl ale vyřešen zavedením technologie GPS (Global Positioning System). Ta byla vyvinuta původně k vojenským účelům americkou armádou. Díky jejímu využití i v civilním sektoru je dnes možno s dobrou přesností zaměřit jednotlivé části pozemků a kdykoliv se k těmto místům vracet.
Systém GPS je založen na činnosti 27 satelitů, které krouží po orbitální dráze Země s velkou vzdáleností od jejího povrchu. Satelity nepřetržitě vysílají rádiový signál, který je možno přijímat speciálními pozemskými přijímači. Přijímač signálu GPS vyžaduje signály nejméně od čtyř satelitů, aby bylo možno určit jeho polohu kdekoliv na Zemi. Přesnost určování polohy je závislá mimo jiné i na okamžitých vlastnostech atmosféry. Z těchto důvodů zpravidla není pouhý příjem signálu GPS vhodný pro určování polohy v zemědělství.
Pro zpřesnění celého systému je třeba dodat ještě další signál o známé poloze jeho zdroje (diferenční signál). Tento signál může být přijímán z pozemní referenční stanice nebo z jiné, tzv. stacionární družice. Pozemní referenční stanice mají omezený dosah, ale poplatek za jejich používání bývá poměrně nízký. Naopak družicové referenční signály jsou k dispozici prakticky kdekoliv, ale poplatek za jejich příjem je vyšší. Jestliže se zároveň přijímá také signál diferenční, hovoří se o práci celého systému se signálem DGPS.
Přijímače systému DGPS mají přesnost určování polohy od 1 do 2 m v závislosti na zeměpisné poloze přijímače a jeho kvalitě (viz dále). Tato přesnost je vhodná pro určování polohy v zemědělství.

Satelitní navigace

Satelitní navigace není dosud v České republice na zemědělských strojích příliš rozšířená, ale podle trendu v tomto odvětví se dá očekávat její stále častější využívání. GPS je součástí Geografického informačního systému (GIS). V něm jsou všechny informace vztaženy k přesně definované poloze. V zemědělství se dnes používají ve formě map jednotlivých pozemků. První pokusy o družicové systémy se datují na konec 50. let minulého století u námořnictva USA. V době studené války bylo však jejich využití pouze v armádním sektoru. Na konci minulého století přišlo uvolnění těchto systémů i do oblasti civilní. S jejich rozvojem se začalo i více využívat těchto systémů pro sledování polohy a navigaci dopravních prostředků.
V současnosti je nejvyužívanějším systémem NAVSTAR-GPS (NAVigation System with Time And Ranging-Global Position System). Jedná se o družicový systém, který vlastní a provozuje americké ministerstvo obrany a ministerstvo dopravy. Obdobným systémem je GLONASS, kterým disponuje ruská armáda. Posledním systémem je projekt Evropské unie. Ten nese název GALILEO a jeho cílem je vytvoření systému nezávislého na americké a ruské armádě. Měl by začít fungovat v letošním roce.
NAVSTAR-GPS je družicový systém pro stanovení času a polohy na povrchu zemském a v přilehlém prostoru za jakéhokoliv počasí, s dostupností 24 hodiny denně. Tento systém byl postupně budován a v současné podobě je v činnosti od poloviny 90. let minulého století. Dnes je využíván armádou USA a armádami členských států NATO. Standardně je osazován do vojenských letadel, lodí, vozidel, raket s dlouhým doletem a v současné době je už dostatečný počet vojenských GPS přijímačů i pro pozemní vojsko. Systém byl ověřen při konfliktu v Perském zálivu v roce 1991 a následně bylo Kongresem Spojených států rozhodnuto, že s určitým omezením bude uvolněn pro bezplatné využití pro civilní účely. Omezením bylo zavedení tzv. selektivní dostupnosti (SA) pro záměrné zhoršení přesnosti signálu. Toto omezení však bylo 1. května 2000 zrušeno. Vesmírnou část systému tvoří 27 satelitů (z toho 3 záložní) rovnoměrně rozmístěných na šesti drahách vzájemně pootočených o 60 stupňů ve výšce 20 200 km nad povrchem. Doba oběhu je 11 hodin 58 minut. Družice vysílají signál ve dvou kmitočtech, který se skládá z několika složek: dvou pseudonáhodných kódů a navigační zprávy.
Navigační zpráva je nositelem důležité informace o poloze družice, jejím stavu apod. Frekvence signálu jsou odolné vůči počasí, naopak neprostoupí masou hmoty, jako je např. skála či beton. Řídicí část tvoří hlavní řídicí stanice a několik bezobslužných monitorovacích stanic rozmístěných po celém světě. Hlavní řídicí stanice je umístěna na americké letecké základně v Coloradu. Při každém průletu družic nad těmito stanicemi jsou vyhodnoceny parametry jejich drah a vypočteny korekce, které jsou vyslány zpět na dané družice a odtud do přijímače, kde dojde k aktualizaci uložených dat o družicích. Uživatelská část obsahuje přijímače signálu GPS, který vyhodnocuje časový signál z několika satelitů současně a umožňuje určit velmi přesnou pozici, kde se zařízení nachází.
Princip určení polohy je velmi jednoduchý. Naopak technická realizace je poměrně složitá. Systém GPS je pasivním dálkoměrným systémem, tzn. že GPS přístroj je pouze přijímač. Přístroj přijímá signál z jednotlivých družic, které „vidí“ na obloze spolu s navigační zprávou. Pro výpočet polohy stačí příjem signálu minimálně ze tří družic. V případě informace o výšce musí být příjem ze čtyř družic. Vzdálenosti mezi přijímačem GPS a viditelnými družicemi se určují na základě znalosti časů vyslání a příjmu signálu. Družice GPS proto musí být vybaveny přesnými atomovými hodinami, neboť chyba v řádu miliontiny vteřiny může způsobit stametrové odchylky. Přesnost systému zaručuje provozovatel. Obecně se udává, že by nemělo 95 % měření překročit odchylku 21 m v horizontální složce. Přesnější metodou určení GPS polohy je použití fázové složky GPS signálu, který je rovněž k dispozici. Na základě výpočtu fázového rozdílu v okamžiku vyslání a příjmu družicového signálu a znalosti přesných parametrů dráhy družice lze spočítat polohu uživatele s přesností na centimetry, případně i milimetry. Tato metoda měření je náročná na přístrojové vybavení, obsluhu a především čas. Je nutné provádět měření na obou frekvencích s dvěma a více přístroji současně vzdálenými od sebe maximálně několik desítek kilometrů. Zpočátku byla nutná pro zaměření bodu statická observace v délce mnoha desítek minut. Díky rozvoji metodiky a přístrojové technologie lze dnes pracovat s minutovými observacemi, případně i v reálném čase (Real Time Kinematic – RTK). Fázové GPS měření je dnes hojně využíváno v geodézii, především v oblasti budování a ověřování geodetických základů, stavební a inženýrské geodézii.

GLONASS

Struktura systému GLONASS (GLObal NAvigation Satelite System) je obdobná jako u předchozího systému a obsahuje:
– pozemní řídicí část,
– navigační vybavení uživatelů,
– vesmírné uspořádání družic systému.
Oficiálně byl systém uveden do operačního stavu 24. září 1993. Celkem je na oběžné dráze rozmístěno 24 družic, které jsou uspořádány ve třech orbitálních rovinách, vzájemně posunutých o 120°. Družice jsou na každé oběžné dráze rozmístěny rovnoměrně o 45°. Družice obíhají po kruhových oběžných drahách se sklonem 64,8 stupně ve výšce 19 100 km a s oběžnou dobou 11 hod. a 15 minut.
Takovéto uspořádání družic zajišťuje viditelnost minimálně pěti družic kdykoliv a kdekoliv na zemském povrchu. Hlavní řídicí centrum se nachází blízko Moskvy, ostatní řídicí a monitorovací stanice jsou umístěny v Ternopolu, St. Petersburgu, Jenisejsku, Komsomolsku na Amuru a Balkaši. Tyto stanice nepřetržitě monitorují signály všech viditelných družic, provádějí laserové měření vzdálenosti mezi stanicemi a družicemi a získaná data přenášejí do hlavního řídicího centra. Signály družic jsou vysílány na dvou nosných frekvencích, které se však (na rozdíl od systému GPS) pro každou družici mírně liší.
Evropský navigační satelitní systém by měl být uveden do provozu v roce 2008. Má být zcela nezávislý, ale současně také plně kompatibilní s americkým GPS a ruským systémem GLONASS. V praxi to znamená, že terminály pro zjišťování polohy na základě družic Galileo budou moci pracovat i s americkým nebo ruským signálem. Oba systémy jsou však financovány a řízeny armádou, což znamená, že jejich signály mohou být kdykoli přerušeny z důvodu jakýchkoliv národních zájmů. Projekt Galileo má umožnit EU být nezávislou.
Zvýšení přesnosti určování polohy v reálném čase se dosahuje použitím diferenčních metod měření. Differential Global Position System (DGPS) je metoda, která využívá při výpočtu polohy neznámého bodu korekce z permanentní (referenční) stanice nebo jiného referenčního systému. Zpřesnění určení polohy je možné dosáhnout korekcí polohových souřadnic nebo korekcí zdánlivých vzdáleností. Korekční signál může být vysílán z komerčních družic nebo pozemních vysílačů. Pokud dokáže spojení vysílač – přijímač zajistit rychlost přenosu korekcí alespoň 9,6 kb/s v reálném čase i na pohybující se objekt, označuje se jako Real Time Kinematics (RTK). K využívání DGPS je potřeba přijímač signálu DGPS a dekodér. Většina těchto přístrojů je externích, připojovaných k GPS přístroji, někdy bývají integrovány. Diferenční korekce může být do měření mobilní jednotky zaváděna v reálném čase nebo dodatečným zpracováním.
Pro určování polohy v reálném čase se používá metoda Real Time Kinematics (RTK). Z referenční aparatury umístěné v bodě o známých souřadnicích se pomocí rádiového spojení vysílají data do pohyblivé aparatury, kde se vyhodnocují. Prostorovou polohu získáváme v reálném čase při použití běžného radiomodemu do vzdálenosti přibližně 10 km. Přesnost určení polohy se pohybuje na úrovni 20 mm až 5 mm. Dosah metody závisí zejména na dosahu radiomodemu. Pro zvýšení dosahu se používá GSM síť nebo internet.

Aplikace v zemědělství

Asi nejdříve se objevila myšlenka spojit informace o poloze s informacemi o výnosu. Protože tato data se sledují zpravidla během sklizně, lze hovořit o údajích o okamžité poloze stroje a okamžitém výnosu sklízené plodiny. Spojením těchto dvou informací a jejich grafickým znázorněním lze získat tzv. výnosovou mapu daného pozemku.
Jako první se objevila možnost mapování výnosů u sklízecích mlátiček. V současném stadiu vývoje lze konstatovat, že již od roku 1993 jsou zemědělcům komerčně dostupné výnosové monitory, pracující na množství odlišných principů měření okamžitého výnosu. Všechny tyto výnosové monitory však jsou umístěny mezi výstupem vyčištěného zrna z čistidla sklízecí mlátičky a zásobníkem sklízecí mlátičky. Dají se rozdělit do dvou velkých skupin. Jedny měří objem vyčištěného zrna na jeho cestě do sklízecí mlátičky a druhé jeho hmotnost. Dalším strojem, kterému byla z hlediska mapování výnosů věnována značná pozornost, je sklízecí řezačka. I zde je dnes známo a vyzkoušeno několik funkčních systémů, v praxi však nejsou až do současné doby téměř používány. V případě sklizně pícnin žacími stroji nejsou metody určování okamžitého výnosu zdaleka tak propracované jako u předchozích strojů, nicméně i zde jsou poloprovozně testovány některé metody, které by mohly být nadějné. Jednoduchou metodou, kterou je také možno určit okamžitý výnos při pěstování pícnin, je použití taženého kyvadla. Používá se pro určování výnosu hmoty u obilnin a travin. Na základě údajů tohoto čidla je potom on-line ovládáno rozmetadlo průmyslových hnojiv. Okamžitou průchodnost sklízeného materiálu lze zjistit rovněž u sklízečů brambor a cukrové řepy.

Úspora nákladů na strojní práce

Ve výzkumu zaměřeném na precizní zemědělství je kladen velký důraz na redukci množství hnojiv a chemikálií, což vede ke snižování nákladů i ekologického zatěžování životního prostředí, ovšem existují i další faktory přispívající k celkové výši nákladů zemědělské produkce. Jedna z hlavních částí jsou náklady na strojní práce v zemědělství. V podmínkách vyspělého zemědělství přitom představují ceny strojní práce 35 až 50 % celkových fixních nákladů. Jestliže bude mechanizace využívána efektivněji, může to prvovýrobcům přinést podstatné úspory nákladů.
V posledních letech se začalo GPS využívat při navigaci pro navazování pracovních jízd při setí, hnojení, ochraně rostlin a dalších strojů. To umožňuje pracovat s těmito stroji i v noci či při špatných viditelných podmínkách. Družicové navádění pro navazování pracovních jízd při setí, hnojení a ochraně rostlin nahrazuje použití pěnových značkovačů, znamenáků nebo kolejových meziřádků. Samotný princip navigátorů od různých výrobců je velice podobný. Systém paralelních jízd bývá ve většině případů pouze dalším doplňkem satelitní navigace, která slouží k mapování pozemků, monitorování výnosů, variabilního hnojení atd.
Základem každého systému navigace pro manuální řízení je anténa, integrovaný GPS/DGPS přijímač, světelná lišta, popřípadě grafický LCD monitor. Automatizované navádění strojů navíc obsahuje snímače polohy, řídicí jednotku a další hydraulické prvky. Anténa se umisťuje na střechu stroje. Pomocí kabeláže je anténa propojena s integrovaným GPS/DGPS přijímačem. Přijímač je ve většině případů 12kanálový, což umožňuje sledovat až 12 družic najednou, a tím se zvýší přesnost jízd. Dále mohou být přijímače jedno nebo dvoufrekvenční. Obnovovací frekvence GPS se udává od 1 Hz (pro méně přesné zařízení) přes 5 Hz až po vyšší frekvenci 10 Hz. To znamená, že update signálu GPS nastane 1x, 5x nebo 10x za sekundu. Přesnost samozřejmě závisí na příjmu signálu, pro potřeby zemědělství se převážně používá signál DGPS a nově RTK, který je však omezen vzdáleností od monitorovací stanice. Přijímače signálu GPS/DGPS mohou být dále jednofrekvenční, dvoufrekvenční nebo fázové. Fázové přijímače nosných vln jsou určeny pro nejpřesnější měření, používají se pro příjem RTK signálu. Na počátku jakékoliv práce se nejprve navolí pracovní záběr stroje a zvolí se program navádění – jízdy po přímce, jízdy po křivce, jízdy v uzavřených cyklech atd. Určí se příjem signálu, umožňuje-li to anténa a přijímač, zda půjde o signál GPS, o diferenciální GPS nebo RTK. Pomocí satelitní navigace je pracovní souprava vedena ve zvolené stopě. Ta je definována při první jízdě, kdy se označí počáteční a koncový bod pracovní jízdy. Od ní se virtuálně vytvoří všechny možné rovnoběžné stopy na zemském povrchu. Pro následující jízdu si můžeme vybrat jakoukoliv rovnoběžnou dráhu, od první navolené, posunuté o násobek pracovního záběru. Od první navolené dráhy se ostatní číslují kladně a záporně, podle smyslu otáčení pracovní soupravy. Na pozemku je možné vyznačit možnou překážku, například větší kámen či sloup elektrického vedení a jiné. Při přerušení práce v důsledku vyprázdnění zásobníku na osivo, chemický postřik nebo na průmyslové hnojivo, či z jiného důvodu je možno si dané místo označit a po doplnění materiálu se pomocí navigátoru na toto místo vrátit. Navigátor současně měří rychlost stroje a také výměru pozemku. Další předností je to, že před příjezdem k souvrati se ozve akustický signál, což znamená, že není možné přejet pozemek. Celý systém je schopen pracovat v rozsahu pojezdové rychlosti od 0 do 38 km/h.
Počítač v řídicí jednotce uchovává data o průjezdu a tyto záznamy je možné využít při následujících operacích. Tzn. že při stejném záběru strojů může souprava pojíždět po stejných stopách. Také jsou tato data využitelná při lokálně diferencované aplikaci hnojiv nebo ochranných látek na jednom pozemku v průběhu několika let. Do paměti počítače je možné zadat několik typů nářadí i různé pozemky.

Rychlý vývoj systémů navigace

Vývoj systémů navigace pro navazování pracovních jízd se během posledních let velmi zrychlil. Nejdůležitějším faktorem je přesnost. Ta se postupně zvyšovala až ke dnešní výrobci udávané odchylce, která může být i menší než 5 cm v horizontální rovině.
Ve vývoji systémů navigace přispěli ke zvýšení přesnosti i výrobci naváděcích systémů. Ti uvedli na trh systémy s automatizovaným řízením pracovních souprav. Tím byl nahrazen systém se světelnou lištou a později i LCD monitorem, podle kterého řidič vede pracovní soupravu ve zvolené stopě. Novým prvkem se stal i systém upravující velikost pracovního záběru na svahu, tzv. kompenzátor nerovnosti terénu či svahové dostupnosti.
Dalším prvkem, který prošel určitým vývojem, je způsob vedení paralelních jízd. Zpočátku bylo možné vedení paralelních jízd pouze po přímkách. Dnes je umožněno navádění nejen po křivkách, ale i po uzavřených a jiných možných cyklech, včetně jízd se souvratí.
Rozšířily se i možnosti funkcí, jako je ukládání dat během vykonávané práce do paměti, spolupráce s výnosovými mapami, kdy se dají pomocí vhodných strojů variabilně aplikovat dávky hnojiv nebo postřiků.

Manuální navádění

Manuálním naváděním se rozumí řízení pracovní soupravy samotným člověkem – řidičem. Ten stroj navádí ve zvolené stopě pomocí monitoru nebo světelné lišty. Je možné mít světelnou lištu i mimo řídicí kabinu, na přední kapotáži, kde je také spolehlivý výhled jak na pozemek, tak i na světelnou lištu. Světelná lišta je vlastní panel, ve kterém jsou umístěny po celé jeho délce LED diody. LED diody se při vychýlení ze zadané stopy rozsvítí na pravé či levé straně panelu, což upozorní řidiče na změnu směru jízdy v daném směru. Čím větší je odchylka, tím více diod se rozsvítí, včetně signalizace odlišnými barevnými diodami. Novější typy již používají grafickou LCD obrazovku, která ulehčuje navigaci při otáčení na souvratích, při najíždění do další paralelní jízdy a při vedení jízd po křivkách. Na monitoru je znázorněna stopa, po které se má pracovní souprava navádět. Tento způsob vyobrazení je přehlednější a snazší pro včasné zareagování na možnou odchylku od správného směru jízdy. Kromě světelného upozornění mohou řidiče informovat také akustické signály.
Oba tyto způsoby informující řidiče o směru jízdy jsou v dnešní době velmi rozšířené mezi všemi výrobci navigátorů. Při manuálním navádění pracovních souprav je limitujícím prvkem v dosažené přesnosti obsluha.

Automatické systémy

Automatické naváděcí systémy se na českém trhu objevily počátkem roku 2002. Jsou to systémy, které dále rozšiřují navigátory řízené manuálně. Až na způsob řízení mají tyto navigátory stejné funkce jako navigátory pro manuální řízení. Nahrazují samotného řidiče během polních prací. Tyto navigátory mají vyšší požadavky na přijímaný diferenční signál.
Automatizace v řízení stroje spočívá v nahrazení řidiče jednotkou řízení, která pomocí polohových snímačů volantu, snímačů natočení kol, hydraulických prvků řízení a spínače aktivace automatického navádění řídí pracovní soupravu. Druhým způsobem automatického řízení je ovládání řídicího volantu díky elektromotoru k němu připojenému. Společné prvky s manuálním naváděním, anténa a přijímač DGPS zajišťují přesné snímání polohy. Při zjištěné odchylce od správné polohy posílá řídicí jednotka signál hydraulickým prvkům řízení, a ty vrátí pracovní soupravu do správné polohy. Úloha řidiče se tím pádem snižuje pouze na aktivaci systému a částečné navádění do následující jízdy. Navigátor se deaktivuje každým pohybem volantu. Tzn. že na konci každé jízdy při otočení pracovní soupravy na souvrati a najetí do další následující stopy stačí otočit volantem v určeném směru, čímž se navigátor vypne. Poté je stroj naveden k další jízdě minimálně pod úhlem 45 stupňů od určené jízdy a navigátor jednoduše pomocí spínače aktivujeme. Pracovní souprava se pak sama automaticky navede přesně do určené stopy a dále jede v námi daném směru.

Klíčové informace

- Zaměřením jednotlivých míst v rámci jednoho pozemku s odpovídající přesností a možností kdykoliv se k nim vracet vzniká obrovský potenciál ke shromažďování informací o tomto pozemku. 
- Pokud spojíme informaci o poloze s informacemi dalšími (o půdě, o výnosu, o sklonu pozemku atd.) v určitém čase a tato data sledujeme v průběhu několika let, lze určit, které faktory se navzájem ovlivňují a které nikoliv, a tomu přizpůsobit obdělávání pozemku.

Ing. Jiří Mašek, Ph.D
Ing. Milan Kroulík, Ph.D.
doc. Ing. Dr. František Kumhála
Česká zemědělská univerzita v Praze
Technická fakulta
katedra zemědělských strojů