CN106093076A - 一种基于gnss干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，由圆筒形机箱、RHCP天线、天线支架、无线通信天线、太阳能电池板、土壤湿度测量主机、蓄电池、天线馈线和若干导线组成；RHCP天线通过支架固定于箱体顶部中心，RHCP天线的馈线通过支架的空心结构引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；无线通信天线固定于箱体上部，无线通信天线的高度低于RHCP天线，无线通信天线的馈线引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；太阳能电池板固定于箱体外部，其通过导线引入箱体内部与土壤湿度测量主机相连；土壤湿度测量主机与蓄电池在箱体内部通过导线连接；它实现了信号处理、土壤湿度测量与数据传输的一体化，结构紧凑、节能、美观。

Description

一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置

技术领域

本发明提供一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，它具体涉及一种基于全球卫星导航系统(以下简称GNSS)干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，属于土壤湿度测量装置技术领域。

技术背景

近些年来随着GNSS系统的不断升级与完善，GNSS新的应用领域正不断的被发掘出来，其中一个重要应用领域就是利用GNSS作为信号源进行土壤湿度测量，它是GNSS技术在遥感领域的一个延伸。目前现有的利用GNSS接收处理系统进行土壤湿度测量的装置中，一般使用两根天线，一根为优选右旋圆极化(以下简称RHCP)天线，用于接收GNSS直射信号，一根为左旋圆极化(以下简称LHCP)天线，用于接收土壤反射信号，如专利“一种利用北斗直达和反射信号进行土壤湿度反演的装置”(授权公告号：CN204405567U)公开的装置，由于经过土壤反射的信号通常会比直射信号弱，因此接收反射信号的天线必须使用高增益天线，而高增益天线的造价比较高，质量较重，且接收机要同时处理两个天线接收到的数据，需要耗费较大的硬件软件资源，这些增加了制造成本。由于农业土壤湿度测量要求测量设备具有较低成本，因此发明一种天线数量少的GNSS土壤湿度测量装置十分必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于，提供一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，该装置只用一根RHCP天线接收GNSS直射信号和经过土 壤反射的信号，从二者的干涉功率峰谷值中提取介电常数进而反演土壤湿度，该装置将接收天线和土壤湿度测量主机集成到一个圆筒形机箱中，土壤湿度测量主机配有无线通信模块，实现了信号处理、土壤湿度测量与数据传输的一体化。该装置整体使用太阳能电池板供电，多余电量可以输入到蓄电池中存储，这种设计节能、美观，适合野外独立工作。

本发明一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，由圆筒形机箱，RHCP天线，天线支架，无线通信天线，太阳能电池板、土壤湿度测量主机、蓄电池、天线馈线和若干导线组成，它们之间的连接关系为：

RHCP天线通过天线支架固定于箱体顶部中心位置，RHCP天线的馈线通过天线支架的空心结构引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；无线通信天线也固定于箱体上部，无线通信天线的高度低于RHCP天线，无线通信天线的馈线也引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；太阳能电池板固定于箱体外部，其通过导线引入箱体内部与土壤湿度测量主机相连；土壤湿度测量主机与蓄电池在箱体内部通过导线连接。

所述RHCP天线，选用现有的通用测量型天线。

所述天线支架，为中空的杆状，用耐腐蚀轻质材料制成。

所述无线通信天线，可采用现有的线极化移动通信天线。

所述太阳能电池板，形状为长方形，可采用现有的多晶硅太阳能电池板，选型时应考虑的主要指标为输出电压、输出功率、抗风等级等。

所述蓄电池，采用现有的锂电池或铅酸蓄电池，选型时应考虑的主要指标为容量、标称电压、内阻、充放电次数等。

所述天线馈线，可采用现有的同轴电缆，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、衰减。

所述若干导线，可采用现有的铜质导线，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、绝缘等级、载流量。

所述“圆筒形机箱”使用防水防腐蚀的轻质材料制成，包括弧形盖板，圆筒形箱体，底部盖板，两层隔板，它们之间的位置与连接关系为：

弧形盖板位于该圆筒形箱体顶部，底部盖板位于圆筒形箱体底部，两层隔板位于圆筒形箱体内的下半部分，上层隔板用于固定土壤湿度测量主机，下层 隔板用于固定蓄电池，下层隔板距离圆筒形箱体底部一定距离。

其中,该“弧形盖板”的形状为弧形，其中心钻有小孔用于固定天线支架，旁边开有小孔用于固定无线通信天线；该“圆筒形箱体”的形状为中空的圆筒形，其筒壁有一定厚度，其侧面凿有安装槽，用于将太阳能电池板嵌入其中，开槽位置整体位于该圆筒形箱体上部；该“底部盖板”的形状为圆形，其直径与所述“圆筒形箱体”外径相等，其中心开有安装孔，用于连接三角架等支撑物；该“两层隔板”的形状为圆形，其直径与所述“圆筒形箱体”内径相等；

所述“土壤湿度测量主机”包括电源模块、射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块，其连接关系为：

其中,射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块按照信号处理流程顺次连接，电源模块与其他所有模块连接，为其供电。

该“射频模块”将RHCP天线接收到的卫星导航信号下变频到数字中频信号，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为频点、带宽、灵敏度、噪声系数。

该“基带信号处理模块”主要完成对信号的捕获跟踪，输出所有卫星信号的相关值，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为通道数、通道构成、工作频率、输入输出接口类型和速度。

该“土壤湿度反演模块”主要由可编程芯片和相应的外围电路组成，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述；该模块通过编程实现如下功能：利用基带信号处理模块输出的相关值来估计相关功率，形成相关功率观测值序列，同时进行定位解算或者利用精密星历计算卫星的仰角和方位角等信息，然后根据观测区域方位和卫星仰角、方位角进行选星，使镜面反射点覆盖观测区域，利用选出来的卫星的相关功率观测值序列和仰角信息运行“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”，进行土壤湿度反演。为了方便操作人员现场或远程获取测量主机输出的数据，该模块还 配置有USB接口、网口以及与无线通信模块连接的接口。

该“无线通信模块”将测得的土壤湿度数据和原始数据发送到用户指定设备上，便于用户对土壤湿度进行监测，同时该模块接收用户指令，并将指令送入土壤湿度反演模块中，土壤湿度反演模块解析指令完成用户对测量主机的控制如启动、关闭等，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为通信制式、数据传输速率、功耗、最大传输距离。

该“电源模块”俱备两个功能，其一是对来自蓄电池和太阳能电池板的电能进行分配，其二是电能转换，用于将市电转直流电作为测量主机的备用电源，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为输出电压、电源效率、纹波电压等。

该“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”包括如下步骤：

步骤1：信号接收处理

单根低增益RHCP天线接收直射信号与土壤反射信号，信号通过射频模块下变频到数字中频信号，经接收机捕获跟踪后，从相关器输出相关值。

步骤2：相关功率估计

通常相关器输出含有较大噪声，为了更加准确的估计相关功率，运用一定的信号估计算法估计相关功率，形成相关功率观测值序列。

步骤3：剔除直射天线增益的影响

取卫星上升段0～90度范围内的相关功率观测值，从中剔除天线增益对干涉信号的影响。

所述“天线增益”可通过测量及仿真得到。

步骤4：剔除直射信号的影响

估计直射信号功率，然后从步骤3得到的观测值序列中将其剔除，得到含有噪声的归一化干涉功率。

步骤5：归一化干涉功率降噪

取步骤4中卫星低仰角范围内的归一化干涉功率观测值序列进行滤波或降噪，得到最终用于反演的归一化干涉功率。

步骤6：提取归一化干涉功率峰谷值，估计反射系数

运用峰谷值搜索算法搜索归一化干涉功率的峰谷值，利用这些功率值和对应的卫星仰角与天线增益信息计算反射系数。

步骤7：介电常数反演

根据反射系数与土壤相对介电常数和卫星仰角的关系，反演土壤相对介电常数。

步骤8：土壤湿度反演

根据土壤相对介电常数与土壤湿度间的关系，反演土壤湿度。

其中步骤1所述的“相关器输出相关值”可用复信号表示为：

上式假设仅有一条土壤镜面反射路径，其中i、q表示相关器IQ两路输出，A为直射信号到达天线前端时的平均功率，G(·)为天线增益，θ为卫星仰角，R(·)为归一化码自相关函数，τ_i、分别为码相位和载波相位，i取0、1、x时分别表示直射信号、反射信号、接收机本地信号，|Γ|为右旋-右旋(RR)反射系数模值，为反射系数相角，为复数噪声项，其实部与虚部可用独立同分布的高斯白噪声描述；

其中，在步骤2中所述的“相关功率”计算方法如下：

在天线架设高度较低的情况下，直射与反射信号间的多径延时可忽略，因此τ₀≈τ₁≈τ_x，R(·)≈1，在忽略噪声的情况下，相关功率可用下式表示：

其中为反射信号相对于直射信号的路径延迟导致的相位延迟，为反射系数相角，θ为卫星高度角，H为天线相位中心到地面的高度，Γ为反射系数。

其中，在步骤2中所述的“信号估计算法”，是以极大似然(ML)估计算法为优选，该算法假设不考虑导航电文位的影响，在这种情况下相关功率观测值的估计式如下：

${\hat{P}}_i=\frac{1}{M^2}{\left|\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{\tilde{p}}_{i,k}\right|}^2---\left(3\right)$

其中为相关功率估计值，M为参与估计的相关器输出值的个数。

其中，在步骤4中所述的“估计直射信号功率”的方法为：在剔除直射天线增益的影响后，取90度仰角附近无明显震荡的多个观测值的平均值得到，于是所述“归一化干涉功率”估计值可用下式表示：

其中为反射信号相对于直射信号的路径延迟导致的相位延迟，为反射系数相角，θ为卫星高度角，H为天线相位中心到地面的高度，Γ为反射系数。

其中，在步骤5中所述的“低仰角范围”，是以35度以下为优选，所述“滤波或降噪”方法，是以“Lomb-Scargle算法辅助RLS滤波算法”为优选，Lomb-Scargle算法用来估计振荡频率。

其中，在步骤6中所述的“峰谷值搜索算法”，是以“可变尺度峰值检测算法”(Automatic Multiscale-based Peak Detection以下简称AMPD算法)为优选，其步骤如下：

步骤6.1：设步骤5得到的观测值序列记为X＝[x₁,x₂,...,x_N-1,x_N]，建立一个L×N的矩阵M，矩阵M的每个元素的定义如下：

其中L为窗的个数，为不小于z的最小整数，窗的长度w_k为{w_k＝2k|k＝1,2...,L}，r是在[0,1]之间均匀分布的随机数，α为一个常数(可取1)。

步骤6.2：对矩阵M每一行进行求和运算：

${\mathrm{\γ}}_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{m}_{k,i},k\∈\{1,2,\mathrm{...},L\}---\left(6\right)$

得到一个L维列向量，求出该列向量的最小值所对应的下标，记为λ＝argmin(γ_k)并取矩阵M的前λ行，构成一个新矩阵M_r。

步骤6.3：对矩阵M_r求每一列的标准差：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{\mathrm{\λ}-1}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\Σ}}{\[{(m_{k,i}-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\Σ}}{m}_{k,i})}^2\]}^{\frac{1}{2}},i\∈\{1,2,...,N\}---\left(7\right)$

则所有σ_i＝0的元素所对应的下标就是原始序列峰值所在位置，于是可从序列中提取峰值。

步骤6.4：将步骤6.1中公式(5)改为：

重复步骤6.2至6.3即可得到原始序列谷值所在位置，于是可从序列中提取谷值。

其中，在步骤6中所述的“估计反射系数”，其计算公式如下：

式(4)当相位差时，归一化干涉功率达到局部峰值P_peak， 时，归一化干涉功率达到局部谷值P_valley，于是有：

$\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|=(\sqrt{P_{peak}}-1)\sqrt{\frac{G\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{G(-{\mathrm{\θ}}_1)}}---\left(9\right)$

$\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|=(1-\sqrt{P_{valley}})\sqrt{\frac{G\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{G(-{\mathrm{\θ}}_2)}}---\left(10\right)$

其中θ₁为局部峰值对应的卫星高度角，θ₂为局部谷值对应的卫星高度角，Γ₁、Γ₂为相应的反射系数，G(·)为天线增益。

其中，在步骤7中所述的“反射系数与土壤相对介电常数和卫星仰角的关系”，可用下式描述：

$\mathrm{\Γ}=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_r){\cos }^2\mathrm{\θ}}{(sin\mathrm{\θ}+\sqrt{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ})})({\mathrm{\ϵ}}_{r}sin\mathrm{\θ}+\sqrt{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ})})}---\left(11\right)$

上式假设土壤为良介质，其中ε_r为土壤相对介电常数，θ为卫星仰角。

其中，在步骤8中所述的“土壤相对介电常数与土壤湿度间的关系”，可利用现有的经验模型，如Wang模型，其表达式如下：

ε_r＝3.1+17.36·SM+63.12·SM² (12)

其中ε_r为土壤相对介电常数，SM为体积土壤湿度单位为cm³/cm³，该经验模型也可以自行通过其他仪器分别同时测量土壤相对介电常数和土壤湿度，通过数据拟合的方法建立两者之间的关系模型。

本发明一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，其优点是只用一根RHCP天线接收GNSS直射信号和经过土壤反射的信号，从二者的干涉功率峰谷值中提取介电常数进而反演土壤湿度，该装置将接收天线和土壤湿度测量主 机集成到一个圆筒形机箱中，土壤湿度测量主机配有无线通信模块，实现了信号处理、土壤湿度测量与数据传输的一体化；该装置整体使用太阳能电池板供电，多余电量可以输入到蓄电池中存储，这种设计结构紧凑、节能、美观，适合野外独立工作；同时所述的“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”能够提高土壤湿度测量的时间分辨率，且该算法对经验模型依赖较少，具有普适性。

附图说明

图1本发明所述装置结构透视分解图。

图2土壤湿度测量主机模块构成图。

图3基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量方法流程图。

图4 GNSS干涉场景。

图5相关功率估计值。

图6未经滤波的归一化干涉功率。

图7 Lomb-Scargle算法辅助RLS滤波算法框图。

图8经降噪后的归一化干涉功率曲线及AMPD算法峰谷值提取结果。

图1中，1、RHCP天线；2、天线支架；3、箱体上部弧形盖板；4、无线通信天线；5、箱体；6、太阳能电池板安装槽；7、太阳能电池板；8、上层隔板(用于固定土壤湿度测量主机)；9、下层隔板(用于固定蓄电池)；10、箱体底部盖板；11、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

如图1所示，本发明一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，是由圆筒形机箱，RHCP天线，无线通信天线，天线支架，太阳能电池板、土壤湿度测量主机、蓄电池、天线馈线和若干导线组成，它们之间的连接关系为：

RHCP天线1通过天线支架2固定于箱体顶部中心位置，该RHCP天线1的馈线通过天线支架2的空心结构引入箱体5内部与土壤湿度测量主机连接；无线通信天线4也固定于箱体上部，无线通信天线4的高度低于RHCP天线1，该无线 通信天线4的馈线也引入箱体5内部与土壤湿度测量主机连接；太阳能电池板7固定于箱体5外部，其通过导线引入箱体5内部与土壤湿度测量主机相连；土壤湿度测量主机与蓄电池在箱体内部通过导线连接。

所述RHCP天线，可在用现有的通用测量型天线。

所述天线支架，为中空的杆状，用耐腐蚀轻质材料制成。

所述无线通信天线，可采用现有的线极化移动通信天线。

所述太阳能电池板，形状为长方形，可采用现有的多晶硅太阳能电池板，选型时应考虑的主要指标为输出电压、输出功率、抗风等级等。

所述蓄电池，采用现有的锂电池或铅酸蓄电池，选型时应考虑的主要指标为容量、标称电压、内阻、充放电次数等

所述天线馈线，可采用现有的同轴电缆，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、衰减。

所述若干导线，可采用现有的铜质导线，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、绝缘等级、载流量。

所述“圆筒形机箱”使用防水防腐蚀的轻质材料制成，包括弧形盖板3，圆筒形箱体5，底部盖板10，两层隔板8、9，它们之间的位置与连接关系为：

弧形盖板3位于该圆筒形箱体顶部，底部盖板10位于圆筒形箱体5底部，两层隔板8、9位于圆筒形箱体5内部，两层隔板8、9固定于箱体下部，上层隔板8用于固定土壤湿度测量主机，下层隔板9用于固定蓄电池，下层隔板9距离圆筒形箱体5底部一定距离。

其中该“弧形盖板”3的形状为弧形，其中心钻有小孔用于固定天线支架2，旁边开有小孔用于固定无线通信天线4；该“圆筒形箱体”5的形状为中空的圆筒形，其筒壁有一定厚度，其侧面凿有安装槽6，用于将太阳能电池板7嵌入其中，开槽位置整体位于该圆筒形箱体5上部；该“底部盖板”10的形状为圆形，其直径与所述“圆筒形箱体”5外径相等，其中心开有安装孔11，用于连接三角架等支撑物；该“两层隔板”8、9的形状为圆形，其直径与所述“圆筒形箱体”5内径相等。

如图2所示，所述“土壤湿度测量主机”包括土壤湿度测量主机包括电源模块、射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块，其 连接关系为：

其中射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块按照信号处理流程顺次连接，电源模块与其他所有模块连接，为其供电。

该“射频模块”将RHCP天线接收到的卫星导航信号下变频到数字中频信号，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为频点、带宽、灵敏度、噪声系数。

该“基带信号处理模块”主要完成对信号的捕获跟踪，输出所有卫星信号的相关值，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为通道数、通道构成、工作频率、输入输出接口类型和速度。

该“土壤湿度反演模块”主要由可编程芯片和相应的外围电路组成，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述；该模块主要功能是利用基带信号处理模块输出的相关值来估计相关功率，形成相关功率观测值序列，同时进行定位解算或者利用精密星历计算卫星的仰角和方位角等信息，然后根据观测区域方位和卫星仰角、方位角进行选星，使镜面反射点覆盖观测区域，利用选出来的卫星的相关功率观测值序列和仰角信息运行“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”，进行土壤湿度反演。为了方便操作人员现场或远程获取测量主机输出的数据，该模块还配置有USB接口、网口以及与无线通信模块连接的接口。

该“无线通信模块”将测得的土壤湿度数据和原始数据发送到用户指定设备上，便于用户对土壤湿度进行监测，同时该模块接收用户指令，并将指令送入土壤湿度反演模块中，土壤湿度反演模块解析指令完成用户对测量主机的控制如启动、关闭等，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为通信制式、数据传输速率、功耗、最大传输距离。

该“电源模块”俱备两个功能，其一是对来自蓄电池和太阳能电池板的电能进行分配，其二是电能转换，用于将市电转直流电作为测量主机的备用电源，该模块可采用现有技术制成的模块，其硬件的形状结构均已公开，此处不再赘述，该模块在选型时应考虑的主要指标为输出电压、电源效率、纹波电压 等。

如图3所示，该“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”包括如下步骤：

步骤1：信号接收处理

单根低增益RHCP天线接收直射信号与土壤反射信号，其场景如图4所示，信号通过射频模块下变频到数字中频信号，经接收机捕获跟踪后，从相关器输出相关值。

步骤2：相关功率估计

通常相关器输出含有较大噪声，为了更加准确的估计相关功率，运用一定的信号估计算法估计相关功率，形成相关功率观测值序列。

步骤3：剔除直射天线增益的影响

取卫星上升段0～90度范围内的相关功率观测值，从中剔除天线增益对干涉信号的影响。

所述“天线增益”可通过测量及仿真得到。

步骤4：剔除直射信号的影响

估计直射信号功率，然后从步骤3得到的观测值序列中将其剔除，得到含有噪声的归一化干涉功率。

步骤5：归一化干涉功率降噪

取步骤4中卫星低仰角范围内的归一化干涉功率观测值序列进行滤波或降噪，得到最终用于反演的归一化干涉功率。

步骤6：提取归一化干涉功率峰谷值，估计反射系数

运用峰谷值搜索算法搜索归一化干涉功率的峰谷值，利用这些功率值和对应的卫星仰角与天线增益信息计算反射系数。

步骤7：介电常数反演

根据反射系数与土壤相对介电常数和卫星仰角的关系，反演土壤相对介电常数。

步骤8：土壤湿度反演

根据土壤相对介电常数与土壤湿度间的关系，反演土壤湿度。

其中步骤1所述的“相关器输出相关值”可用复信号表示为：

上式假设仅有一条土壤镜面反射路径，其中i、q表示相关器IQ两路输出，A为直射信号到达天线前端时的平均功率，G(·)为天线增益，θ为卫星仰角，R(·)为归一化码自相关函数，τ_i、分别为码相位和载波相位，i取0、1、x时分别表示直射信号、反射信号、接收机本地信号，|Γ|为右旋-右旋(RR)反射系数模值，为反射系数相角，为复数噪声项，其实部与虚部可用独立同分布的高斯白噪声描述；

其中，在步骤2中所述的“相关功率”计算方法如下：

在天线架设高度较低的情况下，直射与反射信号间的多径延时可忽略，因此τ₀≈τ₁≈τ_x，R(·)≈1，在忽略噪声的情况下，相关功率可用下式表示：

其中为反射信号相对于直射信号的路径延迟导致的相位延迟，为反射系数相角，θ为卫星高度角，H为天线相位中心到地面的高度，Γ为反射系数。

其中，在步骤2中所述的“信号估计算法”，是以极大似然(ML)估计算法为优选，该算法假设不考虑导航电文位的影响，在这种情况下相关功率观测值的估计式如下：

${\hat{P}}_i=\frac{1}{M^2}{\left|\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{\tilde{p}}_{i,k}\right|}^2---\left(15\right)$

其中为相关功率估计值，M为参与估计的相关器输出值的个数，假设在此期间干涉信号的各参量近似不变，由于(15)式的平均作用，干涉信号的噪声将降低，如图5所示。

其中，在步骤4中所述的“估计直射信号功率”A的方法为：在剔除直射天线增益的影响后，取90度仰角附近无明显震荡的多个观测值的平均值得到，于是所述“归一化干涉功率”估计值可用下式表示：

其中为反射信号相对于直射信号的路径延迟导致的相位延迟，为反射系数相角，θ为卫星高度角，H为天线相位中心到地面的高度，Γ为反射系数。“归一化干涉功率”形如图6所示。

其中，在步骤5中所述的“低仰角范围”，是以35度以下为优选，所述“滤波或降噪”方法，是以“Lomb-Scargle算法辅助RLS滤波算法”为优选，Lomb-Scargle算法用来估计振荡频率，算法原理如下：

式(16)可写成如下形式：其中A、B、C为待估计的参数，其通过RLS滤波算法进行估计，f可预先使用Lomb-Scargle算法估计，整个滤波过程可用图7表示。

其中，在步骤6中所述的“峰谷值搜索算法”，是以“可变尺度峰值检测算法”(Automatic Multiscale-based Peak Detection以下简称AMPD算法)为优选，其步骤如下：

步骤6.1：设步骤5得到的观测值序列记为X＝[x₁,x₂,...,x_N-1,x_N]，建立一个L×N的矩阵M，矩阵M的每个元素的定义如下：

其中L为窗的个数，为不小于z的最小整数，窗的长度w_k为{w_k＝2k|k＝1,2...,L}，r是在[0,1]之间均匀分布的随机数，α为一个常数(可取1)。

步骤6.2：对矩阵M每一行进行求和运算：

${\mathrm{\γ}}_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{m}_{k,i},k\∈\{1,2,\mathrm{...},L\}---\left(18\right)$

得到一个L维列向量，求出该列向量的最小值所对应的下标，记为λ＝argmin(γ_k)并取矩阵M的前λ行，构成一个新矩阵M_r。

步骤6.3：对矩阵M_r求每一列的标准差：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{\mathrm{\λ}-1}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\Σ}}{\[{(m_{k,i}-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\Σ}}{m}_{k,i})}^2\]}^{\frac{1}{2}},i\∈\{1,2,...,N\}---\left(19\right)$

则所有σ_i＝0的元素所对应的下标就是原始序列峰值所在位置，于是可从序 列中提取峰值。

步骤6.4：将步骤6.1中公式(17)改为：

重复步骤6.2至6.3即可得到原始序列谷值所在位置，于是可从序列中提取谷值。

其中，在步骤6中所述“估计反射系数”计算公式如下：

式(16)当相位差时，归一化干涉功率达到局部峰值P_peak， 时，归一化干涉功率达到局部谷值P_valley，于是。

$\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|=(\sqrt{P_{peak}}-1)\sqrt{\frac{G\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{G(-{\mathrm{\θ}}_1)}}---\left(21\right)$

$\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|=(1-\sqrt{P_{valley}})\sqrt{\frac{G\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{G(-{\mathrm{\θ}}_2)}}---\left(22\right)$

其中θ₁为局部峰值对应的卫星高度角，θ₂为局部谷值对应的卫星高度角，Γ₁、Γ₂为相应的反射系数，G(·)为天线增益，峰谷值搜索结果如图8所示,从图中可以看出卫星上升段归一化干涉功率上升段存在多个峰谷值，均可用于反演，因此时间分辨率大大提高。

其中，在步骤7中所述的“反射系数与土壤相对介电常数和卫星仰角的关系”，可用下式描述：

$\mathrm{\Γ}=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_r){\cos }^2\mathrm{\θ}}{(sin\mathrm{\θ}+\sqrt{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ})})({\mathrm{\ϵ}}_r\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ})})}---\left(23\right)$

上式假设土壤为良介质，其中ε_r为土壤相对介电常数，θ为卫星仰角。

其中，在步骤8中所述的“土壤相对介电常数与土壤湿度间的关系”，可利用现有的经验模型，如Wang模型，其表达式如下：

ε_r＝3.1+17.36·SM+63.12·SM² (24)

其中ε_r为土壤相对介电常数，SM为体积土壤湿度单位为cm³/cm³，该经验模型也可以自行通过其他仪器分别同时测量土壤相对介电常数和土壤湿度，通过数据拟合的方法建立两者之间的关系模型。

Claims (3)

1.一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，其特征在于：

它是由圆筒形机箱、RHCP天线、天线支架、无线通信天线、太阳能电池板、土壤湿度测量主机、蓄电池、天线馈线和若干导线组成；

RHCP天线通过天线支架固定于箱体顶部中心位置，RHCP天线的馈线通过天线支架的空心结构引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；无线通信天线也固定于箱体上部，无线通信天线的高度低于RHCP天线，无线通信天线的馈线也引入箱体内部与土壤湿度测量主机连接；太阳能电池板固定于箱体外部，其通过导线引入箱体内部与土壤湿度测量主机相连；土壤湿度测量主机与蓄电池在箱体内部通过导线连接；

所述RHCP天线，选用现有的通用测量型天线；

所述天线支架，为中空的杆状；

所述无线通信天线，采用现有的线极化移动通信天线；

所述太阳能电池板，形状为长方形，采用现有的多晶硅太阳能电池板，选型时应考虑的主要指标为输出电压、输出功率、抗风等级；

所述蓄电池，采用现有的铅酸蓄电池，选型时应考虑的主要指标为容量、标称电压、内阻和充放电次数；

所述天线馈线，采用现有的同轴电缆，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、衰减；

所述导线，采用现有的铜质导线，选型时应考虑的主要指标为特性阻抗、绝缘等级、载流量；

所述“圆筒形机箱”,包括弧形盖板、圆筒形箱体、底部盖板和两层隔板；

该弧形盖板位于该圆筒形箱体顶部，底部盖板位于圆筒形箱体底部，两层隔板位于圆筒形箱体内的下半部分，上层隔板用于固定土壤湿度测量主机，下层隔板用于固定蓄电池，下层隔板距离圆筒形箱体底部一定距离；

该“弧形盖板”的形状为弧形，其中心钻有小孔用于固定天线支架，旁边开有小孔用于固定无线通信天线；该“圆筒形箱体”的形状为中空的圆筒形，其筒壁有预定厚度，其侧面凿有安装槽，用于将太阳能电池板嵌入其中，开槽位置整体位于该圆筒形箱体上部；该“底部盖板”的形状为圆形，其直径与该“圆筒形箱体”外径相等，其中心开有安装孔，用于连接支撑物；该“两层隔板”的形状为圆形，其直径与该“圆筒形箱体”内径相等；

所述“土壤湿度测量主机”包括电源模块、射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块，其连接关系为：

其中的射频模块、基带信号处理模块、土壤湿度反演模块和无线通信模块按照信号处理流程顺次连接，电源模块与其他所有模块连接，为其供电；

该“射频模块”将RHCP天线接收到的卫星导航信号下变频到数字中频信号，该模块是采用现有技术制成的模块，该模块在选型时应考虑的主要指标为频点、带宽、灵敏度、噪声系数；

该“基带信号处理模块”主要完成对信号的捕获跟踪，输出所有卫星信号的相关值，该模块是采用现有技术制成的模块，该模块在选型时应考虑的主要指标为通道数、通道构成、工作频率、输入输出接口类型和速度；

该“土壤湿度反演模块”由可编程芯片和相应的外围电路组成，该模块是采用现有技术制成的模块，该模块通过编程实现如下功能：利用基带信号处理模块输出的相关值来估计相关功率，形成相关功率观测值序列，同时进行定位解算或者利用精密星历计算卫星的仰角和方位角等信息，然后根据观测区域方位和卫星仰角、方位角进行选星，使镜面反射点覆盖观测区域，利用选出来的卫星的相关功率观测值序列和仰角信息运行“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量算法”，进行土壤湿度反演；该模块还配置有USB接口、网口以及与无线通信模块连接的接口；

该“无线通信模块”将测得的土壤湿度数据和原始数据发送到用户指定设备上，便于用户对土壤湿度进行监测，同时该模块接收用户指令，并将指令送入土壤湿度反演模块中，土壤湿度反演模块解析指令完成用户对测量主机的控制如启动、关闭，该模块是采用现有技术制成的模块，该模块在选型时应考虑的主要指标为通信制式、数据传输速率、功耗、最大传输距离；

该“电源模块”俱备两个功能，其一是对来自蓄电池和太阳能电池板的电能进行分配，其二是电能转换，用于将市电转直流电作为测量主机的备用电源，该模块是采用现有技术制成的模块，该模块在选型时应考虑的主要指标为输出电压、电源效率、纹波电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，其特征在于：所述天线支架是用耐腐蚀轻质材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量装置，其特征在于：所述“圆筒形机箱”是用防水防腐蚀的轻质材料制成。