基于地基北斗/GPS雙模測站測量土壤濕度的方法技術

本發明專利技術提供一種地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度測量方法，包括：在單天線模式下利用地基測站右旋圓極化天線采集原始觀測數據；將采集的原始觀測數據格式轉換為標準的RINEX格式文件；根據RINEX文件獲得信噪比(Signal?to?Noise,SNR)數據，生成SNR文件；以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位；對初始SNR干涉測量相位再處理，得到精確相位值；對精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合，確定估算土壤濕度的SNR最適宜頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤濕度經驗模型；采集預定時段的觀測數據，并引入所述裸土土壤濕度經驗模型，得到預定時段的土壤濕度。本發明專利技術提供的土壤濕度的測量方法具有普適性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種土壤濕度的測量方法，尤其涉及一種單天線模式下基于地基北斗/GPS雙模測站的土壤濕度測量方法。
技術介紹
全國范圍內存在大量用于氣象探測、形變監測、地震監測、CORS基準站等地基全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)測站，包括北斗、GPS、北斗/GPS雙模等多種類型。這些測站目前主要用于定位、變形監測、大氣水汽探測、地震電離層探測等。全球四大導航系統，即美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo，不僅能夠為空間信息用戶提供全球共享的導航定位信息，還可提供全球覆蓋、高時間分辨率的L波段(1～2GHz)微波信號用于遙感探測。繼GNSS折射信號用于大氣探測以來，利用GNSS反射信號進行海表、陸表參數(海面高度/風場、土壤水分、雪深等)估算，即將定位領域的“多路徑誤差”變廢為寶，近年來成為被廣泛關注的國際前沿熱點。目前各類地基、機載甚至星載觀測試驗已在蓬勃開展，各國均在大力推動其應用。作為導航領域的后起之秀，北斗系統近年來發展迅速，截至2016年6月正式系統已發射23顆衛星，至2020年底，將實現35顆衛星組網的全球無源定位，北斗微波信號源無疑會對GNSS遙感領域產生巨大的影響。GNSS陸面遙感可基于兩種觀測模式開展：即雙天線模式和單天線模式。對于單天線模式，可用于地基測量，然而，目前尤其針對北斗/GPS雙模觀測，尚缺乏一種通用的方法流程，能夠用于對地基測站接收的原始數據進行處理分析，直至形成用于區域土壤水分測量的技術模型。
技術實現思路
由此可見，確有必要提供一種在單天線模式下且適用于地基北斗/GPS雙模測站的土壤濕度測量方法。一種地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度測量方法，包括：在單天線模式下利用地基測站右旋圓極化天線采集原始觀測數據；將采集的原始觀測數據格式轉換為標準的RINEX格式文件；根據RINEX文件獲得SNR數據，并讀取每個采樣間隔的SNR觀測值，生成SNR文件；以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位；對初始SNR干涉測量相位再處理，得到精確相位值；對精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合，確定計算土壤濕度的SNR的頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤濕度經驗模型；采集預定時段的觀測數據，將觀測數據引入所述裸土土壤濕度經驗模型，得到預定時段的土壤濕度。在其中一個實施例中，所述原始觀測數據的采樣間隔t及最低觀測仰角minE滿足：1s≤t≤30s，5°≤minE≤15°。在其中一個實施例中，以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位包括：獲取SNR干涉波形，并選取低衛星仰角區間；去除SNR干涉波形中的直射分量，得到反射信號干涉波形；以及對仰角正弦和反射信號干涉波形進行最小二乘擬合，獲得初始SNR干涉測量相位。在其中一個實施例中，進一步包括利用相位解纏、異常值剔除、相位閾值變換對初始SNR干涉測量相位進行處理，去除初始SNR干涉測量相位中的干擾，得到處理后的精確相位值。在其中一個實施例中，通過擬合精確相位值與實測預定深度土壤水分的相關度，確定獲取土壤水分的SNR的頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤水分經驗模型。在其中一個實施例中，通過線性擬合、二次多項式擬合或指數擬合，建立基于精確相位值的裸土土壤水分經驗模型。在其中一個實施例中，基于精確相位值的裸土土壤水分經驗模型為裸土土壤濕度線性經驗模型、裸土土壤濕度二次多項式經驗模型或裸土土壤濕度指數經驗模型。在其中一個實施例中，所述預定時段小于24小時，所獲得的土壤濕度為24小時內的土壤濕度。在其中一個實施例中，所述預定時段小于等于12小時，所獲得的土壤濕度為12小時內的土壤濕度。相對于傳統技術，本專利技術提供的在單天線模式下基于北斗/GPS雙模測站的土壤濕度測量方法，在通過精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合獲得裸土土壤濕度經驗模型后，能夠支持對北斗、GPS、北斗/GPS雙模等多類測站的原始數據進行處理分析，直觀計算得到土壤濕度日值甚至小時值。本專利技術提供的方法可兼容并充分利用更多的導航衛星，技術方法也更為通用快捷。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的單天線模式下基于地基北斗/GPS雙模測站測量土壤濕度的測量方法的流程圖。圖2為圖1所示的土壤濕度的測量方法的技術流程圖。圖3為本專利技術實施例中以北斗為例SNR數據干涉測量建模流程圖，其中：(a)測站某方位接收到的北斗衛星信號；(b)低仰角時北斗B1、B2頻段SNR干涉波形；(c)低仰角時SNR干涉波形功率與衛星仰角的關系；(d)去除直射分量后的反射信號(有效)干涉波形；(e)反射信號(有效)干涉波形的最小二乘擬合。具體實施方式下面將結合附圖及具體實施例對本專利技術提供的地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度的測量方法作進一步的詳細說明。本專利技術通過對某一地基北斗/GPS雙模測站，收集處理原始觀測數據形成北斗/GPS數據文件，進行信噪比干涉測量建模，得到干涉測量度量——相位，并基于相位及實測土壤濕度進行線性回歸得到適用于該區域的土壤濕度反演模型。通過本專利技術形成一套適用于北斗、GPS尤其是北斗/GPS雙模測站的通用技術方案，可用于區域土壤濕度反演及數據集生成、發布與共享。請一并參見圖1與圖2，本專利技術實施例提供一種在單天線模式下地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度的測量方法，包括以下步驟：S1，在單天線模式下利用地基測站右旋圓極化天線采集原始觀測數據；S2，將采集的原始觀測數據格式轉換為標準的RINEX格式文件；S3，根據RINEX文件獲得SNR數據，并讀取每個采樣間隔的SNR觀測值，生成SNR文件；S4，以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位；S5，對初始SNR干涉測量相位再處理，得到精確相位值；S6，對精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合，確定計算土壤濕度的SNR的頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤濕度經驗模型；S7，采集預定時段的觀測數據，將觀測數據引入所述裸土土壤濕度經驗模型，得到預定時段的土壤濕度。在步驟S1中，可通過北斗/GPS地基測站中采集原始觀測數據。本實施例中，所述原始觀測數據的采樣間隔t為1s，最低觀測仰角minE為5°，每24小時存儲一個觀測文件。需要說明的是，此處采樣間隔、觀測仰角及存儲時間并不局限于上述數值，一般情況下，可定義為1s≤t≤30s，最低觀測仰角5°≤minE≤15°，避免捕捉不到GNSS衛星升降過程。如果t大于30s時，導致采樣間隔太大，無法形成平滑的干涉波形，而僅僅為一些折線；如果t小于1s，則采樣間隔過小，導致數據量過大，影響數據實時傳輸成本。另外，最低觀測仰角范圍的確定出于技術需要，即需要的是低仰角情況下的SNR波形，如果最低仰角太大的話，例如大于15°時，無法體現由多路徑效應產生的SNR干涉波形。地基測站高度一般在0.5～3米范圍。在步驟S2中，將原始觀測數據格式轉換后，形成標準的RINEX格式文件。所述RINEX包括觀測文件(O文件)、星歷文件(N文件)等。可以理解，此步驟并非必要步驟，有些GNSS接收機能夠實現在線數據傳輸，直接傳回RINEX格式文件，即傳回的原始本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度測量方法，包括：在單天線模式下利用地基測站右旋圓極化天線采集原始觀測數據；將采集的原始觀測數據格式轉換為標準的RINEX格式文件；根據RINEX文件獲得SNR數據，并讀取每個采樣間隔的SNR觀測值，生成SNR文件；以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位；對初始SNR干涉測量相位再處理，去除初始SNR干涉測量相位中的干擾，得到精確相位值；對精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合，確定計算土壤濕度的SNR的頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤濕度經驗模型；采集預定時段的觀測數據，將觀測數據引入所述裸土土壤濕度經驗模型，得到預定時段的土壤濕度。

【技術特征摘要】
1.一種地基北斗/GPS雙模測站土壤濕度測量方法，包括：在單天線模式下利用地基測站右旋圓極化天線采集原始觀測數據；將采集的原始觀測數據格式轉換為標準的RINEX格式文件；根據RINEX文件獲得SNR數據，并讀取每個采樣間隔的SNR觀測值，生成SNR文件；以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位；對初始SNR干涉測量相位再處理，去除初始SNR干涉測量相位中的干擾，得到精確相位值；對精確相位值與實測土壤濕度的相關度進行擬合，確定計算土壤濕度的SNR的頻段，建立基于精確相位值的裸土土壤濕度經驗模型；采集預定時段的觀測數據，將觀測數據引入所述裸土土壤濕度經驗模型，得到預定時段的土壤濕度。2.根據權利要求1所述的土壤濕度測量方法，其特征在于，所述原始觀測數據的采樣間隔t及最低觀測仰角minE滿足：1s≤t≤30s，5°≤minE≤15°。3.根據權利要求1所述的土壤濕度測量方法，其特征在于，所述以獲得的SNR數據為基礎進行干涉測量建模，得到初始SNR干涉測量相位，包括：獲取SNR干涉波形，并選取衛星仰角區間；去除SNR干涉波形中的直射分量，得到反射信號干涉波形；以及對仰角正弦和反射信號干涉波形進行最小二乘擬合，獲得初始SNR干涉測量相位。4.根據權利要求3所述的土壤濕度測量方法，其特征在于，進一步包括利用相位解纏、異常值剔除或相位閾值變換對初始SNR干涉測量相位進行處理，去除初始SNR干涉測量相位中的干擾，得到處理后的精確相位值。5.根據權利要求4所述的土...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬瑋，洪陽，彭學峰，龍笛，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11