KR102034994B1 - Apparatus and method for calculating soil moisture content using GPS reflection signal - Google Patents

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KR102034994B1 KR1020190072654A KR20190072654A KR102034994B1 KR 102034994 B1 KR102034994 B1 KR 102034994B1 KR 1020190072654 A KR1020190072654 A KR 1020190072654A KR 20190072654 A KR20190072654 A KR 20190072654A KR 102034994 B1 KR102034994 B1 KR 102034994B1
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세종대학교산학협력단
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Abstract

The present invention provides a method for calculating the amount of soil moisture using a GPS reflected wave signal and a device thereof. According to an embodiment of the present invention, the device for measuring the amount of soil moisture using a reflected wave signal of a GPS satellite comprises: a processor; and a memory coupled to the processor. The memory is configured to: obtain an SNR of an LHCP signal which is a GPS reflected wave signal reflected from soil according to a change in an altitude angle of the GPS satellite, calculate a regression equation corresponding to the SNR according to a change in the altitude angle, and store program instructions executable by the processor to determine the average amount of soil moisture using the relative position of a straight line or curve according to the regression equation, in a theoretical value for sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the pre-calculated altitude angle in different soil moisture amounts.

Description

GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 산출 방법 및 장치{Apparatus and method for calculating soil moisture content using GPS reflection signal}Apparatus and method for calculating soil moisture content using GPS reflection signal}

본 발명은 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 산출 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for calculating soil moisture using GPS echo signals.

기존에는 토양 수분량을 측정하기 위해 전기저항 방식 센서들을 이용하여 직접 토양에 탐침기를 설치하고 전기를 흘려 유전율의 변화를 이용하여 매우 짧은 거리 내의 토양 수분량을 측정하였다. Conventionally, in order to measure the soil moisture content, a probe was installed directly on the soil using electric resistance sensors, and electricity was measured to measure soil moisture within a very short distance using a change in permittivity.

또한 전기저항 방식의 센서는 토양의 위치와 탐침의 깊이에 따라 크게 변화하는 단점이 있다. In addition, the electrical resistance sensor has a disadvantage that varies greatly depending on the location of the soil and the depth of the probe.

GPS(Global Positioning System)는 전 세계에서 무료로 사용되는 범 지구위성항법 시스템으로, 항법, 측량, 지도제작, 군사, 시각 동기, 대기과학 등 다양한 목적으로 사용되는 등 그 활용 범위가 매우 높다는 장점이 있다. Global Positioning System (GPS) is a global satellite navigation system that is used free of charge around the world, and its use range is very high.It is used for various purposes such as navigation, surveying, cartography, military, visual motive, and atmospheric science. have.

GPS 위성에서 송신하는 전자기파의 파장은 마이크로파 1.5GHz 영역으로 RHCP (Right-Handed Circular Polarization)라는 원형 편광(Polarization)의 속성을 가지고 있으나, 신호가 지구 표면에 반사할 때, 지표의 물성에 따라서 일부는 LHCP (Left-Handed Circular Polarization) 신호로 변경되어 반사된다. The wavelength of electromagnetic waves transmitted from GPS satellites is 1.5 GHz microwave and has a property of polarization called right-handed circular polarization (RHCP). However, when a signal reflects on the earth's surface, some of it depends on the physical properties of the earth. Reflected by changing to Left-Handed Circular Polarization (LHCP) signal.

그러나 GPS 반사파 신호는 수신 각도와 수신 높이에도 영향을 많이 받게 되고, 주변의 건물이나 나무 등 물체들에서 여러 번 산란되어 들어오는 멀티패스의 영향도 많이 받게 되어 그 신호의 분석이 매우 어려운 문제점이 있다. However, the GPS reflected wave signal is also affected by the reception angle and the reception height, and is also affected by the multipath scattered several times from objects such as buildings or trees nearby, which makes it difficult to analyze the signal.

KR 등록특허 10-1293741KR Patent 10-1293741

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 GPS 반사파 신호 (마이크로파)의 강도가 토양 수분량에 따라 다르게 변한다는 물리적 성질을 이용하여, GPS 반사파 신호로부터 토양 수분량을 산출해 내는 방법 및 장치를 제안하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention provides a method and apparatus for calculating the soil moisture from the GPS echo signal using the physical property that the strength of the GPS echo signal (microwave) varies depending on the soil moisture content. I would like to suggest.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, GPS 위성의 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 상기 GPS 위성의 고도각의 변화에 따른 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호인 LHCP 신호의 SNR을 획득하고, 상기 고도각의 변화에 따른 SNR에 상응하는 회귀식을 산출하고, 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기 회귀식에 따른 직선 또는 곡선의 상대적 위치를 이용하여 평균 토양 수분량을 결정하도록, 상기 프로세서에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들을 저장하는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치가 제공된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, an apparatus for measuring soil moisture using a reflected wave signal of a GPS satellite, comprising: a processor; And a memory coupled to the processor, wherein the memory acquires an SNR of an LHCP signal, which is a GPS reflected wave signal reflected from the soil according to a change in the elevation angle of the GPS satellite, and applies the SNR to the SNR according to the change of the elevation angle. Calculate the corresponding regression equation, and from the theoretical values for the sensitivity of the SNR of the LHCP signal to the pre-calculated elevation angles at different soil moisture levels, use the relative position of the straight or curved line according to the regression equation to determine the average soil moisture content. To determine, there is provided an apparatus for measuring soil moisture using a GPS echo signal that stores program instructions executable by the processor.

상기 이론값은, 수직/수평 편광계수와 굴절률과의 관계식, 수직/수평 편광계수로 표현한 RHCP/LHCP 신호의 반사도에 관한 관계식 및 토양 수분량과 유전률과의 관계식을 통해 결정될 수 있다. The theoretical value may be determined through a relationship between the vertical / horizontal polarization coefficient and the refractive index, a relation about the reflectivity of the RHCP / LHCP signal expressed by the vertical / horizontal polarization coefficient, and a relationship between the soil moisture content and the dielectric constant.

상기 수직/수평 편광계수와 굴절률과의 관계식은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다. The relationship between the vertical / horizontal polarization coefficient and the refractive index may be defined by the following equation.

[수학식][Equation]

Figure 112019062628615-pat00001
Figure 112019062628615-pat00001

여기서,

Figure 112019062628615-pat00002
는 수직 편광 반사계수,
Figure 112019062628615-pat00003
는 수평 편광 반사계수를 나타내고,
Figure 112019062628615-pat00004
는 지표면(토양)에서 반사되는 GPS 반사파 신호의 각도(고도각)이고,
Figure 112019062628615-pat00005
는 토양의 굴절지수(refractive index, 굴절률) 또는 유전상수(Dielectric constant)임here,
Figure 112019062628615-pat00002
Is the vertical polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00003
Represents the horizontal polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00004
Is the angle (elevation angle) of the GPS echo signal reflected from the ground (soil),
Figure 112019062628615-pat00005
Is the soil's refractive index or dielectric constant

상기 수직/수평 편광계수로 표현한 RHCP/LHCP 신호의 반사도에 관한 관계식은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다. The relation regarding the reflectivity of the RHCP / LHCP signal expressed by the vertical / horizontal polarization coefficient may be defined by the following equation.

[수학식][Equation]

Figure 112019062628615-pat00006
Figure 112019062628615-pat00006

Figure 112019062628615-pat00007
는 GPS 위성이 송신하는 RHCP 신호가 그대로 RHCP 신호로 반사되는 정도이고,
Figure 112019062628615-pat00008
는 LHCP 신호로 반사되는 정도임
Figure 112019062628615-pat00007
Is the degree to which the RHCP signal transmitted by the GPS satellite is reflected as an RHCP signal.
Figure 112019062628615-pat00008
Is the amount reflected by the LHCP signal

상기 회귀식은 아래의 수학식을 정의될 수 있다. The regression equation may define the following equation.

[수학식][Equation]

Figure 112019062628615-pat00009
Figure 112019062628615-pat00009

여기서 y는 GPS 반사파 신호 수신 장치에서 관측한 LHCP의 SNR(단위: dB)이며, x는 관측된 GPS 위성의 고도각(단위:°)임Where y is the SNR (in dB) of the LHCP observed by the GPS echo signal receiver, and x is the altitude angle (in degrees) of the observed GPS satellites.

본 발명의 다른 측면에 따르면, GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 방법으로서, 상기 GPS 위성의 고도각의 변화에 따른 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호인 LHCP 신호의 SNR을 획득하는 단계; 상기 고도각의 변화에 따른 SNR에 상응하는 회귀식을 산출하는 단계; 및 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기 회귀식에 따른 직선 또는 곡선의 상대적 위치를 이용하여 평균 토양 수분량을 결정하는 단계를 포함하는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a method for measuring soil moisture using a GPS reflected wave signal, the method comprising: obtaining an SNR of an LHCP signal, which is a GPS reflected wave signal reflected from soil according to a change in an elevation angle of the GPS satellite; Calculating a regression equation corresponding to the SNR according to the change of the elevation angle; And determining a mean soil moisture content using a relative position of a straight line or a curve according to the regression equation in the theoretical value of the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated at different soil moisture levels. A method of measuring soil moisture content using a reflected wave signal is provided.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기한 방법을 수행하는 기록매체에 저장되는 프로그램이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a program stored in a recording medium for performing the above method.

본 발명에 따르면, 미리 계산된 값과, 멀티패스를 고려하여 소정 관계식으로 변환한 현재 측정값을 이용하여 토양 수분량을 정확히 산출할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that the soil moisture amount can be accurately calculated using a pre-calculated value and a current measured value converted into a predetermined relation in consideration of the multipath.

또한, 본 발명에 따르면, 무료이며 전 세계 어디서 수신이 가능한 GPS 위성을 활용하기 때문에 간단한 방법으로 토양의 수분량을 산출할 수 있는 장점이 있다. In addition, according to the present invention, there is an advantage that it is possible to calculate the moisture content of the soil by a simple method because it uses a GPS satellite that can be received free and anywhere in the world.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 산출 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 반사파 신호 수신 장치의 설치 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 반사파 신호 수신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 RHCP와 LHCP 신호가 거울상처럼 매끈한 지면일 때, 토양 수분량에 따라 변하는 민감도를 이론적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 표면 거칠기 및 멀티패스 등을 고려한 현실적인 토양 조건에서, 위성의 각도(고도각, x축) 및 토양 수분량에 따른 GPS 반사파 신호인 RHCP와 LHCP 신호의 SNR 값(y축)을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LHCP 신호의 SNR 변화를 이론적 계산값 위에 중첩하여 평균 토양 수분량을 산출한 결과를 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 본 실시예에 따른 방법으로 산출한 토양 수분량과 탐침형 토양 수분량 측정기 4대로 토양 수분량들의 비교 검증 결과의 예이다. 1 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for calculating soil moisture using a GPS echo signal according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an installation state of the reflected wave signal receiving apparatus according to the present embodiment.
3 is a diagram illustrating a configuration of a reflected wave signal receiving apparatus according to the present embodiment.
4 is a view showing theoretically the sensitivity that changes depending on soil moisture when the RHCP and LHCP signals are mirror smooth surfaces.
FIG. 5 illustrates SNR values (y-axis) of RHCP and LHCP signals, which are GPS reflected waves signals according to satellite angles (altitude, x-axis) and soil moisture in realistic soil conditions considering surface roughness and multipath.
FIG. 6 illustrates a result of calculating an average soil moisture amount by superposing an SNR change of an LHCP signal on a theoretical calculated value according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an example of a comparison verification result between soil moisture content and four probe-type soil moisture content meters calculated by the method according to the present embodiment of FIG. 6.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.As the present invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은 GPS 위성에서 송신하는 원형 편광 마이크로파가 토양에서 반사되는 신호를 이용하여 토양의 수분량(상대적 수분량)을 산출한다. The present invention calculates the moisture content (relative moisture content) of the soil by using the signal reflected from the soil by the circularly polarized microwaves transmitted from the GPS satellites.

GPS 위성이 송신하는 원형 편광 마이크로파는 RHCP 신호이며, 토양에서 반사되는 경우 RHCP 신호 중 일부가 LHCP 신호로 변환되어 반사되며, 본 실시예에 따른 토양 수분량 산출 장치는 토양으로부터 반사되어 반사파 신호인 LHCP 신호를 수신 및 처리하여 토양의 수분량을 산출한다. The circularly polarized microwaves transmitted by the GPS satellites are RHCP signals, and when they are reflected in the soil, some of the RHCP signals are converted into LHCP signals and reflected. The soil moisture content calculating device according to the present embodiment is reflected from the soil and reflected by LHCP signals. Receive and process it to calculate the moisture content of the soil.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 산출 장치의 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for calculating soil moisture using a GPS echo signal according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 토양 수분량 산출 장치는 프로세서(100), 메모리(102) 및 통신부(104)를 포함할 수 있으며, 통신부(104)를 반사파 신호 수신 장치(110)로부터 토양에서 반사된 GPS 반사파 신호를 수신한다. As shown in FIG. 1, the apparatus for calculating soil moisture according to the present embodiment may include a processor 100, a memory 102, and a communication unit 104, and the communication unit 104 may include a reflected wave signal receiving device 110. Receives a GPS echo signal reflected from the soil from the soil.

여기서, 반사파 신호 수신 장치(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 관측대상이 되는 토양의 소정 위치에 고정 설치되어 GPS 위성이 송신하는 신호 및 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호를 수신할 수 있다. Here, as shown in FIG. 2, the apparatus 100 for receiving a reflected wave signal may receive a GPS reflected wave signal reflected from the soil and fixedly installed at a predetermined position of the soil to be observed.

그러나, 이에 한정됨이 없이 반사파 신호 수신 장치(110)는 차량, 드론 또는 항공기 등에 이동 가능하게 설치될 수도 있다. However, the present invention is not limited thereto, and the reflected wave signal receiving device 110 may be installed to be movable in a vehicle, a drone, or an aircraft.

또한, 토양 수분량 산출 장치가 반사파 신호 수신 장치 내에 내장되는 경우 통신부(104)는 구비하지 않을 수 있다. In addition, the communication unit 104 may not be provided when the soil moisture content calculating device is embedded in the reflected wave signal receiving device.

도 3은 본 실시예에 따른 반사파 신호 수신 장치의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a configuration of a reflected wave signal receiving apparatus according to the present embodiment.

도 3에 도시된 바와 같이, 반사파 신호 수신 장치는 GPS 위성이 송신하는 RHCP 신호(직접 신호)를 수신하는 제1 안테나(200), 토양으로부터 반사되는 RHCP 신호 및 LHCP 신호를 수신하는 제2 안테나(302)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 안테나(300,302)는 패치안테나일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. As shown in FIG. 3, the apparatus for receiving a reflected wave signal includes a first antenna 200 for receiving an RHCP signal (direct signal) transmitted by a GPS satellite, a second antenna for receiving an RHCP signal and an LHCP signal reflected from a soil ( 302). Here, the first and second antennas 300 and 302 may be patch antennas, but are not necessarily limited thereto.

제1 안테나(300) 및 제2 안테나(302)를 통해 수신된 신호는 RF 전단부(304)로 입력되어 필터링 및 증폭된다. The signal received through the first antenna 300 and the second antenna 302 is input to the RF front end 304 is filtered and amplified.

GPS 신호 처리부(306)는 RF 전단부(304)에서 입력된 GPS 반사파 신호의 SNR 변환을 수행하고, 신호를 송신한 위성의 고도각 정보를 획득한다. The GPS signal processor 306 performs SNR conversion of the GPS reflected wave signal input from the RF front end 304 and acquires elevation angle information of the satellite that transmitted the signal.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 토양 수분량 산출을 위해 고도각에 따른 토양에서 반사된 LHCP 신호를 이용하며, 이에 따라 GPS 신호 처리부(306)는 LHCP 신호의 SNR을 산출한다. According to an embodiment of the present invention, the LHCP signal reflected from the soil according to the elevation angle is used to calculate the soil moisture content, and accordingly, the GPS signal processor 306 calculates the SNR of the LHCP signal.

도 4는 RHCP와 LHCP 신호가 거울상처럼 매끈한 지면일 때, 토양 수분량에 따라 변하는 민감도를 이론적으로 나타낸 도면이다. 4 is a view showing theoretically the sensitivity that changes depending on soil moisture when the RHCP and LHCP signals are mirror smooth surfaces.

도 4에 도시된 바와 같이, 토양 수분량이 0.1(즉 10%), 0.6(즉 60%)일 때를 가정하여 계산된 결과를 보여준다. 즉, 토양에서 반사된 LHCP 신호가 RHCP 신호에 비해 토양 수분량에 민감함을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the calculated results are assumed assuming that the soil moisture content is 0.1 (ie, 10%) and 0.6 (ie, 60%). That is, it can be seen that the LHCP signal reflected from the soil is more sensitive to soil moisture than the RHCP signal.

산출된 LHCP 신호의 SNR 정보, 고도각 정보가 토양 수분량 산출 장치로 입력된다. The SNR information and the elevation angle information of the calculated LHCP signal are input to the soil moisture content calculating device.

반사파 신호 수신 장치는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR을 토양 수분량 산출 장치로 전송할 수 있다. The echo signal receiving apparatus may transmit the SNR of the LHCP signal according to the elevation angle to the soil moisture calculating apparatus through a wired or wireless network.

토양 수분량 산출 장치는 프로세서(100) 및 메모리(102)를 통해 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR을 이용하여 토양의 수분량을 산출한다. The soil moisture content calculating device calculates the soil moisture amount using the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle through the processor 100 and the memory 102.

프로세서(100)는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다. The processor 100 may include a central processing unit (CPU) or other virtual machine capable of executing a computer program.

메모리(102)는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리(102)는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.The memory 102 may include nonvolatile storage devices such as fixed hard drives or removable storage devices. The removable storage device may include a compact flash unit, a USB memory stick, or the like. The memory 102 may also include volatile memory, such as various random access memories.

이와 같은 메모리(102)에는 프로세서(100)에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들이 저장된다. The memory 102 stores program instructions executable by the processor 100.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 메모리(102)는 GPS 위성의 고도각의 변화에 따른 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호인 LHCP 신호의 SNR을 획득하고, 고도각의 변화에 따른 SNR에 상응하는 회귀식을 산출하고, 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기 회귀식에 따른 직선 또는 곡선의 상대적 위치를 이용하여 평균 토양 수분량을 결정하도록, 프로세서(100)에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들을 저장한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the memory 102 obtains the SNR of the LHCP signal, which is a GPS reflected wave signal reflected from the soil according to the change of the elevation angle of the GPS satellite, and corresponds to the SNR according to the change of the elevation angle. Calculate the regression equation and use the relative position of the straight or curved line according to the regression equation to determine the average soil moisture content from the theoretical values for the sensitivity of the SNR of the LHCP signal to the pre-calculated elevation angles at different soil moisture levels. Stores program instructions executable by the processor 100.

본 실시예에 따른 토양 수분량 산출 장치는 저장부(106)를 추가로 포함할 수 있으며, 저장부(106)에는 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값을 저장한다. The soil moisture content calculation apparatus according to the present embodiment may further include a storage unit 106, and the storage unit 106 may include a theory of the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated at different soil moisture levels. Save the value.

본 실시예에 따르면, 상기한 이론값은 선형 편광 반사계수, GPS 위성의 신호의 RHCP 신호 또는 LHCP 신호로의 반사도 및 굴절지수와 토양 수분량의 관계식을 이용하여 결정될 수 있다. According to the present embodiment, the above theoretical value may be determined using a linear polarization reflection coefficient, a reflectance of a GPS satellite signal to an RHCP signal or an LHCP signal, and a relationship between a refractive index and soil moisture content.

이하에서는 본 실시예에 따른 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값의 도출 과정을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a process of deriving a theoretical value for the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated in different soil moisture amounts according to the present embodiment will be described in detail.

아래 수학식 1은 선형 편광 계수의 반사계수를 나타낸 것이다. Equation 1 below shows the reflection coefficient of the linear polarization coefficient.

Figure 112019062628615-pat00010
Figure 112019062628615-pat00010

여기서,

Figure 112019062628615-pat00011
는 수직 편광 반사계수,
Figure 112019062628615-pat00012
는 수평 편광 반사계수를 나타내고,
Figure 112019062628615-pat00013
는 지표면(토양)에서 반사되는 GPS 반사파 신호의 각도(고도각)이고,
Figure 112019062628615-pat00014
는 토양의 굴절지수(refractive index, 굴절률) 또는 유전상수(Dielectric constant)를 의미한다. here,
Figure 112019062628615-pat00011
Is the vertical polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00012
Represents the horizontal polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00013
Is the angle (elevation angle) of the GPS echo signal reflected from the ground (soil),
Figure 112019062628615-pat00014
Means the refractive index of the soil (refractive index) or dielectric constant (Dielectric constant).

그리고, 다음 수학식 2는 GPS 위성이 송신하는 RHCP 신호가 그대로 RHCP 신호로 반사되는 정도(

Figure 112019062628615-pat00015
), LHCP 신호로 반사되는 정도(
Figure 112019062628615-pat00016
)를 나타낸 것이다. In addition, Equation 2 below shows the degree to which the RHCP signal transmitted by the GPS satellite is reflected as the RHCP signal (
Figure 112019062628615-pat00015
), The degree to which the LHCP signal is reflected (
Figure 112019062628615-pat00016
).

Figure 112019062628615-pat00017
Figure 112019062628615-pat00017

본 실시예에 따른 RHCP 및 LHCP 신호는 원형 편광 마이크로파로서, 이는 수직 및 수평 편광의 반사계수의 조합으로 표현할 수 있다. The RHCP and LHCP signals according to the present embodiment are circularly polarized microwaves, which can be expressed by a combination of reflection coefficients of vertical and horizontal polarizations.

본 실시예에서는 토양의 수분량이 토양에서 반사되는 LHCP 신호에 민감하다는 물리적 성질을 고려하여

Figure 112019062628615-pat00018
를 측정값으로 이용한다. In this embodiment, considering the physical properties that the moisture content of the soil is sensitive to the LHCP signal reflected from the soil
Figure 112019062628615-pat00018
Is used as the measured value.

본 실시예에 따르면, 상기한 수학식 1 및 2와 토양 수분량 및 굴절률(유전율)과의 관계식을 이용하여 이론값을 산출한다. According to this embodiment, the theoretical value is calculated using the relation between the above equations 1 and 2 and the soil moisture content and the refractive index (dielectric constant).

토양 수분량 및 굴절률(또는 유전율)과의 관계식은 다음과 같이 Dobson 식이 이용될 수 있다. The Dobson equation can be used as the relationship between the soil moisture content and the refractive index (or permittivity).

Figure 112019062628615-pat00019
Figure 112019062628615-pat00019

여기서

Figure 112019062628615-pat00020
는 dielectric constant for soil (토양의 유전상수),
Figure 112019062628615-pat00021
는 the bulk of density of the soil (~1.3
Figure 112019062628615-pat00022
), 는 the special density of the soil (2.664
Figure 112019062628615-pat00023
),
Figure 112019062628615-pat00024
는 dielectric constant of dry soil (~4.7),
Figure 112019062628615-pat00025
는 dielectric constant of water,
Figure 112019062628615-pat00026
,
Figure 112019062628615-pat00027
,
Figure 112019062628615-pat00028
,
Figure 112019062628615-pat00029
이다. S와 C는 모래(Sand)와 점토(Clay)의 퍼센트값이고,
Figure 112019062628615-pat00030
는 토양 수분량을 의미하며 단위는
Figure 112019062628615-pat00031
이다.here
Figure 112019062628615-pat00020
Is the dielectric constant for soil,
Figure 112019062628615-pat00021
Is the bulk of density of the soil (~ 1.3
Figure 112019062628615-pat00022
), The special density of the soil (2.664
Figure 112019062628615-pat00023
),
Figure 112019062628615-pat00024
The dielectric constant of dry soil (~ 4.7),
Figure 112019062628615-pat00025
The dielectric constant of water,
Figure 112019062628615-pat00026
,
Figure 112019062628615-pat00027
,
Figure 112019062628615-pat00028
,
Figure 112019062628615-pat00029
to be. S and C are the percentages of Sand and Clay,
Figure 112019062628615-pat00030
Means soil moisture and the unit is
Figure 112019062628615-pat00031
to be.

수학식 3은 토양 수분량과 유전률과의 관계를 나타낸 것이고, 수학식 1은 수직/수평 편광계수와 굴절률과의 관계를 나타낸 것이며, 수학식 2는 수직/수평 편광계수로 표현한 RHCP/LHCP의 반사도이므로, 유전률과 굴절률의 관계 및 수학식 1 내지 3을 통해, 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값을 계산할 수 있다. Equation 3 shows the relationship between the soil moisture content and the dielectric constant, Equation 1 shows the relationship between the vertical / horizontal polarization coefficient and the refractive index, and Equation 2 is the reflectivity of the RHCP / LHCP expressed in the vertical / horizontal polarization coefficient. Through the relationship between the dielectric constant and the refractive index, and Equations 1 to 3, the theoretical value for the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated at different soil moisture content can be calculated.

도 5는 표면 거칠기 및 멀티패스 등을 고려한 현실적인 토양 조건에서, 위성의 각도(고도각, x축) 및 토양 수분량에 따른 GPS 반사파 신호인 RHCP와 LHCP 신호의 SNR 값(y축)을 나타낸 것이다. FIG. 5 illustrates SNR values (y-axis) of RHCP and LHCP signals, which are GPS reflected waves signals according to satellite angles (altitude, x-axis) and soil moisture in realistic soil conditions considering surface roughness and multipath.

도 5는 서로 다른 토양 수분량에서, 위성의 고도각(x축) 및 RHCP와 LHCP 신호의 민감도를 상기한 수학식 3을 이용하여 이론적으로 계산한 것이다. 5 is a theoretical calculation of the altitude angle (x-axis) and the sensitivity of the RHCP and LHCP signal of the satellite in different soil moisture content using the above equation (3).

도 5에 도시된 바와 같이, RHCP 신호에 비해, LHCP 신호가 토양 수분량에 따라 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다. As shown in Figure 5, compared to the RHCP signal, it can be seen that the LHCP signal is sensitive to the soil moisture content.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LHCP 신호의 SNR 변화를 이론적 계산값 위에 중첩하여 평균 토양 수분량을 산출한 결과를 도시한 것이다. FIG. 6 illustrates a result of calculating an average soil moisture amount by superposing an SNR change of an LHCP signal on a theoretical calculated value according to an embodiment of the present invention.

토양 수분량을 산출하기 위해 아래와 같은 회귀식이 사용될 수 있다. The following regression equation can be used to calculate soil moisture.

Figure 112019062628615-pat00032
Figure 112019062628615-pat00032

여기서 y는 GPS 반사파 신호 수신 장치에서 관측한 LHCP의 SNR(단위: dB)값이며, x는 관측된 GPS 위성의 고도각(단위:°)이다.Where y is the SNR (in dB) of the LHCP observed by the GPS echo signal receiver, and x is the altitude (in degrees) of the observed GPS satellites.

도 6을 참조하면, 시간의 변화에 따라 위성의 고도각이 변화하며 멀티패스 등으로 인해, LHCP 신호의 SNR의 편차가 크게 변화하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the altitude angle of the satellite changes with time, and the SNR deviation of the LHCP signal changes significantly due to the multipath.

본 실시예에 따르면, 실제로 관측된 위성의 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR을 수학식 4와 같은 회귀식에 산출하고, 서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기한 회귀식에 따른 직선 또는 곡선(600)의 상대적 위치를 이용하여 토양 수분량을 산출한다. According to the present embodiment, the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle of the actually observed satellite is calculated in a regression equation as shown in Equation 4, and the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated at different soil moisture levels. For the theoretical value, the soil moisture content is calculated using the relative position of the straight line or curve 600 according to the above regression equation.

여기서, 회귀식에 따른 직선 또는 곡선은 관측된 LHCP 신호의 SNR의 시간 평균 값으로 정의할 수 있다. Here, the straight line or the curve according to the regression equation may be defined as a time average value of the SNR of the observed LHCP signal.

도 6에서는 토양 수분량의 0.1 내지 0.6의 이론적 계산값만을 도시하였으나, 이에 한정됨이 없이 0 내지 1까지 범위에서 소정 간격으로 이론적 계산값이 미리 결정될 수 있으며, 회귀식도 2차식이 아닌 1차식 또는 그밖에 다항식이 사용될 수도 있다. In FIG. 6, only theoretical calculations of 0.1 to 0.6 of soil moisture are shown, but the present invention is not limited thereto, and theoretical calculations may be predetermined at predetermined intervals in a range of 0 to 1, and a regression equation is a linear or other polynomial. May be used.

도 7은 도 6의 본 실시예에 따른 방법으로 산출한 토양 수분량과 탐침형 토양 수분량 측정기 4대로 토양 수분량들의 비교 검증 결과의 예이다. FIG. 7 is an example of a comparison verification result between soil moisture content and four probe-type soil moisture content meters calculated by the method according to the present embodiment of FIG. 6.

도 7a는 관측 가능했던 GPS위성 7대, 즉, 02, 06, 09, 17, 19, 23, 28번 GPS 위성들의 반사파 신호를 이용해 산출한 토양 수분량이고, 결과적으로 평균 토양수분 값은 0.259이다. FIG. 7A shows the soil moisture calculated using the reflected wave signals of the seven GPS satellites, ie, GPS satellites 02, 06, 09, 17, 19, 23, and 28, and as a result, the average soil moisture value is 0.259.

도 7b는 탐침형 토양 수분량 측정기(Sensor1,2,3,4)로 밭에서 직접 관측한 토양 수분량들의 변화로써, 평균 토양 수분량은 0.237이다. 결과적으로 본 발명에서 제시하는 방법은 토양 수분량 측정에 매우 정확함을 알 수 있다. Figure 7b is a change in the soil moisture of the soil directly observed in the field with a probe type soil moisture meter (Sensor1, 2, 3, 4), the average soil moisture is 0.237. As a result, it can be seen that the method proposed in the present invention is very accurate for measuring soil moisture content.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention may make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Should be considered to be within the scope of the following claims.

Claims (7)

GPS 위성의 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치로서,
프로세서; 및
상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
상기 메모리는,
상기 GPS 위성의 고도각의 변화에 따른 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호인 LHCP 신호의 SNR을 획득하고,
상기 GPS 위성의 고도각을 변수로 하는 각 고도각에서의 LHCP 신호의 SNR에 대한 다항식으로 구성된 회귀식을 산출하고,
서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기 회귀식에 따른 직선 또는 곡선의 상대적 위치를 이용하여 평균 토양 수분량을 결정하도록,
상기 프로세서에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들을 저장하는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치.As a soil moisture measurement device using the reflected signal of GPS satellites,
A processor; And
Including a memory coupled to the processor,
The memory,
Acquiring the SNR of the LHCP signal which is the GPS reflected wave signal reflected from the soil according to the change of the altitude angle of the GPS satellite,
Calculating a regression formula consisting of a polynomial for the SNR of the LHCP signal at each elevation angle using the elevation angle of the GPS satellite as a variable,
From the theoretical values for the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the pre-calculated elevation angles at different soil moisture levels, to determine the average soil moisture content using the relative position of the straight line or curve according to the regression equation,
An apparatus for measuring soil moisture using a GPS echo signal for storing program instructions executable by the processor. 제1항에 있어서,
상기 이론값은,
수직/수평 편광계수와 굴절률과의 관계식, 수직/수평 편광계수로 표현한 RHCP/LHCP 신호의 반사도에 관한 관계식 및 토양 수분량과 유전률과의 관계식을 통해 결정되는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치.The method of claim 1,
The theoretical value is
A soil moisture content measuring device using a GPS reflection wave signal determined through a relationship between a vertical / horizontal polarization coefficient and a refractive index, a relation about reflectivity of an RHCP / LHCP signal expressed in a vertical / horizontal polarization coefficient, and a relationship between soil moisture content and dielectric constant. 제2항에 있어서,
상기 수직/수평 편광계수와 굴절률과의 관계식은 아래의 수학식으로 정의되는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치.
[수학식]
Figure 112019062628615-pat00033

여기서,
Figure 112019062628615-pat00034
는 수직 편광 반사계수,
Figure 112019062628615-pat00035
는 수평 편광 반사계수를 나타내고,
Figure 112019062628615-pat00036
는 지표면(토양)에서 반사되는 GPS 반사파 신호의 각도(고도각)이고,
Figure 112019062628615-pat00037
는 토양의 굴절지수(refractive index, 굴절률) 또는 유전상수(Dielectric constant)임The method of claim 2,
The relationship between the vertical / horizontal polarization coefficient and the refractive index is a soil moisture measurement device using a GPS reflected wave signal defined by the following equation.
[Equation]
Figure 112019062628615-pat00033

here,
Figure 112019062628615-pat00034
Is the vertical polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00035
Represents the horizontal polarization reflection coefficient,
Figure 112019062628615-pat00036
Is the angle (elevation angle) of the GPS echo signal reflected from the ground (soil),
Figure 112019062628615-pat00037
Is the soil's refractive index or dielectric constant 제2항에 있어서,
상기 수직/수평 편광계수로 표현한 RHCP/LHCP 신호의 반사도에 관한 관계식은 아래의 수학식으로 정의되는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치.
[수학식]
Figure 112019062628615-pat00038

Figure 112019062628615-pat00039
는 GPS 위성이 송신하는 RHCP 신호가 그대로 RHCP 신호로 반사되는 정도이고,
Figure 112019062628615-pat00040
는 LHCP 신호로 반사되는 정도임The method of claim 2,
The relationship relating to the reflectivity of the RHCP / LHCP signal expressed by the vertical / horizontal polarization coefficient is a soil moisture measurement device using a GPS reflected wave signal defined by the following equation.
[Equation]
Figure 112019062628615-pat00038

Figure 112019062628615-pat00039
Is the degree to which the RHCP signal transmitted by the GPS satellite is reflected as an RHCP signal.
Figure 112019062628615-pat00040
Is the amount reflected by the LHCP signal 제1항에 있어서,
상기 회귀식은 아래의 수학식을 정의되는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 장치.
[수학식]
Figure 112019062628615-pat00041

여기서 y는 GPS 반사파 신호 수신 장치에서 관측한 LHCP의 SNR(단위: dB)이며, x는 관측된 GPS 위성의 고도각(단위:°)임The method of claim 1,
The regression equation is a soil moisture measurement device using a GPS echo signal defined by the following equation.
[Equation]
Figure 112019062628615-pat00041

Where y is the SNR (in dB) of the LHCP observed by the GPS echo signal receiver, and x is the altitude angle (in degrees) of the observed GPS satellites. GPS 위성의 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 방법으로서,
상기 GPS 위성의 고도각의 변화에 따른 토양으로부터 반사되는 GPS 반사파 신호인 LHCP 신호의 SNR을 획득하는 단계;
상기 GPS 위성의 고도각을 변수로 하는 각 고도각에서의 LHCP 신호의 SNR에 대한 다항식으로 구성된 회귀식을 산출하는 단계; 및
서로 다른 토양 수분량에서 미리 계산된 고도각에 따른 LHCP 신호의 SNR의 민감도에 대한 이론값에서, 상기 회귀식에 따른 직선 또는 곡선의 상대적 위치를 이용하여 평균 토양 수분량을 결정하는 단계를 포함하는 GPS 반사파 신호를 이용한 토양 수분량 측정 방법.Soil moisture measurement method using the reflected signal of GPS satellites,
Acquiring an SNR of an LHCP signal, which is a GPS reflected wave signal reflected from soil according to a change in an elevation angle of the GPS satellites;
Calculating a regression formula consisting of a polynomial for the SNR of the LHCP signal at each elevation angle using the elevation angle of the GPS satellite as a variable; And
GPS reflected waves comprising determining average soil moisture using the relative position of a straight or curved line according to the regression equation in the theoretical value of the sensitivity of the SNR of the LHCP signal according to the altitude angle previously calculated at different soil moisture levels. Soil moisture determination method using signal. 제6항에 따른 방법을 수행하는 기록매체에 저장되는 프로그램.
A program stored in a record carrier for performing the method of claim 6.
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