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Noviembre 2017 | Agtech

Su uso en Agricultura de Precisión

Los fundamentos de la geolocalización y navegación

Se dice que el GPS gatilló la Agricultura de Precisión (AP), permitiendo que se generaran los primeros mapas de rendimiento. Esto puede que sea preciso o no, pero lo que es cierto es que los sistemas de geoposicionamiento global han potenciado la AP, ofreciendo hoy muchas aplicaciones muy rentables en manos de los agricultores, investigadores y otros miembros del sistema agrícola. Desde los primeros receptores de GPS (utilizados cerca de 1976) a los actuales sistemas de navegación satelital han pasado solo cuarenta años. En este período, los fabricantes han reducido los tamaños de los receptores en varias miles de veces, han bajado sus costos y excedido sus capacidades más allá de la imaginación. El artículo descubre cómo aprovechar las ventajas de los sistemas de posicionamiento y navegación en el marco de la AP.

Figura 1. Uno de los primeros receptores de GPS militares utilizado como un modelo general de desarrollo fabricado por Rockwell Collins cerca de 1977 (izquierda, adaptado de GPSWorld). Una unidad de GPS Magnavox mapck de 25x45x15 cm y más de 11 kilos aparece en el primer catálogo de un receptor de GPS a mediados de los 70s (centro, adaptado de GPSWorld). Un receptor completo de GNSS (incluye la antena) lanzado en el 2012. Mide 16x16x6.8 mm y pesa 6 gramos ( derecha, adaptado de Globaltop Technology Inc.).

El sistema de posicionamiento más común en occidente es el GPS. Sin embargo, hay otros tres sistemas globales actualmente disponibles: el ruso GLONASS, el chino BeiDou y el recientemente activado sistema europeo GALILEO (en operación desde el 15 de diciembre de 2016).Por lo tanto, usar el término GPS implica descartar los otros tres. El término genérico es GNSS (Global Navigation Satellite System) y debe ser usado para referirse a los receptores en general o a receptores que operan con más de un sistema. Los receptores modernos y precisos son hardware listos para recibir señales de más de un GNSS, ya que a medida que hay más satélites disponibles, se hace más preciso el posicionamiento. En la figura 1 mostramos uno de los primeros receptores de GPS militares usado para evaluar el sistema y validar otros equipos (como la unidad portátil en el centro). En la derecha, mostramos un receptor de GNSS miniatura (16x16x6.8 mm, antena incluida) que puede recibir señales de radio desde satélites de las constelaciones GPS, GLONASS, GALILEO y BeiDou.

Figura 2 Aplicaciones de GNSS en agricultura (adaptado de Auernhammer, H., 2001. Precision farming – the environmental challenge. Computers and Electronics in Agriculture 30, 31-43).

¿CUÁNDO SE USA GNSS?

Los sistemas satelitales de navegación global consisten en tres subsistemas llamados segmentos: 1) el segmento espacial; 2) el segmento control y 3) el segmento usuario. El segmento espacial incluye la constelación de satélites orbitando el globo (de ahí viene la palabra global). El número de planos orbitales y de satélites y su altura es ligeramente diferente para cada uno de los cuatro GNSS. El segmento de control incluye todos los elementos basados en el suelo para monitorear y controlar el segmento espacial. Finalmente, hay un segmento usuario, que incluye los receptores, las antenas y sus aplicaciones. Los receptores de GNSS se utilizan en la primera etapa del ciclo de la PA, la adquisición de datos, para documentar observaciones con las coordenadas de posición.También se usan en la última etapa del ciclo: Actuación en el campo, ya sea para documentar la actuación de las maquinas como para objetivos de manejo sitio-específicos. Pero también la información georreferenciada se usa en la segunda etapa (Extracción de Información) y en la tercera etapa (Toma de Decisiones). Adicionalmente a documentar la geolocalización de datos, maquinaria u operaciones, los sistemas de posicionamiento en conjunto con aplicaciones de software permiten que se implemente la navegación. La navegación se usa para desplazar maquinaria dentro del campo siguiendo una ruta específica, para toma de muestras y para manejo sitio-específico. En conclusión, los receptores de GNSS son soluciones basadas en tecnología que ayudan a entender la variabilidad espacial de la información agronómica, tomar mejores decisiones agronómicas y ponerlas en práctica basados en información sitio específica.

DETERMINANDO LA POSICIÓN DE UN RECEPTOR

Para explicarlo de forma simple, los satélites emiten señales de radio con información adentro. Parte de la información emitida es la locación exacta de cada satélite en un sistema de referencia geocéntrico y es decodificada por un receptor. Adicionalmente, aquellas señales de radio también son usadas para determinar la distancia del receptor a cada uno de los satélites. Sin entrar en datalles, el tiempo y los relojes en los satélites y en los receptores son elementos claves para estimar los denominados pseudo-rangos (distancia entre el receptor y el satélite, incluyendo errores). Una vez que se conoce la posición de cada satélite y la distancia al receptor, se aplica un proceso denominado trilateración 3D. Si un satélite A está ubicado en el espacio a (XA,YA,ZA) y la distancia al receptor es RA, entonces el receptor solo puede estar localizado en una esfera SA de radio RA centrado en la locación satelital (XA,YA,ZA). La intersección de la esfera SA con la Tierra como un círculo significa que el receptor solo puede estar localizado en cualquier lugar del círculo en la superficie de la Tierra. Si también se rastrea un Satélite B, la intersección de la esfera SB con SA y la Tierra resulta en que hay solo dos posibles locaciones del receptor. Y una tercera esfera, SC, obtendrá como resultado una única solución para la localización del receptor.Idealmente (sin considerar errores en las estimaciones de distancia) se requieren de solo tres satélites para determinar 3 coordenadas desconocidas de la posición de un receptor en la Tierra (XR,YR,ZR) ya que cada satélite provee al receptor con una ecuación para resolver el problema. Sin embargo, en la situación real hay un cuarto enigma que es la diferencia de tiempo entre el GNSS (como un sistema) y el receptor. Esto significa que una cuarta ecuación, provista por un cuarto satélite, se requiere para determinar las tres coordenadas. Pese a ello, cuando se tienen solo tres satélites disponibles siempre existe la posibilidad de obtener una posición 2D para el receptor (XR,YR).

ALGUNOS ERRORES QUE AFECTAN LA PRECISIÓN

La trilateración se basa en el conocimiento preciso de la posición actual de los satélites y de la distancia entre ellos y el receptor, que se estima utilizando el tiempo preciso. Por lo tanto, tres grupos de errores pueden afectar la exactitud de la estimación de la posición. 1) Errores en la posición y en los relojes de los satélites, 2) Errores en la propagación de la señal de radio desde los satélites al receptor y 3) Errores en los relojes y en los cálculos de los receptores.Algunos de estos errores pueden ser corregidos y otros no. Uno de esos errores es el efecto de la ionósfera en la propagación de las señales de radio, que no puede ser corregido. El contenido total de electrones en la ionósfera retrasa las señales según sus frecuencias. Los receptores de frecuencia dual están listos para recibir dos de las varias señales de radio que emiten los satélites y al comparar el retraso entre las dos señales son capaces de estimar el error de la ionósfera en la estimación de distancia. Es por esta razón que los receptores de frecuencia dual son mucho más precisos que los de una sola frecuencia, ya que estos usan un modelo para corregir el efecto ionosférico. Otro error tiene que ver con la posición relativa de los satélites rastreados en el cielo, la llamada dilución de precisión (DOP). Mientras más cerca estén los satélites entre sí, mayor es la dilución de precisión y por lo tanto, el error. Al utilizar receptores que son sensibles a más de una constelación de GNSS, habrán más satélites disponibles para elegir la configuración, minimizando de esta forma la DOP.

El error de receptores solos (stand alone, sin correciones externas) es de varios metros (algunos más en elevación), es por eso que los sistemas de corrección son necesarios para reducir el error a solo centímetros. Como una curiosidad, el tiempo captado por los receptores de los satélites es una de las medidas del tiempo más precisas disponibles para el público general y se utiliza para la sincronización de relojes y sensores en muchas aplicaciones profesionales.

Tabla 1. Exactitud recomendada para varias operaciones agrícolas.

LA PRECISIÓN REQUERIDA: DE 5 CM A 20 M, DEPENDIENDO DE LA OPERACIÓN

En primer lugar, es importante clarificar los términos exactitud y precisión. Cuando se trabaja con sensores, exactitud es la cualidad del sensor de proveer lecturas cercanas a los valores reales. En los receptores de GNSS se debe distinguir entre la exactitud relativa y la exactitud absoluta. La exactitud relativa es la habilidad del receptor de proveer posiciones exactas del mismo punto con un bajo intervalo de tiempo (por ejemplo, entre dos pasadas del tractor). También es conocida como exactitud de corto tiempo o de paso a paso. La exactitud absoluta es la habilidad del receptor de proveer posiciones exactas del mismo punto con intervalos largos de tiempo (ejemplo: semanas, meses o años). También se conoce como exactitud año a año o de largo plazo. Cuando las lecturas se toman con pocos minutos de diferencia, los satélites utilizados y las condiciones atmosféricas serán muy similares y también serán similares los errores en la estimación de la posición. Cuando las lecturas se toman en diferentes momentos, ni los satélites ni la atmósfera serán similares y los errores serán mayores si no son corregidos. Los valores de exactitud relativa son mejores que los de exactitud absoluta y muchas veces son confundido en los catálogos. Precisión es un término relacionado con la capacidad de un sensor de ofrecer lecturas una cerca de la otra, cuando los parámetros bajo medición permanecen constantes. Por lo tanto, lo que uno debe esperar de un receptor de GNSS es alta exactitud (locación estimada cercana a la locación real) y buena precisión (la dispersión y variabilidad de la estimación de locación lo más baja posible). Pero esto es imposible de lograr con sistemas de receptores solos (‘stand alone’) y es por eso que se requieren de sistemas de corrección o aumentación para mejorar el desempeño de los receptores.Pero, ¿cual es la exactitud que se requiere? ¿Es suficiente una exactitud bajo 1 metro?, ¿O necesitamos errores de solo centímetros? La respuesta es…depende. Depende de lo que queramos hacer y, por supuesto, del presupuesto. En la Tabla 1 hay una lista no exhaustiva de labores agrícolas y la exactitud requerida. Esta información la hemos obtenido de publicaciones científicas y profesionales.

SISTEMAS DE AUMENTACIÓN

Para llegar a esos niveles de exactitud se necesitan sistemas externos a los receptores y el GNSS. Se llaman sistemas de aumentación y pueden ser clasificados en dos grupos: sistemas de aumentación basados en satélites (SBAS) y sistemas de aumentación ubicados en tierra (GBAS). El concepto es similar en ambos grupos, ya que se basan en el uso de una antena fija ubicada en un lugar conocido con exactitud para determinar los errores en las estimaciones de posición. La antena recibe las señales de radio desde los satélites y el receptor determina su locación de la misma manera que un receptor convencional lo haría. La diferencia es que la locación determinada usando los satélites luego se compara con la exacta locación de la antena de manera que se puede calcular el error absoluto para cada estimación. Ese error se usa para crear un mensaje de corrección y se manda al receptor cuya posición requiere ser corregida (llamado rover). Cuando se usa el sistema americando, se dice que la locación correcta se determina por diferencia GPS o DGPS. Mientras más cerca en el espacio y el tiempo estén la antena fija y el rover la corrección será más exacta, ya que las condiciones atomosféricas y de los satélites serán similares. En condiciones reales, los sistemas de aumentación usan una red de antenas fijas para ofrecer mensajes de corrección generales o específicos dentro de un territorio. En SBAS, los mensajes de corrección se suben a satélites específicos para difundirlos a los receptores en su área de influencia. En GBAS los mensajes de corrección son difundidos por redes de comunicación terrestre como estaciones de radio, internet, comunicaciones de datos móviles (GPRS) y Wi-Fi. En ambos grupos hay soluciones públicas y privadas. EGNOS y WAAS son sistemas públicos de SBAS para Europa y Norteamérica, respectivamente. Su exactitud absoluta (año a año) es de menos de 1m, mientras que su exactitud relativa es menos de 50 cm.Para aprovechar los SBAS, los receptores deben poder recibir una señal adicional de radio desde los satélites SBAS que contienen mensajes de corrección. Existen sistemas SBAS privados que pueden otorgar precisiones bajo un decímetro (ejemplo: Los productos de Omnistar o Atlas para Hemisphere). Los GBAS pueden ofrecer exactitudes de menos de 5cm cuando se crean estaciones virtuales para entregar a los usuarios correcciones personalizadas una vez que se conoce la posición estimada (rough position) del receptor. Para estos propósitos, los receptores deben incluir módems de radio, módems móviles de GPRS o conexión Wi-Fi para comunicarse con un servidor que ofrece mensajes de corrección.La solución actual más precisa es la llamada RTK (real-time kinematics) GNSS. Este sistema es el equivalente a un GBAS con la singularidad que el usuario tiene dos receptores. Uno se usa como una base fija estacionada en coordenadas conocidas y el otro se usa como un rover.

Tabla 2. Exactitud de un receptor de GNSS según las especificaciones y el sistema de aumentación.

Los dos receptores se conectan a través de un enlace de radio. La estación base produce y envía mensajes de corrección al rover para obtener una exactitud de 2 cm ya que los satélites usado y la atmósfera son exactamente iguales en ambos receptores y los mensajes de corrección prácticamente corrigen todos los errores. Para concluir, exactitud y precisión en receptores se resumen en la Tabla 2.

GNSS USADOS EN AGRICULTURA: FUNDAMENTALES PARA ADQUIRIR DATOS

Los datos de los GNSS tienen un rol muy importante y diverso en la Agricultura de Precisión (Figura 2). En la Agricultura de Precisión basada en mapas, los mapas son creados para mostrar y analizar la variabilidad espacial y temporal de las variables agronómicas. En esa etapa del ciclo de la Agricultura de Precisión, las aplicaciones de GNSS se relacionan con la adquisición de datos. Los receptores son usados para georreferenciar la data recolectada desde el cultivo o el suelo dentro de un predio.La georreferenciación es el proceso de documentar data agronómica con sus coordenadas de posición. Esta data puede venir de una inspección del campo para analizar el desempeño del cultivo o de plagas y enfermedades, de muestras de planta y suelo o de las lecturas de los sensores. La locación de esta información ayudará a crear registros para el agricultor y para luego enviarlos al asesore (o viceversa).

Adicionalmente, cuando la data es recolectada con suficiente resolución espacial, puede ser usada para crear mapas de la distribución espacial de los parámetros agronómicos. La resolución espacial requerida depende del tamaño del campo o de la variabilidad del parámetro examinado y puede variar de una muestra por hectárea en un mapa de suelos hasta cientos de lecturas por hectárea en el caso de sensores electrónicos en movimiento.También la recolección de datos puede ser programadadesde la oficina (muestreo específico) de manera que los receptores luego son usados para navegar los sitios específicos para medir cultivos o el suelo. Este es el caso de los drones tomando fotografías de los cultivos siguiendo un plan de vuelo predeterminado.También se puede recolectar data adicional desde la propia maquinaria agrícola. Los tractores vienen equipados con decenas de sensores. Cuando se conectan para posicionar la información de los receptores GNSS, es posible localizar todos los tractores en un campo, conocer sus parámetros de trabajo en tiempo real (telemetría) y subsecuentemente analizar su desempeño durante operaciones agrícolas específicas.De manera similar, se pueden incorporar equipos modernos con sensores que en conjunto con los receptores se pueden usar para extraer información del desempeño de las operaciones agrícolas (ejemplo: aplicaciones de fertilizantes, pesticidas, herbicidas o riego). La información generada se puede desplegar luego en los mapas de aplicación, una herramienta muy útil para los procesos de documentación y trazabilidad. Esto se puede hacer tanto en Agricultura de Precisión basada en mapas como en Agricultura de Precisión basa en sensores en tiempo real.

Glosario

– GNSS significa sistema global de navegación satelital y es el término genérico para referirse a cualquiera de los cuatro sistemas disponibles en el mundo: el americano GPS, el ruso GLONASS, el europeo GALILEO y el chino BeiDou.

– Georreferenciar es fusionar las coordinadas de posición con otras piezas de información recolectadas de forma manual o electrónica (ejemplos, muestras de suelo, rendimiento, etc.

– SBAS significa sistemas de aumentación basados en satélites, donde los mensajes de corrección son emitidos desde los satélites a las áreas de servicio.

– GBAS significa sistemas de aumentación basados en tierra, donde los mensajes de corrección son emitidos usando las redes de comunicación terrestres.

– DGPS significa GPS diferencial y es usado cuando los receptores o la información de locación se basan en SBAS o GBAS.

– RTK significa real-time kinematics y es el sistema más exacto en uso en la agricultura. El sistema está compuesto de dos receptores de frecuencia dual. Un receptor actúa en base a una estación de referencia y el otro actúa como un rover. La estación base produce mensajes de corrección y los manda al rover a través de una conexión de radio.

– Almanac y Ephemeris son carpetas de datos emitidas por los satélites GNSS que contienen varias piezas de información. Las más importantes son la posición actual del satélite en el espacio para que el receptor pueda resolver el sistema de ecuaciones y calcular su posición.

– EGNOS (European geostationary navigation overlay system) es un SBAS gratis en uso en Europa.

– WASS significa sistema de aumentación de grandes áreas y es un SBAS gratis disponible en Norteamérica.

PERO TAMBIÉN PUEDEN SER USADOS PARA ACTUAR EN EL CAMPO

Después de la segunda etapa (2. Extracción de información) y la tercera etapa (3. Toma de decisión) del ciclo de PA basada en mapas es tiempo de trabajar en el campo (4. Actuación en el campo).Los receptores de GNSS y los controladores son incorporados en la maquinaria agrícola para conocer su posición y 1) ajustar los equipos para manejo sitio-específico o 2) para navegar hacia locaciones específicas.Para el primero, se necesita cargar en el controlador mapas de prescripción. Los receptores de GNSS y los controladores en conjunto coordinan las acciones que deben ser realizadas en locaciones específicas dentro del campo (manejo sitio-específico).

Cuando las posiciones captadas por un receptor son representadas en el mapa, el controlador recibe la acción correspondiente. Cuando se cargan mapas de riesgos, las acciones sitio-específicas pueden que sean un comando de no ejecutar acciones (ejemplo, No aplicar fertilizante o pesticidas en una zona específica para proteger los recursos hídricos).Otro tipo de producto basado en GNSS es lo que se conoce como swath control ( control de secciones). Cuando se implementa en aplicadores de fertilizantes, fumigadoras o máquinas de aradura, el controlador registra las áreas en el campo donde los insumos agrícolas ya se han aplicado, con ayuda del receptor.

Si el equipo pasa por sobre un área donde ya se ha aplicado un insumo en la dosis requerida, el controlador impide que se aplique una segunda dosis apagando los emisores correspondientes o ajustando el ancho de trabajo. Esta solución minimiza la aplicación redundante de insumos, optimizando la eficiencia de la operación y resguardando el medioambiente. Cuando se usa con objetivos de navegación, los receptores trabajan de forma cooperativa con los controladores a bordo para ya sea entregar directrices visuales al chofer o para conducir autónomamente el tractor o cualquier equipo. La navegación para la guía de vehículos es útil para controlar el tráfico en los campos y para seguir rutas predeterminadas para distribuir con precisión los insumos en el campo o para cosechar con precisión. El posicionamiento y la navegación también son muy importantes en robots, que son una gran alternativa para la agricultura de precisión del futuro cercano.

UNA SERIE DE BENEFICIOS ADICIONALES

Adicionalmente a las aplicaciones descritas de GNSS en agricultura de precisión, la guía de vehículos con data GNSS permite a los trabajadores operar de noche o con condiciones de baja visibilidad. En el caso de los tractores completamente automatizados o equipos auto-guiados, el operador se libera de conducir el vehículo y se puede concentrar en la calidad de la operación agrícola. Adicionalmente, si existe conexión a internet, el conductor puede gestionar en campo mientras se sienta en la cabina de la máquina, transformándola en una especie de oficina móvil.

*El Grupo de Investigación de AgroICT & Agricultura de Precisión (GRAP) de la Universidad de Lleida Agrotecnio Center en Cataluña, España, preparó este artículo para NewAg International, revista asociada de Redagrícola.

www.newaginternational.com