一種利用gps信噪比等級數(shù)據(jù)進行土壤濕度估計的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子信息技術領域，設及一種基于C0RS站的數(shù)據(jù)反演±壤濕度方法， 尤其設及一種用GI^信噪比等級數(shù)據(jù)sn_rnx進行±壤濕度估計的方法。
【背景技術】
[0002] ±壤濕度即±壤含水量，是±壤的重要物理物質。早已成為水文學、氣象學、生態(tài) 學、農(nóng)業(yè)W及地球科學中一個重要的研究對象，其準確和長期監(jiān)測是環(huán)境科學研究的基礎。
[0003] 目前±壤濕度的測量方法主要有下面幾種，它們有著各種優(yōu)點和缺點。
[0004] 傳統(tǒng)的實測法包括烘干法，±壤濕度計法，中子儀法，電阻法等（張曉虎，李新 平.幾種常用上壤含水量測定方法的研究進展.陜西農(nóng)業(yè)科學.2008,6:114-117)。運些方 法都是接觸式法，可W忽略±壤類型、植被W及環(huán)境的影響，準確測量±體剖面的含水量， 但實測范圍有限，無法進行大范圍的連續(xù)實時性觀測，費時費力，數(shù)據(jù)得不到及時更新。
[0005] 為了解決傳統(tǒng)測量法無法獲得大范圍的±壤濕度，有學者開展采用微波遙感方法 反演±壤濕度（例如趙少華、楊永輝，基于雙時相ASAR影像的±壤濕度反演研究，農(nóng)業(yè)工程 學報，2008年6月，184-188)利用±壤表面發(fā)射反演出±壤水分。但是該方法受限于SAR 衛(wèi)星的重返周期，數(shù)據(jù)的時間連續(xù)性不高，同一地方需幾日才能獲得一場數(shù)據(jù)。
[0006] 目前一些學者開展了利用GI^反射信號測量±壤濕度的研究。美國進行了利用天 頂天線和下視天線的實驗（毛克彪、王建明、張孟陽，GNSS-R信號反演±壤水分研究分析， 遙感信息2009, 3)，該方法需要采用特殊設計的延遲接收機。武漢大學曾利用天線和接收機 進行過反射信號和直達信號的比值研究來反演±壤濕度（嚴頌華，張訓械，基于GNSS-R信 號的±壤濕度反演研究，電波科學學報，2010年第1期），但該方法主要利用的是直達信號 及反射信號功率的比值，容易受到地面粗糖度的影響。另一種方法是采用GI^干設信號的 差分方法，如，采用干設信號中的信噪比數(shù)據(jù)來實現(xiàn)±壤濕度的反演，雖然反演得到的±壤 濕度精度高（申請?zhí)枮?014102755487的發(fā)明專利：基于北斗基準站接收的低仰角信號的 ±壤濕度反演方法），但是信噪比數(shù)據(jù)在定位時僅僅作為校正使用，因此絕大多數(shù)的C0RS 站并不提供信噪比數(shù)據(jù)?？梢?，如何充分利用現(xiàn)成的C0RS站點的歷史數(shù)據(jù)反演±壤濕度仍 然需要探索。

【發(fā)明內容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術的局限性，本發(fā)明首次提出利用GPSC0RS站的信噪比等級數(shù)據(jù) sn_rnx，建立其相位與濕度的函數(shù)關系，來實現(xiàn)±壤濕度的反演，本方法應用于農(nóng)業(yè)或氣象 研究。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種利用GI^信噪比等級數(shù)據(jù)進行±壤濕度估計的 方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0009] 1. 一種利用GI^信噪比等級數(shù)據(jù)進行±壤濕度估計的方法，其特征在于，包括W 下步驟：
[0010] 步驟1 :GPS信噪比等級數(shù)據(jù)、仰角w及方位角的獲??；
[0011] 利用地基C0RS站的GPS接收機接收GPS干設信號，輸出RI肥X數(shù)據(jù)格式的觀測值 0文件和導航電文N文件；然后處理0文件和N文件，可W計算得到各顆衛(wèi)星的仰角、方位 角、UTC時刻等信息，并將上述數(shù)據(jù)存成txt文檔，并將上述數(shù)據(jù)存成txt文檔；最后根據(jù)上 述生成的txt文檔文件和0文件共同的UTC時間信息，對每顆衛(wèi)星篩選出txt文檔中包含 該顆衛(wèi)星對應的UTC時間、仰角、方位角W及0文件包含的信噪比等級數(shù)據(jù)信息； 陽〇1引步驟2:數(shù)據(jù)篩選；
[0013] 先選取低仰角范圍的、方位角基本保持不變的，并且GI^信噪比等級數(shù)據(jù)具有明 顯變化的衛(wèi)星及運段范圍內的數(shù)據(jù)；然后將仰角正弦化，并按仰角正弦的從小到大順序重 新排列其對應的GI^信噪比等級數(shù)據(jù)；
[0014] 步驟3 :頻譜分析并獲取相位信息；
[0015] 先對仰角的正弦和GI^信號強度數(shù)據(jù)進行等間隔均勻插值，W獲取足夠多的數(shù)據(jù) 樣點；然后用均勻采樣信號頻譜分析法分析頻譜并獲取主頻率f;再對GI^信噪比等級數(shù)據(jù) 進行曲線擬合，擬合得到的相位值即為所求；
[0016] 步驟4 :建立相位與濕度的函數(shù)關系并反演±壤濕度。
[0017] 先按上述步驟處理得到多天的相位信息；然后繪制相位與實測濕度之間的變化關 系，并根據(jù)兩者的關系W及經(jīng)驗模型建立一種函數(shù)關系；最后處理某天的數(shù)據(jù)獲得相位，將 相位代入上述線性關系可反演出該天的±壤濕度。
[0018] 作為優(yōu)選，其特征在于：步驟1中步驟1中所述的處理0文件和N文件的過程，是 根據(jù)頻率Li上C/A碼所測定的偽距算出衛(wèi)星與GI^接收機的空間位置，包括GI^接收機相 對于衛(wèi)星的仰角和方位角等信息。
[0019] 作為優(yōu)選，其特征在于：步驟2中所述的GI^信噪比數(shù)據(jù)的篩選，其篩選依據(jù)是選 擇具有兩個完整周期的方波數(shù)據(jù)。
[0020] 作為優(yōu)選，其特征在于：步驟3中所述的均勻插值，采用的是最近鄰插值法。
[0021] 作為優(yōu)選，其特征在于：步驟3中所述的頻譜分析法，是快速傅里葉變換法FFT。
[0022] 作為優(yōu)選，其特征在于：步驟4的具體實現(xiàn)過程中，根據(jù)經(jīng)驗模型建立的是一種線 性函數(shù)關系。
[0023] 本發(fā)明首次提出了利用GI^干設信號中的信噪比等級數(shù)據(jù)進行±壤濕度的反演。 由于現(xiàn)有的±壤濕度反演方法中多數(shù)使用干設信號中的原始信噪比數(shù)據(jù)進行，而由于許多 C0RS站并不提供原始信噪比數(shù)據(jù)，而只是在需要時才會接收W提供數(shù)據(jù)，因而本發(fā)明能夠 實現(xiàn)在歷史數(shù)據(jù)的支持下，避免了對原始信噪比數(shù)據(jù)的依賴，通過使用信噪比等級數(shù)據(jù)就 能夠實現(xiàn)±壤濕度的反演。本方法能應用于農(nóng)業(yè)或氣象研究，本發(fā)明的實施將會擴大C0RS 站點數(shù)據(jù)的有效應用范圍。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明實施例的方法流程圖。
[00巧]圖2是本發(fā)明實施例的GPS衛(wèi)星接收機的直達信號與反射信號幾何關系圖。
[0026] 圖3是本發(fā)明實施例的GPS信號的數(shù)據(jù)篩選。
[0027] 圖4是本發(fā)明實施例的GI^衛(wèi)星信噪比等級數(shù)據(jù)的幅度譜圖。
[0028] 圖5是本發(fā)明實施例的GI^衛(wèi)星信噪比等級數(shù)據(jù)的相位與±壤濕度的線性關系。
【具體實施方式】
[0029] 為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā) 明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0030] 本發(fā)明用到的GI^信噪比等級數(shù)據(jù)sn_rnx實際是接收機在接收的時候對信噪比 數(shù)據(jù)的一個量化，滿足W下關系：
[0031] sn_rnx=MIN(MAX(INT(sn_raw/6,)1), 9)
[0032] 其中sn_raw為GPS信噪比數(shù)據(jù)（引用于RI肥X格式的第Ξ版本中第5章中的第 7小節(jié)，標題為Si即alstrengths)。在RI肥X格式中，用1~9數(shù)字表示信噪比等級。其 中1表不可能的最小倍噪比等級，5表不良好的sn_raw的闊值，9表不可能的最大f目噪比等 級，0或空表示未知或未給出。
[0033] 請見圖1，本發(fā)明提供一種利用GI^信噪比等級數(shù)據(jù)進行±壤濕度估計的方法，包 括W下步驟：
[0034] 步驟1 :GPS信噪比等級數(shù)據(jù)、仰角W及方位角的獲取；
[0035] 在GI^基準站附近設置±壤濕度觀測站，天線架設高度約為2米，該天線為大地測 量中常用的全向性GI^扼流環(huán)天線（choke-ring)，且具有近似方位角對稱的增益和相位中 屯、的模式。接收天線附近應視野開闊，地形平坦，地表應是有較少的矮草覆蓋，四周沒有高 大建筑物和樹木遮擋。
[0036] 如圖2所示，是GI^接收機的接收的直達信號與反射信號的幾何關系。圖中1表示 接收機接收的GI^直達信號、2表示GI^信號射入±壤并反射到接收機的信號、3表示GI^衛(wèi) 星相對于地平面的仰角Θ、4表示接收機相對于地平面的高度h、5表示反射信號的有效遙 感深度Ah、6表示直達信號與反射信號的幾何路徑差Δレ且ΔL= 2Hsinθ，H=h+Δh。
[0037] 接收機接收GI^衛(wèi)星的直達信號與經(jīng)由地面反射的反射信號合成的干設信號，信 號經(jīng)接收機處理后，輸出觀測值0文件和導航電文N文件，其中干設信號功率可W表示為：
[0038]
[0039] Udu表示直達信號，Ufw表示反射信號，A與直達信號和反射信號的幅度有關，Η表 示GI^接收機相對于反射平面的有效高度。Φ與天線特性W及反射面的特性有關，具體表 現(xiàn)為與濕度有關。
[0040] 由于0文件和N文件中包含偽距等信息，本發(fā)明根據(jù)頻率Li上C/A碼所測定的偽 距算出衛(wèi)星與GPS接收機的空間位置，包括GPS接收機相對