【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于gnss干涉反射遥感及土壤湿度监测，更具体地涉及一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法。
技术介绍
1、土壤湿度是预测洪涝、干旱和气候变化以及优化农业管理的关键地球物理指标，科学、准确地获取土壤含水量对水文、气象、农业等领域具有重要意义。在传统的土壤湿度测量方法中，存在适用范围小、成本高、全远程自动化监测不易实现等短板。近年来，利用反射的gnss信号作为环境数据来源对地物参数进行监测成为一种新型的微波遥感手段，这种技术被称为全球导航卫星系统干涉反射测量法（global navigation satellite systeminterferometric reflectometry，gnss-ir）。其具有全天候、全天时、多信号源、宽覆盖等优势，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。
2、目前，已有算法或模型难以实现模型参数的可视化，通过构建物理或数学模型将更有利于土壤湿度的监测。传统方法需要提取信噪比（signal to noise ratio，snr）反射分量，其检索土壤湿度的精度很大程度上取决于snr的观测质量以及snr直射分量能否被成功拟合剔除，因此寻找snr的代替量成为必然。通过线性组合单频信号的伪距和载波相位观测值得到的组合多路径误差通常包含地表参数信息，同时伴随着地表环境噪声、接收机天线噪声等。并不是每颗卫星的单频组合信号都可用，如何优选可用卫星成为关键。利用单频组合多路径误差解算出相位差后，如何联合多卫星相位差实现高时
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提出一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值gnss组合观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法。该方法构建单频信号的伪距和载波相位组合得到单频组合多路径误差，并结合maf消除组合电离层误差。截取10°-20°卫星仰角范围内的单频组合信号，通过l-s频谱分析筛选可用卫星。截取固定仰角值附近一定数量的单频多路径误差作为观测值，通过等权最小二乘法（equal weight-least squaremethod，ew-lsm）解算出相位延迟。当某时刻测站上方出现多颗同一系统可用卫星时，为有效结合不同方位卫星反射的地面土壤湿度信息，取全部相位延迟的均值作为该时刻的最终相位。同时，根据一元线性回归原理构建一元线性回归（univariate linear regression,ulr）土壤含水量监测模型，精准地监测地面土壤湿度信息的波动。
2、本专利技术通过以下技术方案实现上述目的。
3、一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法，包括以下步骤：
4、s1：gnss数据及土壤湿度获取。随机选取土壤湿度监测站点，通过gnss地基接收机获取原始观测值文件和对应卫星星历文件，并在站点周围布设土壤湿度采集探针，实现对测站0-5 cm深处的土壤湿度变化的实时监测。
5、s2：gnss数据预处理。根据gnss地基接收机接收到的原始数据，提取所有卫星的全波段的载波相位观测值、伪距观测值、仰角、方位角和历元等信息，并探测和修复载波相位的周跳。同时，设定卫星仰角和卫星方位角区间，根据惠更斯-菲涅尔原理，确定出以测站位土壤湿度的有效监测区域，为多卫星联合检索土壤湿度的卫星最优筛选结果提供一定的基础。
6、s3：单频组合多路径误差的计算。对单颗卫星的同一频段的伪距和载波相位观测值进行线性组合，得到无几何距离组合，即码减去载波相位（code minus carrier phase，cmc）。该线性组合仍有电离层延迟残余，需削弱其对cmc序列的影响，从而得到纯正的单频组合多路径误差。
7、s4：卫星的优选和相位差的解算。通过l-s频谱分析获取仰角区间内单频组合信号的功率谱密度图，优选出多路径误差质量高的可用卫星。确定反演卫星仰角值，以该仰角值为基准截取参与相位差计算的单频组合多路径误差序列，并将对应的单频组合多路径误差和卫星仰角的正弦值作为输入，通过最小二乘法计算出全部可用卫星相位差信息。组合多路径误差与卫星仰角正弦值的函数关系如下： ，若多颗卫星经过此仰角时的单频信号被接收机同时接收到，需计算出全部卫星的相位差信息。
8、s5：高分辨率土壤湿度监测模型构建。根据卫星出现时间的先后顺序将相位差排列，找出卫星出现时间对应的土壤湿度值，将二者时间分辨率统一。当出现同一时刻对应多个相位差时，将其均值定义为该时间点的最终相位差，实现了多条卫星轨道相位差的等权融合。构建一元线性回归（univariate linear regression, ulr）土壤湿度监测模型，实现高时间分辨率下的土壤湿度动态监测。
9、本专利技术的有益效果在于：
10、本专利技术提出的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法。基于snr的土壤湿度监测方法的性能取决于snr的直射分量能否成功剔除，以确保反射分量中携带充分的地表参数信息。卫星信号在接收机附近发生多路径效应，可以构建单频信号的伪距和载波相位的线性组合，得到的单频组合多路径误差可代替snr直接用来监测土壤湿度变化。低质量的单频组合多路径误差可被视为含有粗差的观测值，通过ew-lsm解算得到的相位差容易出现异常跳变，针对这一问题，我们采用l-s频谱分析筛选出具有高质量单频组合信号的卫星，进而获得高质量的相位差信息。不同卫星轨道的相位差携带测站不同方向上的地表土壤湿度信息，当测站上方同时出现多颗卫星时，可取多个相位差的均值作为该时刻的相位差。最后构建ulr模型监测站点附近土壤湿度变化情况。
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1.一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的GNSS-IR高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的GNSS-IR高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于S2中，根据惠更斯-菲涅尔原理，计算出不同方向上的卫星在已设定仰角区间内的信号在测站周围的镜面反射点大致轨迹，绘制各颗卫星所有升降弧段的菲涅尔反射区椭圆，确定测站附近的土壤湿度的有效监测范围，进而确保监测区域内介质的统一；对S1步骤中的研究区域的划定、接收机架设位置的选择、土壤湿度采集探针的布设以及最佳卫星组合的选择都具有一定的参考价值。
3.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的GNSS-IR高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于S3中，无几何距离组合可由以下公式表示：，伪距多路径误差表示为：，载波相位多路径误差表示为：，其中，是振幅衰减因子；是反射信号与直射信号之间的波程差，可表示为；是接收机天线中心到地面的垂直距离；是卫星仰角；是相位差，可进一步表示为，其中为信号波长；由于无几何距离组合中仍有电离
4.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的GNSS-IR高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于S4中，重采样后的单频组合信号为：，采用L-S频谱分析诊断单频组合信号是否具有主频，并判断主频对应的功率谱密度是否为噪声功率或次主频功率的二倍及以上，据此优选出具有高质量的多路径误差的全部卫星；在利用等权最小二乘法解算出相位差信息时，由于最小二乘法不具备有鲁棒性，低质量的多路径误差默认为含有粗差的观测值，而高质量的多路径误差作为输入可以避免相位差中出现更多的异常值，省略了对异常相位差探测和修正的步骤。
5.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的GNSS-IR高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于S5中，以土壤湿度采样时间点为基准，根据卫星出现时间先后挑选出全部卫星的相位差，当同一时刻对应多个相位差时，取其均值作为该时间点的相位差进而实现多卫星等权融合；并构建一元线性回归土壤湿度监测模型，以前3/4的数据作为模型的训练集，后1/4的数据作为模型的测试集，实现下融合多模多星的土壤湿度高时间分辨率动态监测。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于s2中，根据惠更斯-菲涅尔原理，计算出不同方向上的卫星在已设定仰角区间内的信号在测站周围的镜面反射点大致轨迹，绘制各颗卫星所有升降弧段的菲涅尔反射区椭圆，确定测站附近的土壤湿度的有效监测范围，进而确保监测区域内介质的统一；对s1步骤中的研究区域的划定、接收机架设位置的选择、土壤湿度采集探针的布设以及最佳卫星组合的选择都具有一定的参考价值。
3.根据权利要求1所述的一种基于单频信号的伪距和载波相位观测值的gnss-ir高时间分辨率土壤湿度监测方法，其特征在于s3中，无几何距离组合可由以下公式表示：，伪距多路径误差表示为：，载波相位多路径误差表示为：，其中，是振幅衰减因子；是反射信号与直射信号之间的波程差，可表示为；是接收机天线中心到地面的垂直距离；是卫星仰角；是相位差，可进一步表示为，其中为信号波长；由于无几何距离组合中仍有电离层延迟残余分量，造成单频组合多路径误差不纯，可采用移动平均滤波（movin...
【专利技术属性】
技术研发人员：张旭东，任超，邵红娟，梁月吉，尹安超，岳韦霆，梁洁玉，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：
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