一種基于北斗同步導(dǎo)航衛(wèi)星的嵌入式土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于北斗同步導(dǎo)航衛(wèi)星的嵌入式土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，屬于利 用衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)遙感探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 北斗反射信號(hào)土壤濕度反演是利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行地球表面植被遙感方向的具體 應(yīng)用，是一種被動(dòng)式雙基或多基遙感技術(shù)。衛(wèi)星反射信號(hào)探測(cè)技術(shù)是自上世紀(jì)90年代以來(lái) 逐漸發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新型分支，是國(guó)內(nèi)外遙感探測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。北斗反 射信號(hào)接收機(jī)在接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號(hào)的同時(shí)，也將接收?qǐng)D示反射面的反射信號(hào)，該信號(hào) 對(duì)于定位求解而言作為多徑干擾通常認(rèn)為是有害的，在接收機(jī)中采用各種方法進(jìn)行估計(jì)并 加以抑制或消除，也可以直接利用抑制多徑的信號(hào)處理方法進(jìn)行抑制或消除，而不需要精 確估計(jì)多徑信號(hào)。但是，從電磁波傳播基本理論角度看，該反射信號(hào)中攜帶著反射面的特性 信息，反射信號(hào)波形的變化、極化特征的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反映 了反射面的物理特性，或者說(shuō)直接與反射面相關(guān)。對(duì)于反射信號(hào)的精確估計(jì)和接收處理，則 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射面物理特性的估計(jì)與反演。
[0003] 土壤濕度中由于含水量的不同，其表面的介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變 化量會(huì)在反射功率中得到反應(yīng)，北斗反射信號(hào)土壤濕度反演儀就是利用測(cè)量接收到的反射 信號(hào)來(lái)進(jìn)行土壤濕度反演的。
[0004] 我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)開始正式運(yùn)行，它創(chuàng)新性采用GE0/IGS0/ME0的混合星座設(shè)計(jì)， 在亞太地區(qū)具有很好的覆蓋能力。同時(shí)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也給GNSS-R技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用提供 了新型的信號(hào)源。北斗系統(tǒng)空間部分由5GE0/5IGS0/4ME0星座構(gòu)成，其中5顆GEO衛(wèi)星分 別定點(diǎn)于東經(jīng)58. 75度、80度、110. 5度、140度、160度；5顆IGSO衛(wèi)星分布于三個(gè)軌道面 上，其中II、12和13星下點(diǎn)軌跡重合，交點(diǎn)地理經(jīng)度處于東經(jīng)118度，14和15分別和II、 12處于同一軌道面，與II、12各相位相差23度，交點(diǎn)地理經(jīng)度處于東經(jīng)95度；4顆MEO衛(wèi) 星軌道高度21000公里，為7天13圈回歸周期，4顆衛(wèi)星分別位于WALKER24/3/1星座的第 一軌道面7、8相位和第二軌道面3、4相位上，星下點(diǎn)軌跡。
[0005] 北斗區(qū)域系統(tǒng)在中國(guó)區(qū)域可為用戶提供10米精度三維位置服務(wù)，在亞太區(qū)域可 提供2〇米的位置精度服務(wù)。在我國(guó)及周邊，北斗區(qū)域系統(tǒng)roop優(yōu)于5. 〇,重點(diǎn)地區(qū)roop值 主要集中在1. 5和3. 5之間，兼容北斗/GPS的星載GNSS-R應(yīng)用系統(tǒng)與GPS單系統(tǒng)相比可 使時(shí)空覆蓋能力提高1. 7~2. 4倍；同時(shí)，北斗GEO衛(wèi)星可以為岸基/地基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn) 定的幾何關(guān)系，能在很大程度上提高GNSS-R反演精度。
[0006] 由于北斗同步導(dǎo)航衛(wèi)星的同步性和反射事件中的幾何關(guān)系的穩(wěn)定性，使利用北斗 同步導(dǎo)航衛(wèi)星的土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的精度在衛(wèi)星信號(hào)選擇上有很大的提高。該裝置包 括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和土壤濕度算法處理流程。該裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是北斗反射信號(hào)在遙感領(lǐng) 域的重大理論突破和硬件實(shí)現(xiàn)，通過地基北斗反射信號(hào)接收機(jī)實(shí)時(shí)采集反演數(shù)據(jù)，并利用 軟件算法實(shí)時(shí)處理并可以在任意間隔內(nèi)顯示不同溫度下土壤濕度變化趨勢(shì)（基于在不同 溫度下土壤水分的狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分），如果是秒級(jí)或具體時(shí)刻可以得到對(duì)應(yīng)的土壤濕度值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于：提供一種基于北斗同步導(dǎo)航衛(wèi)星的嵌入式土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量 裝置，該土壤濕度反演裝置通過接收經(jīng)土壤表面反射后的衛(wèi)星信號(hào)，并利用土壤濕度數(shù)據(jù) 處理算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)時(shí)的土壤濕度值，并在裝置上攜帶的顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯 示。由于北斗具有實(shí)時(shí)性、全天候等優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到實(shí)時(shí)、連續(xù)、智能全自動(dòng)的反映反射區(qū)域 的土壤濕度變化趨勢(shì)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于北斗同步導(dǎo)航衛(wèi)星的嵌入式土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量裝 置，它是由北斗反射左旋天線、北斗直射右旋天線、UM220模塊、嵌入式系統(tǒng)和顯示屏組成。 它們之間的位置連接關(guān)系及信號(hào)走向是：北斗反射左旋天線朝向下放置，北斗直射右旋天 線朝向上放置，并分別連接至嵌入式系統(tǒng)和UM200模塊，嵌入式系統(tǒng)和UM200模塊通過數(shù)據(jù) 線連接至顯示屏，進(jìn)行相關(guān)信息顯示。嵌入式系統(tǒng)和UM220模塊位于裝置內(nèi)部，北斗反射左 旋天線位于裝置下方，北斗直射右旋天線位于裝置上方，顯示屏位于裝置上方。
[0009] 所述北斗直射右旋天線為北斗雙模天線，電壓駐波比為2:1，中心頻率為 1575.42MHZ-1561MHZ，帶寬±30MHz，放大器增益3dB。天線極性為右旋天線，右旋直射天線 位于裝置的正上方，朝向垂直向上。
[0010] 所述北斗反射左旋天線為北斗雙模天線，天線中心頻率1575. 42MHZ-1561MHZ，增 益12dB，波束角30°，天線極性為左旋天線，該天線置于裝置的正下方，朝向的可調(diào)角度為 30°~75° (與水平方向夾角）。
[0011] 所述UM220模塊為UM220-IIIN雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，單芯片支持BD2/GPS功 能，無(wú)需外接CPU即可直接輸出NMEA數(shù)據(jù)，支持單系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位，通過連 接北斗右旋天線，將解調(diào)得到的NEM數(shù)據(jù)和定位信息直接輸出至嵌入式系統(tǒng)顯示器模塊 以可見星和接收機(jī)的經(jīng)緯度、高度等信息顯示。
[0012] 所述的嵌入式系統(tǒng)包括時(shí)基模塊、直射信號(hào)處理通道、通訊接口、反射信號(hào)處理通 道、射頻模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和土壤濕度反演模塊、顯示屏。它們之間的位置連接關(guān)系及信 號(hào)走向是：北斗反射左旋天線和北斗直射右旋天線分別將反射信號(hào)和直射信號(hào)傳輸至射頻 模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，將處理后得到2bit的直射數(shù)字信號(hào)和反射數(shù)字信號(hào)分別傳輸至直射 信號(hào)處理通道和反射信號(hào)處理通道，直射信號(hào)處理通道將通道信息通過通訊接口對(duì)反射信 號(hào)處理通道進(jìn)行通道選擇和延時(shí)控制，反射信號(hào)處理通道將環(huán)路控制的信息通過通訊接口 傳輸至直射信號(hào)處理通道。直射信號(hào)相關(guān)處理通道和反射信號(hào)相關(guān)處理通道分別將直射信 號(hào)相關(guān)功率和反射信號(hào)相關(guān)功率傳輸至土壤濕度反演模塊。土壤濕度濕度模塊將其反演得 到的數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏。
[0013] 該時(shí)基模塊由高精度溫補(bǔ)晶振和時(shí)鐘輸出電路組成，彼此相互連接；通過將高精 度溫補(bǔ)晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)傳輸至直射信號(hào)處理通道、通訊接口和反射信號(hào)處理通道等模 塊，保證在直射信號(hào)和反射信號(hào)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算時(shí)的時(shí)鐘同步。
[0014] 該反射信號(hào)處理通道由載波產(chǎn)生模塊、延遲C/A碼（偽碼）產(chǎn)生模塊及相關(guān)功率 計(jì)算模塊組成。彼此相互連接；載波產(chǎn)生模塊主要是有嵌入式系統(tǒng)輸出的載波控制字需要 加或者減指定間隔的多普勒頻移控制字，共同輸入到反射信號(hào)處理通道的累加器中，以實(shí) 現(xiàn)跟蹤的衛(wèi)星載波頻率附加上所指定分辨率的多普勒頻移。延遲C/A碼產(chǎn)生模塊主要是在 反射通道中通過反射信號(hào)處理通道與直射信號(hào)處理通道的通訊接口直接復(fù)用相應(yīng)直射通 道產(chǎn)生的C/A碼，通過移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)反射通道C/A碼的延遲。相關(guān)功率計(jì)算模塊主要 是由每一路相關(guān)通道輸出的lmsI，Q復(fù)數(shù)相關(guān)值（同相、正交復(fù)數(shù)相關(guān)值）經(jīng)過平方、求和 運(yùn)算再進(jìn)行累加，在積分清零信號(hào)（如Is周期）的制下，得到反射信號(hào)二維相關(guān)功率值。
[0015] 該通訊接口主要是傳輸直射信號(hào)處理通道和反射信號(hào)處理通道的相關(guān)信息，如通 道選擇、載波控制字等控制信息。
[0016] 該直射信號(hào)處理通道直射信號(hào)處理通道采用傳統(tǒng)的超前-即時(shí)-滯后相關(guān)通道結(jié) 構(gòu)，計(jì)算由每一路相關(guān)通道輸出的ImsI，Q復(fù)數(shù)相關(guān)值（同相、正交復(fù)數(shù)相關(guān)值）經(jīng)過平 方、求和運(yùn)算再進(jìn)行累加，在積分清零信號(hào)的制下，得到直射信號(hào)二維相關(guān)功率值。
[0017] 該射頻模塊是對(duì)接收到的直射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行下變頻處理。
[0018] 該A/D轉(zhuǎn)化模塊是對(duì)射頻模塊的處理數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù) 字信號(hào)傳輸給反射信號(hào)處理通道和直射信號(hào)處理通道進(jìn)行相關(guān)處理。
[0019] 該土壤濕度反演模塊主要是利用直射信號(hào)相關(guān)處理通道和反射信號(hào)相關(guān)處理通 道輸出的直射信號(hào)相關(guān)功率值和反射信號(hào)相關(guān)功率值按照土壤濕度數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行土 壤濕度計(jì)算，將計(jì)算得到的土壤濕度值輸出到顯示器模塊。