一种精确校正制造技术

本发明专利技术公开了一种精确校正

【技术实现步骤摘要】
一种精确校正GNSS
‑
IR异常相位的两步法


[0001]本专利技术属于
GNSS
干涉反射遥感及土壤湿度监测
，更具体地涉及一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法
。

技术介绍

[0002]土壤湿度是农业
、
气象和水文研究的重要参数
。
准确的土壤湿度对农业灌溉
、
天气预报和洪水预警具有重要意义
。
全球导航卫星系统干涉反射测量
(globalnavigationsatellitesysteminterferometricreflectometry
，
GNSS
‑
IR)
是一种新型微波遥感技术，它利用卫星信号在接收器上的直射和反射产生的干涉效应来获取地表参数
。
目前，该技术已经实现对植被覆盖
、
土壤湿度
、
海面高度和积雪厚度等参数的有效监测
。
[0003]目前，对于利用
GNSS
‑
IR
反演土壤湿度，现有研究主要通过非线性最小二乘法
(non
‑
linearleastsquares
，
NLS)
原理拟合信噪比
(signaltonoiseratio
，
SNR)
中的调制项，求解其特征参数
(
相位和振幅
)
，进而建立特征参数与土壤湿度之间的映射关系
。
特征参数的准确性直接影响到土壤湿度反演的可靠性
。
现有方法主要通过剔除异常数据或质量较差的卫星轨道来提高特征参数的质量
。
然而，这不仅减少了可用的卫星轨迹数目，也破坏了时间序列特征参数的连续性
。
此外，目前使用
NLS
求解特征参数的合理性也缺乏深入研究
。
本专利技术旨在解决当前
GNSS
‑
IR
反演土壤湿度中，因相位质量较差而受到限制的问题，通过分析异常相位产生的原因，提出一种数据质量控制方法，可以对各类异常相位进行精确检测与校正，增加可用卫星轨道数并提高各卫星轨道相位质量
。
本专利技术为多源
GNSS
高精度实时土壤湿度监测奠定了数据基础，使其更好地服务于精准农业等应用领域
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法
。
所提方法主要分为两步：第一步，根据余弦函数的周期性特点，扩展
GNSS
‑
IR
的标准拟合公式，构建一种信噪比周期法来校正非线性最小二乘法自身局限性所导致的整周期和半周期跳变的相位
。
第二步，通过将
Z
‑
score
方法与
Savitzky
‑
Golay
滤波相结合，准确检测与修复因多路径环境因素引起的小于半周期跳变的相位
。
两个步骤结合对异常相位进行精确校正，从而提高相位与土壤湿度的相关性
。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现上述目的，具体包括以下步骤：
[0006]步骤一：卫星相位求解
。
通过对
GNSS
观测数据进行预处理，获得
SNR
中的调制项
。
对卫星调制项进行重采样后，采用
NLS
拟合调制项，求解得到各卫星对应的特征参数
(
相位
、
振幅
)
，拟合的公式如下：
[0007][0008]其中，
SNR
r
是卫星的调制项，
f
是最大功率振幅对应的频率，
A
r
和分别是调制项的振幅和相位
。
[0009]步骤二：探究
NLS
的局限性
。
作为一种常用的数学优化技术，
NLS
通过最小化函数残
差的平方和来寻找最优解
。
然而，由于搜索方向和步长选择的局限性，该方法易受局部信息影响，陷入局部最优解，导致参数结果为局部最小值
。
[0010]步骤三：异常相位的成因分析与特征：
GNSS
‑
IR
的
SNR
调制项拟合公式是一个具有周期性的标准余弦函数
。
因此，在利用
NLS
拟合求解相位时，如果获得的相位为余弦函数的局部最小值，则该相位将落在余弦函数的极小值点或极大值点上，导致所得相位整周期或半周期异常跳变
。
此外，多路径环境因素也会直接影响
NLS
拟合精度，导致产生小于半周期跳变的相位
。
[0011]步骤四：整周期或半周期跳变的相位校正
。
基于余弦函数的周期性特性及
NLS
自身局限性，本专利技术提出了一种
SNR
周期法，用于校正
NLS
拟合时因自身局限性导致的相位整周期和半周期异常跳变
。
[0012]步骤五：小于半周期跳变的相位检测和修复
。
采用
Z
‑
score
和
SGF
检测和修复因多路径环境因素引起的小于半周期跳变的相位，得到更为准确的相位
。
[0013]步骤六：相关性分析
。
基于校正
、
检测和修复后的卫星轨道相位，对比分析其与土壤湿度之间的相关性
。
[0014]与现有技术相比，本专利技术提出的一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法，能够针对
NLS
自身局限性和多路径环境因素引起的异常相位，通过两步法对异常相位进行校正与修复：第一步，构建一种信噪比周期法来校正非线性最小二乘法自身局限性所导致的整周期和半周期跳变的相位；第二步，通过将
Z
‑
score
方法与
Savitzky
‑
Golay
滤波相结合，准确检测与修复因多路径环境因素引起的小于半周期跳变的相位
。
通过两步法能够增加了更多可用的卫星，显著的提高了相位的质量，确保了相位在时间序列上的连续性
。
此外，与原始相位进行比较，通过本专利技术方法精确校正后的相位与土壤湿度之间的相关性有了明显提高，为
GNSS
‑
IR
高精度实时土壤湿度监测奠定了数据基础，更好地服务于精准农本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过对
GNSS
观测数据进行预处理，获得
SNR
中的调制项；对各卫星的调制项重采样后，采用非线性最小二乘法
(Non
‑
linearLeastSquares
，
NLS)
对其进行拟合，得到各卫星所对应的特征参数
(
相位
、
振幅
)
；步骤二：探究
NLS
的局限性；作为一种常用的数学优化技术，
NLS
通过最小化函数残差的平方和来寻找最优解；然而，由于搜索方向和步长选择的局限，该方法易受局部信息影响，陷入局部最优解，导致参数结果为局部最小值；步骤三：异常相位的成因分析与特征：
GNSS
‑
IR
的
SNR
调制项拟合公式是一个具有周期性的标准余弦函数；因此，在利用
NLS
拟合求解相位时，如果获得的相位为余弦函数的局部最小值，则该相位将落在余弦函数的极小值点或极大值点上，导致所得相位为整周期或半周期跳变；此外，多路径环境因素也会直接影响
NLS
拟合精度，导致产生小于半周期跳变的相位；步骤四：整周期或半周期跳变的相位校正；基于余弦函数的周期性特性及
NLS
自身的局限性，本发明构建了一种
SNR
周期法，用于校正
NLS
拟合导致整周期和半周期跳变的相位；步骤五：小于半周期跳变的相位检测和修复；采用
Z
‑
score
和
SGF
检测和修复因多路径环境因素引起的小于半周期跳变的相位，得到更为准确的各卫星相位；步骤六：相关性分析；基于校正
、
检测和修复后的卫星轨道相位，对比分析其与土壤湿度之间的相关性
。2.
根据权利要求1所述的一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法，其特征在于步骤二中，
NLS
是一种常用的数学优化技术，该优化方法通过使函数残差的平方和最小化来达到目标，目标函数为：在优化过程中，由于搜索方向和步长的选择，容易受限于当前点的局部信息，从而陷入局部最优解；即所求参数为局部最小值，即：
F
′
(t
*
)
＝
0(3)t
*
为
F(t)
函数的驻点，驻点
t
*
会存在以下3种情况：极小值点，极大值点和鞍点
。3.
根据权利要求1所述的一种精确校正
GNSS
‑
IR
异常相位的两步法，其特征在于步骤三中，
SNR
调制项的拟合公式是一个具有周期性的余弦函数，其定义为：
cos
α
＝
cos(
α
+2l
π
)(4)
其中
l∈Z
，且
l≠0
；这意味着它每隔2π
就完成余弦图形的一个完整周期；当余弦函数经过半周期
π
时：
cos
α
＝
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁月吉，朱丙林，赖建民，任超，刘银涛，卢献健，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：