Vorzüge und Schwachstellen von Lenksystemen in der Landwirtschaft

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1 Vorzüge und Schwachstellen von Lenksystemen in der Landwirtschaft Fachhochschule Kiel Fachbereich Agrarwirtschaft Professur für Agrartechnik

2 Anforderungen an die GPS-Technologie Anforderungen ökonomisch begründet Ziele: > exakt >> bedarfsgerecht >>> zeitnah real-time >>>> wiederholbar >>>>> nachvollziehbar Vermeidung von Mehraufwendungen bei der Arbeit Notwendiges Maß Gute fachliche Praxis Cross Compliance Funktionssicherheit

3 GPS Grundlagen Satelliten mit Atomuhr in geostationärer Umlaufbahn (Höhe km) senden kontinuierlich Signale (Datum, ID, Sendezeit, Position, Almanach ) - NAVSTAR (Navigational Satelite Timing and Ranging) mit 24 Sat. - GLONASS - Galileo (ab 2013) Positionsbestimmung durch Triangulation Empfänger benötigt 4 Satelliten-Signale, max. 12 Signale ( Kanäle ) gleichzeitig empfangbar Signale werden auf zwei Frequenzen ausgesendet L1- Frequenz für Coarse/Aquisition 1575,42 MHz (bis 30 cm) L2- Frequenz für Precision/Encrypted 1227,60 MHz (bis zu 2 cm) Einflussgrößen auf die Qualität - freie Sicht (Wald, hohe Gebäude, Tunnel) - ungünstige Satellitenkonstellationen (Richtung zum Empfänger) - Atmosphäre/Signalstärke - GPS-Empfänger (L1 + L2-Frequenz)

4 Höhere Genauigkeit - Korrektursignale Frequenz der Positionsermittelung (1,5,10,50 Hz) für dynamische Prozesse (Parallelführung / Navigation) + Odometrie-Daten (Fahrzeugdaten wie z.b. Geschwindigkeit, Schlupf, Neigung) DGPS-Systeme: terrestrisch (UKW,LW) - Küstenfunk (beacon) - Referenzstation am Feld - GSM satellitengestützt - Omnistar - Starfire (John Deere) - EGNOS (ESA) - WAAS (nur in Nord-Amerika!) (ESA, 2005)

5 GPS-Technik Korrektursignale aktueller Stand 2008 Absolute Genauigkeit Nähe zur wahren Position (statische Tests über 24 h) Relative dynamische Genauigkeit Spur zu Spur -Genauigkeit (Bezugszeitraum min) RTK (2cm) Omnistar HP/ JD Starfire 2 (5-19 cm) DGPS (Küstenfunk/ EGNOS) (0,2-1m) Einmalinvestition Autonomes GPS (bis 15m) horizontale Absolutgenauigkeit (95% der Zeit) jährliche Lizenzgebühr kostenfrei (n. Geo-Konzept GmbH, 2008)

6 Spurfindung mit landwirtschaftlichen Maschinen tracking Spurfindung hochgenaues GPS: - RTK, - JD Starfire 2, - Omnistar-HP manuell automatisch Lenk-Assistenzsysteme Automatische Lenksysteme Autopiloten (Fotos: Trimble, 2007)

7 Vergleich Spur zu Spur Genauigkeit verschiedener Systeme eines Herstellers 25 Herstellerangaben (RKL, 2007) Messergebnisse (tatsächlich) 20 Genauigkeit in [cm] manuelles System Assistenz System Automatisches Lensystem Automatisches Lenksystem mit RTK

8 Parallel-Fahrsysteme bei der Bodenbearbeitung Vergleich Stundenleistung Manuell gegen PSO ha/h mit Parallelführung manuell mit PSO gefahrene Leistung effektive Leistung effektive Leistung steigt um ca. 0,5 ha/h Leistungssteigerung um ca. 8 % ohne Parallelführung 8 AgriCon / KSG-Kassow GmbH, Kassow (Mecklenburg-Vorpommern)

9 Aussaat / Anlage der Fahrgassen Fahrgassenfehler zwischen 3 und 7 % (preagro, 2002 und Danish Institute of Agricultural Sciences, 2003) 7 % bei 16 m AB => 1,12 m 7 % bei 24 m AB => 1,68 m 7 % bei 32 m AB => 2,24 m 9

10 Parallel-Fahrsysteme bei der Ernte Maschinenpotenziale nutzen Schneidwerksbreite vollständig ausnutzen Anschnitt und Aufteilung Konzentration des Fahrers Auslastung der Maschine 1 km/h schneller = % mehr Flächenleistung (Feiffer, 2004) Sensoren (z.b. Laserpilot) 10

11 Nutzen Reduzierung der Überlappung (Doppelbearbeitung) Grubbereinsatz (5 m Arbeitsbreite, Nettofläche 500 ha) ohne Lenkhilfe manuelle Lenkhilfe automatisches Lenksystem automatisches Lenksystem + RTK Überlappung [%] 8 4,4 0,96 0,24 Überlappung [m] (Mittelwert aller getesteten Geräte) 0,4 0,22 0,048 0,012 ges. Fläche durch Überlappung [ha] ,8 501,2 Pflanzenschutz & Düngung (24 m Arbeitsbreite, Nettofläche 500 ha) ohne Lenkhilfe manuelle Lenkhilfe automatisches Lenksystem automatisches Lenksystem + RTK Überlappung [%] 4,20 0,92 0,20 0,05 Überlappung [m] (Mittelwert aller getesteten Geräte) ges. Fläche durch Überlappung [ha] 1,00 0,22 0,048 0, , ,25 Zusatznutzen: - Ernte (Beete anschneiden); - Fahrgassen speichern (Dauerfahrgassen)

12 Zwischenfazit Nutzen der Parallel-Fahrsysteme - Parallelführung unabhängig von Sichtbedingungen (Dunkelheit, Staub) - Überlappungen oder Fehlstellen werden vermindert (Effizienz, Produktivität) - Dauerfahrgassen ( Controlled Traffic ) - Verlängerung der Einsatzzeit (Zeitfenster/Arbeitsspitzen) - Entlastung des Fahrers Arbeitsqualität steigt Ausblick - Zahl der Parallelführungen in der Praxis nimmt weiter zu - Zahl der Anbieter nimmt zu - Systeme werden besser und kostengünstiger (Galileo/Glonass) - Korrektursignal-Netzwerke (RTK-Netzwerke)

13 Einsparpotentiale durch automatische Lenksysteme Streuereinsatz Düngemittel Spritzeneinsatz PSM Grubbereinsatz Einsparung [ ] Fahrgassenbasierte Maßnahmen bringen die größten Effekte ha 300 ha 500 ha 1000 ha Grubber: 25 /ha; PSM: 160 /ha, Ma.-Kost. 7 /ha Einsatzfläche * 5 ÜF; Dünger: 115 /ha, Ma.-Kost. 3 /ha * 4 ÜF (RKL Schrift 4.1.0, S bis 1224)

14 Flächendeckende RTK-Korrekturdaten Datenfunk geringe Reichweite um eine Basis-Station (5 bis 20 km) viele Stationen oder mobile Stationen Vernetzung möglich/nötig Bundesnetzagentur Küstennähe/Nachbarländer Sendeleistung GSM/GPRS (Mobilfunk) nahezu flächendeckend verfügbar Vernetzung nötig VBS (Virtual Base Station) möglich weniger Basis-Stationen erforderlich Überlappung 10 bis 40 %

15 Möglichkeiten eines RTK-Netzwerkes RTK-Stationen sind ständig mit einem Server vernetzt Fahrzeug/Nutzer meldet sich mit aktueller Position im Netzwerk an bekommt eine für den aktuellen Standort berechnete GPS- Korrektur von den umliegenden RTK-Stationen zurück mit wenigen Stationen hohe Flächenabdeckung Kosten für die Dauer der Anmeldung

16 Kosten verschiedener Lenk-Systeme (Datenbasis 2009) Investitionskosten Assistenz System Automatisches Lenksystem Automatisches Lenksystem mit RTK Automatisches Lenksystem im RTK-Netzwerk Listenpreis [ ] RTK Station [ ] Summe Investitionskosten [ ] jährliche Kosten Afa 5 Jahre [ ] Zinsansatz 6% [ ] Reparaturkosten 5% [ ] jährliche Lizenzgebühr für Satellitenkorrektur [ ] Summe Kosten/Jahr [ ] Vermessungsnetzwerke: Ascos PED Flatrate 2200 bis 2800 /Jahr Trimble VRS Now 3000 /Jahr

17 Zusammenfassung Betriebsmitteleinsparungen und damit Effizienzverbesserungen sind möglich Flächendeckende Korrekturdaten sind interessant für: - Kleine und große Betriebe - Betriebe mit großer Hof-Feld Entfernung - Lohnunternehmen Herstellerübergreifende Lösungen und Erprobungen sind nötig Vernetzungen von existierenden RTK-Stationen bietet Chance zur Kostensenkung Minutengenaue Abrechnung ist für landwirtschaftliche Anwendungen nötig

18 Anwendungsbeispiele 18