【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，更具体地涉及一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法。
技术介绍
1、土壤湿度是陆地水循环和能量循环的一个非常重要的变量,同时也是气象、农业以及干旱滑坡灾害预测等领域的重要因素。传统土壤湿度获取方式耗时耗力，且操作复杂；光学遥感和微波遥感影像可以实现大区域的土壤湿度监测，但其性能受限于时空分辨率。gnss卫星除了基本的定位、导航、授时功能之外，其信号经一次反射后携带介质表面信息，可用于监测陆地或海洋物理参数，也就是所谓的全球导航卫星系统干涉反射测量法（global navigation satellite system interferometric reflectometry，gnss-ir）。该技术具有高时空分辨率、高精度、低成本的特点，目前已应用在土壤湿度、植被含水量、积雪深度和海平面高程等领域的监测。
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gnss-ir技术大多以信噪比（signal to noise ratio，snr）作为输入数据，拟合去除snr的直射分量从而得到富含反射介质信息的反射分量，但该技术受限于snr的反射分量能否成功提取。当gnss卫星信号发生多路径效应时，伴随的多路径误差对于导航定位是无用的，但其可以用来估算地表海洋的物理参数信息。同时，受随机噪声的影响，部分卫星轨道的多路径误差质量差，在计算出相位延迟中引入异常跳变值，选取探测和修正手段处理异常相位是提高
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提出一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法。该方法分别通过线性组合两个不同频段的载波相位、伪距观测值得到双频载波相位组合（dual frequency carrier phase combination，dfcpc）多路径误差和双频伪距组合（dual frequency pseudorange combination，dfpc）多路径误差。设定相位延迟解算高度角，截取该高度角附近截取大于待求参数个数的双频组合多路径误差，利用等权间接平差（equal-weight indirect adjustment，eia）计算出全部卫星轨道的相位延迟信息。并结合基于小协方差行列式（minimum covariance determinant, mcd）稳健估计和低通滤波器（low pass filter, lpf）算法对所有相位延迟异常值进行探测和修复，有效提高特征参数的质量。根据多元线性回归原理构建多卫星线性回归（multi-satellitelinear regression，mslr）土壤湿度监测模型，有效地结合不同卫星轨道反射信号所携带的土壤湿度信息。同时顾及测站周围环境因素的影响，根据多元非线性回归原理构建多星非线性回归（multi-satellite non-linear regression，msnr）土壤湿度监测模型，实现更高精度的土壤湿度监测。
2、本专利技术通过以下技术方案实现上述目的。
3、一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法，包括以下步骤：
4、s1：gnss数据及土壤湿度收集。选择满足研究需求的土壤湿度监测区域，确定测站位置并架设大地测量型gnss接收机，通过接收机天线连续收集卫星数据。同时以测站为中心，在测站附近不同方向上布设土壤湿度采集探针，以便对监测区域0-5 cm深处的土壤湿度变化进行实时监测。
5、s2：gnss数据预处理。读取大地测量型gnss接收机收集到的卫星数据，从观测值文件中提取观测期间内所有卫星多频段的载波相位、伪距观测值，从卫星星历文件中解算出卫星高度角和卫星方位角信息。设置合理的高度角区间，确定第一菲涅尔反射区对应的土壤湿度监测有效区域，以便卫星轨道的筛选和组合。
6、s3：双频组合多路径误差计算。通过分别对同一颗卫星的双频段载波相位、伪距观测值作差，得到双频载波相位组合（dual frequency carrier phase combination，dfcpc）、双频伪距组合（dual frequency pseudorange combination，dfpc）。电离层延迟的残余分量仍存在dfcpc、dfpc组合中，需对其进行剔除。
7、s4：原始相位延迟的计算。固定相位延迟计算高度角，以该高度角为中心截取一定长度的双频组合多路径误差序列，并与对应高度角正弦值序列一起作为输入，通过等权间接平差计算出全部卫星轨道的原始相位延迟信息。
8、s5：异常相位的探测和修正。根据单星原始相位延迟的分布，结合机器学习方法对异常值进行探测，采用基于小协方差行列式（minimum covariance determinant, mcd）稳健估计探测异常相位所在位置，并结合低通滤波器（low pass filter, lpf）对其进行修正，以获得单颗卫星的高质量相位延迟序列。
9、s6：多星融合土壤湿度监测模型的构建。根据多星修正后相位延迟和土壤湿度数据构建mslr土壤湿度监测模型，实现多方位卫星轨道信息联合监测站点土壤湿度波动。顾及站点周围环境因素的影响，构建msnr土壤湿度监测模型，并对比分析上述两个模型的精度指标，实现高精度的土壤湿度监测。
10、本专利技术的有益效果在于：
11、本专利技术提出的一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法，通过线性组合两个不同频段的载波相位、伪距观测值，得到同样包含反射介质参数信息的dfcpc、dfpc多路径误差；通过eia解算相位延迟时，低质量的组合多路径误差在单星延迟相位序列引入异常值，对此现象，结合mcd和lpf探测出异常相位的位置并对其进行修复，得到高质量的相位延迟序列，同时保证更多卫星的相位延迟在时间尺度上的连续性，为多星融合提供更多的卫星选择；不同卫星轨道的反射信号携带测站上方不同方向的土壤湿度信息，融合多颗卫星的相位延迟可以有效结合多方向的土壤湿度波动情况，构建mslr土壤湿度监测模型实现对测站土壤湿度的多卫星联合监测；顾及测站附近环境因素的影响，又构建msnr土壤湿度监测模型实现对测站土壤湿度的精准监测。
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1.一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于S2中，根据惠更斯-菲涅尔原理，计算所有GNSS卫星处于升轨和降轨阶段的镜面反射点位置的时间序列，据此绘制各颗GNSS卫星的菲涅尔反射椭圆区域，确定以测站为中心的土壤湿度的有效监测范围，并为S1步骤中的研究区域的选择、区域内介质一致性的判断以及土壤湿度采集探针的布设提供一定的依据。
3.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于S3中，分别对不同频段的载波相位和伪距观测值作差，得到L4和DFPC组合多路径误差；二者均为无几何组合，可分别表示为、，其中、表示两个不同频段信号，代表卫星编号，为单频伪距观测值，为单频载波相位观测值；伪距多路径误差可表示为：，载波相位多路径误差可表示为：，其中，是振幅衰减因子；是反射信号与直射信号之间的路径延迟，可表示为，其中，是接收机天线中心到地面的垂直距离，是卫星高度角；是相位延
4.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于S4中，在高度角区间内选取合理的相位延迟解算高度角，以该高度角为中心选取大于待求参数个数的双频组合多路径误差序列参与相位延迟的计算；由于最小二乘法不具备鲁棒性，低质量的双频组合信号被认为是含有粗差的观测值，其功率谱密度周期图无主导频率且主频功率与噪声功率接近，导致计算所得延迟相位出现异常值，对异常延迟相位的探测和修正成为必然。
5.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于S5中，通过MCD稳健估计构造一个稳健的协方差矩阵估计量，迭代求解出稳健马氏距离并利用卡方检验探测出异常值的位置；对修正前相位延迟使用LPF平滑，替换异常值位置对应的相位进而达到对异常值修正的目的。
6.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的GNSS双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于S6中，顾及测站周围环境因素对土壤湿度变化的影响，分别构建MSLR和MSNR土壤湿度监测模型，并对比分析二者预测精度；MSNR土壤湿度监测模型可以补偿环境因素对模型精度的影响；模型数据集由多星修正后相位延迟和土壤湿度组成，将数据集的前2/3输入模型进行训练，后将多星修正后相位延迟的后1/3输入训练好的模型中，得到土壤湿度的准确预测值，实现顾及测站环境因素影响的土壤湿度高精度监测。
...【技术特征摘要】
1.一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于s2中，根据惠更斯-菲涅尔原理，计算所有gnss卫星处于升轨和降轨阶段的镜面反射点位置的时间序列，据此绘制各颗gnss卫星的菲涅尔反射椭圆区域，确定以测站为中心的土壤湿度的有效监测范围，并为s1步骤中的研究区域的选择、区域内介质一致性的判断以及土壤湿度采集探针的布设提供一定的依据。
3.根据权利要求1所述的一种顾及异常值探测和修正的gnss双频组合观测值土壤湿度监测方法，其特征在于s3中，分别对不同频段的载波相位和伪距观测值作差，得到l4和dfpc组合多路径误差；二者均为无几何组合，可分别表示为、，其中、表示两个不同频段信号，代表卫星编号，为单频伪距观测值，为单频载波相位观测值；伪距多路径误差可表示为：，载波相位多路径误差可表示为：，其中，是振幅衰减因子；是反射信号与直射信号之间的路径延迟，可表示为，其中，是接收机天线中心到地面的垂直距离，是卫星高度角；是相位延迟，可表示为，其中为信号波长；根据无几何距离组合公式，通过低通滤波器（low pass filter，lpf）消除组合电离层延迟成分，得到高质量的单频组合多路径误差。
4.根据权利要求1所述的一种顾及...
【专利技术属性】
技术研发人员：张旭东，任超，邵红娟，梁月吉，张胜国，魏振魁，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：
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