基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，属于土壤湿度测量技术领域，利用智能终端设备自带的GNSS天线接收干涉信号，再用干涉模式测量技术对接收到的数据进行实时处理，对土壤湿度进行反演。由于智能终端设备如智能手机的普及程度相当高，且该方法无需采购专门的GNSS接收器，因此大大降低了土壤湿度测量的成本，便于普及；同时，通过智能终端设备自身进行运动来获得干涉模式，而不依赖于卫星的运动，因此大大减少了采集数据所需的时间。解决了现有技术中出现的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法
本专利技术涉及一种基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，属于土壤湿度测量

技术介绍
全球卫星导航系统反射信号(GlobalNavigationSatelliteSystemReflection，GNSS-R)利用地面反射的GNSS信号(如GPS卫星信号、北斗卫星信号等)，使用地基、空基乃至星基的GNSS接收器对直射信号和反射信号进行处理，由于反射信号对土壤湿度敏感，因此可以用于土壤湿度的反演。干涉模式测量技术(InterferencePatternTechnique，IPT)使用一根右旋圆极化天线接收干涉信号，通过研究干涉信号的幅度、频率、相位与土壤湿度的关系，对土壤湿度进行反演。对于通过GNSS-R对土壤湿度进行测量的方法，目前主要是双天线法和单天线法。双天线法分别用左旋圆极化天线和右旋圆极化天线接收GNSS直射信号和反射信号进行反演，而单天线法则是仅使用一根右旋圆极化天线接收干涉信号进行反演。目前，这两种方法的主要实现方式都是使用专门的接收天线进行GNSS信号的接收，采集一定量的数据之后导出到计算机上进行运算和反演，并且单天线法要得到干涉模式，通常依赖于卫星相对于地面的运动，因此数据采集时间会比较长，长达数个小时。目前市场上一般的智能的终端设备中都装载了GNSS接收天线，谷歌在安卓7.0以上的系统中提供了获取GNSS原始数据的API，而智能终端设备体积较小，便于移动，成本较低，这为土壤湿度的测量提供了可能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，利用智能终端设备自带的GNSS天线接收干涉信号，再用干涉模式测量技术对接收到的数据进行实时处理，对土壤湿度进行反演，解决了现有技术中出现的问题。本专利技术所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，包括以下步骤：步骤1：GNSS信号接收处理，智能终端设备中打开GNSS传感器开关，接收GNSS直射信号和反射信号形成的干涉信号的信噪比数据，并进行记录；步骤2：姿态传感器信息记录，调用智能终端设备中的姿态传感器，对其数据进行记录；步骤3：获取干涉信号，适当移动智能终端设备，得到GNSS直射信号与反射信号的未修正的干涉信号的信噪比数据；步骤4：姿态计算，获取步骤2中的数据进行处理，得到智能终端设备的实时姿态信息；步骤5：干涉信号数据修正获取步骤4的智能终端设备姿态数据对步骤3的干涉信号信噪比数据进行修正，去除人手持智能终端设备不规则运动对干涉图样数据的影响，得到修正后的干涉信号的信噪比数据，对修正后的干涉信号信噪比数据进行多项式拟合，去除直射信号分量，可得到干涉震荡SNR信号；步骤6：土壤湿度反演，根据土壤湿度与干涉震荡SNR信号的关系，反演土壤湿度；步骤7：数据展示，将步骤6中得到的实时土壤湿度数据输出到用户界面上，供用户读取使用。进一步的，步骤2中的智能终端设备姿态传感器包括：陀螺仪传感器、磁场传感器和加速度传感器。进一步的，智能终端设备姿态传感器的数据包括：陀螺仪传感器的数据包括设备绕X、Y、Z三轴旋转的角速度ωx、ωy、ωz；磁场传感器的数据包括设备沿X、Y、Z三个方向的磁力值Φx、Φy、Φz；加速度传感器的数据为手机运动的加速度与重力加速度的合加速度，包括X、Y、Z三个方向的合加速度ax、ay、az。进一步的，步骤4中姿态计算的过程具体包括以下：陀螺仪传感器的数据是短时间内姿态角的改变量ωgyro(t)，将陀螺仪传感器的数据对时间进行积分得到姿态角θgyro(t)，表示为级数形式：加速度传感器和磁场传感器得到的姿态角为θaccMag(t)，在计算过程中每当传感器输出新数据时，与上一时刻的姿态角数据进行加权，即：θaccMag(t+Δt)＝(1-α)·θaccMag(t)+α·θnewAccMag(2)其中α为加权因子，θnew为新输出关于两次输出时间间隔的积分值；将θaccMag(t)通过低通滤波器，将θgyro(t)通过高通滤波器，二者结果相加，即完成互补滤波过程：θfiltered＝(1-α)·θnewGyro+α·θnewAccMag(3)得到九轴融合后的姿态角数据。进一步的，步骤5中干涉信号表示为：式中：Ad指GNSS直射信号的振幅，Am指反射多径信号的振幅，φ指二者的相位差。进一步的，步骤5中的干涉震荡SNR信号表示为：干涉震荡SNR信号是由上述干涉信号进行多项式拟合后去除直射信号分量后得到的，突出了多径信号的波动，其幅度或频率或相位作为土壤湿度反演的数据来源。进一步的，步骤6中土壤湿度反演具体包括以下：进行单天线土壤湿度模型的建立与土壤湿度反演，利用回归分析建立土壤湿度反演模型，即将土壤湿度作为输出，分别将幅度或频率或相位作为输入，由此可以通过干涉震荡SNR信号的幅度或频率或相位进行土壤湿度的反演。进一步的，智能终端设备包括具有GNSS传感器的手机或者平板电脑。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，提供一种成本较低、便于普及的实时GNSS-R土壤湿度测量方法，即利用智能终端设备自带的GNSS天线接收干涉信号，再用干涉模式测量技术对接收到的数据进行实时处理，对土壤湿度进行反演。由于智能终端设备如智能手机的普及程度相当高，且该方法无需采购专门的GNSS接收器，因此大大降低了土壤湿度测量的成本，便于普及；同时，通过智能终端设备自身进行运动来获得干涉模式，而不依赖于卫星的运动，因此大大减少了采集数据所需的时间。解决了现有技术中出现的问题。附图说明图1为本专利技术实施例的步骤流程图；图2为本专利技术实施例中GNSS干涉场景图；图3为本专利技术实施例中互补滤波器法九轴融合流程图。图4为本专利技术实施例中采用智能手机接收的GNSS干涉信号信噪比数据图；图5为本专利技术实施例中记录X、Y、Z三个方向的加速度传感器的数据图；图6为本专利技术实施例中记录X、Y、Z三个方向的陀螺仪传感器的数据图；图7为本专利技术实施例中记录X、Y、Z三个方向的磁场传感器的数据图；图8为本专利技术实施例中解算出智能手机的姿态角数据图；图9为本专利技术实施例中利用姿态角数据修正后的GNSS干涉信号的信噪比数据图；图10为本专利技术实施例中利用修正后的干涉信号的幅度进行土壤湿度反演的结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明：实施例1：作为优选，以智能手机为例，如图1所示，本专利技术所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，包括如下步骤：步骤1：GNSS信号接收处理智能手机打开GNSS传感器开关，接收GNSS直射信号和反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n步骤1：GNSS信号接收处理，/n智能终端设备中打开GNSS传感器开关，接收GNSS直射信号和反射信号形成的干涉信号的信噪比数据，并进行记录；/n步骤2：姿态传感器信息记录，/n调用智能终端设备中的姿态传感器，对其数据进行记录；/n步骤3：获取干涉信号，/n适当移动智能终端设备，得到GNSS直射信号与反射信号的未修正的干涉信号信噪比数据；/n步骤4：姿态计算，/n获取步骤2中的数据进行处理，得到智能终端设备的实时姿态信息；/n步骤5：干涉信号数据修正/n获取步骤4的智能终端设备姿态数据对步骤3的干涉信号信噪比数据进行修正，去除人手持智能终端设备不规则运动对干涉图样数据的影响，得到修正后的干涉信号的信噪比数据，对修正后的干涉信号的信噪比数据进行多项式拟合，去除直射信号分量，可得到干涉震荡SNR信号；/n步骤6：土壤湿度反演，/n根据土壤湿度与干涉震荡SNR信号的关系，反演土壤湿度；/n步骤7：数据展示，/n将步骤6中得到的实时土壤湿度数据输出到用户界面上，供用户读取使用。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：GNSS信号接收处理，
智能终端设备中打开GNSS传感器开关，接收GNSS直射信号和反射信号形成的干涉信号的信噪比数据，并进行记录；
步骤2：姿态传感器信息记录，
调用智能终端设备中的姿态传感器，对其数据进行记录；
步骤3：获取干涉信号，
适当移动智能终端设备，得到GNSS直射信号与反射信号的未修正的干涉信号信噪比数据；
步骤4：姿态计算，
获取步骤2中的数据进行处理，得到智能终端设备的实时姿态信息；
步骤5：干涉信号数据修正
获取步骤4的智能终端设备姿态数据对步骤3的干涉信号信噪比数据进行修正，去除人手持智能终端设备不规则运动对干涉图样数据的影响，得到修正后的干涉信号的信噪比数据，对修正后的干涉信号的信噪比数据进行多项式拟合，去除直射信号分量，可得到干涉震荡SNR信号；
步骤6：土壤湿度反演，
根据土壤湿度与干涉震荡SNR信号的关系，反演土壤湿度；
步骤7：数据展示，
将步骤6中得到的实时土壤湿度数据输出到用户界面上，供用户读取使用。


2.根据权利要求1所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，其特征在于：所述的步骤2中的智能终端设备姿态传感器包括：陀螺仪传感器、磁场传感器和加速度传感器。


3.根据权利要求2所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，其特征在于：所述的智能终端设备姿态传感器的数据包括：陀螺仪传感器的数据包括设备绕X、Y、Z三轴旋转的角速度ωx、ωy、ωz；磁场传感器的数据包括设备沿X、Y、Z三个方向的磁力值Φx、Φy、Φz；加速度传感器的数据为手机运动的加速度与重力加速度的合加速度，包括X、Y、Z三个方向的合加速度ax、ay、az。


4.根据权利要求1所述的基于智能终端设备的实时土壤湿度测量方法，其特征在于：所述的步骤4中姿态计算的过程具体包括以下：
陀螺仪传感器的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东凯，武尚玮，常海宁，
申请(专利权)人：山东航向电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37