一种基于北斗同步导航卫星的嵌入式土壤湿度实时测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于北斗同步导航卫星的嵌入式土壤湿度实时测量装置，属于利 用卫星导航反射信号遥感探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 北斗反射信号土壤湿度反演是利用卫星信号进行地球表面植被遥感方向的具体 应用，是一种被动式双基或多基遥感技术。卫星反射信号探测技术是自上世纪90年代以来 逐渐发展起来的一个新型分支，是国内外遥感探测和导航技术领域研究热点之一。北斗反 射信号接收机在接收导航卫星直射信号的同时，也将接收图示反射面的反射信号，该信号 对于定位求解而言作为多径干扰通常认为是有害的，在接收机中采用各种方法进行估计并 加以抑制或消除，也可以直接利用抑制多径的信号处理方法进行抑制或消除，而不需要精 确估计多径信号。但是，从电磁波传播基本理论角度看，该反射信号中携带着反射面的特性 信息，反射信号波形的变化、极化特征的变化，幅值、相位和频率等参量的变化都直接反映 了反射面的物理特性，或者说直接与反射面相关。对于反射信号的精确估计和接收处理，则 可以实现对反射面物理特性的估计与反演。
[0003] 土壤湿度中由于含水量的不同，其表面的介电常数也会发生相应的变化，这种变 化量会在反射功率中得到反应，北斗反射信号土壤湿度反演仪就是利用测量接收到的反射 信号来进行土壤湿度反演的。
[0004] 我国北斗导航系统开始正式运行，它创新性采用GE0/IGS0/ME0的混合星座设计， 在亚太地区具有很好的覆盖能力。同时，北斗导航系统也给GNSS-R技术在我国的应用提供 了新型的信号源。北斗系统空间部分由5GE0/5IGS0/4ME0星座构成，其中5颗GEO卫星分 别定点于东经58. 75度、80度、110. 5度、140度、160度；5颗IGSO卫星分布于三个轨道面 上，其中II、12和13星下点轨迹重合，交点地理经度处于东经118度，14和15分别和II、 12处于同一轨道面，与II、12各相位相差23度，交点地理经度处于东经95度；4颗MEO卫 星轨道高度21000公里，为7天13圈回归周期，4颗卫星分别位于WALKER24/3/1星座的第 一轨道面7、8相位和第二轨道面3、4相位上，星下点轨迹。
[0005] 北斗区域系统在中国区域可为用户提供10米精度三维位置服务，在亚太区域可 提供2〇米的位置精度服务。在我国及周边，北斗区域系统roop优于5. 〇,重点地区roop值 主要集中在1. 5和3. 5之间，兼容北斗/GPS的星载GNSS-R应用系统与GPS单系统相比可 使时空覆盖能力提高1. 7~2. 4倍；同时，北斗GEO卫星可以为岸基/地基观测网络提供稳 定的几何关系，能在很大程度上提高GNSS-R反演精度。
[0006] 由于北斗同步导航卫星的同步性和反射事件中的几何关系的稳定性，使利用北斗 同步导航卫星的土壤湿度实时测量装置的精度在卫星信号选择上有很大的提高。该装置包 括硬件系统设计和土壤湿度算法处理流程。该装置的设计与实现是北斗反射信号在遥感领 域的重大理论突破和硬件实现，通过地基北斗反射信号接收机实时采集反演数据，并利用 软件算法实时处理并可以在任意间隔内显示不同温度下土壤湿度变化趋势（基于在不同 温度下土壤水分的状态进行区分），如果是秒级或具体时刻可以得到对应的土壤湿度值。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于：提供一种基于北斗同步导航卫星的嵌入式土壤湿度实时测量 装置，该土壤湿度反演装置通过接收经土壤表面反射后的卫星信号，并利用土壤湿度数据 处理算法对数据进行处理，得到实时的土壤湿度值，并在装置上携带的显示屏进行实时显 示。由于北斗具有实时性、全天候等优点，可以达到实时、连续、智能全自动的反映反射区域 的土壤湿度变化趋势。
[0008] 本发明的技术方案是：一种基于北斗同步导航卫星的嵌入式土壤湿度实时测量装 置，它是由北斗反射左旋天线、北斗直射右旋天线、UM220模块、嵌入式系统和显示屏组成。 它们之间的位置连接关系及信号走向是：北斗反射左旋天线朝向下放置，北斗直射右旋天 线朝向上放置，并分别连接至嵌入式系统和UM200模块，嵌入式系统和UM200模块通过数据 线连接至显示屏，进行相关信息显示。嵌入式系统和UM220模块位于装置内部，北斗反射左 旋天线位于装置下方，北斗直射右旋天线位于装置上方，显示屏位于装置上方。
[0009] 所述北斗直射右旋天线为北斗双模天线，电压驻波比为2:1，中心频率为 1575.42MHZ-1561MHZ，带宽±30MHz，放大器增益3dB。天线极性为右旋天线，右旋直射天线 位于装置的正上方，朝向垂直向上。
[0010] 所述北斗反射左旋天线为北斗双模天线，天线中心频率1575. 42MHZ-1561MHZ，增 益12dB，波束角30°，天线极性为左旋天线，该天线置于装置的正下方，朝向的可调角度为 30°~75° (与水平方向夹角）。
[0011] 所述UM220模块为UM220-IIIN双系统高性能GNSS模块，单芯片支持BD2/GPS功 能，无需外接CPU即可直接输出NMEA数据，支持单系统独立定位和多系统联合定位，通过连 接北斗右旋天线，将解调得到的NEM数据和定位信息直接输出至嵌入式系统显示器模块 以可见星和接收机的经纬度、高度等信息显示。
[0012] 所述的嵌入式系统包括时基模块、直射信号处理通道、通讯接口、反射信号处理通 道、射频模块、A/D转换模块和土壤湿度反演模块、显示屏。它们之间的位置连接关系及信 号走向是：北斗反射左旋天线和北斗直射右旋天线分别将反射信号和直射信号传输至射频 模块和A/D转换模块，将处理后得到2bit的直射数字信号和反射数字信号分别传输至直射 信号处理通道和反射信号处理通道，直射信号处理通道将通道信息通过通讯接口对反射信 号处理通道进行通道选择和延时控制，反射信号处理通道将环路控制的信息通过通讯接口 传输至直射信号处理通道。直射信号相关处理通道和反射信号相关处理通道分别将直射信 号相关功率和反射信号相关功率传输至土壤湿度反演模块。土壤湿度湿度模块将其反演得 到的数据传输至显示屏。
[0013] 该时基模块由高精度温补晶振和时钟输出电路组成，彼此相互连接；通过将高精 度温补晶振输出的时钟信号传输至直射信号处理通道、通讯接口和反射信号处理通道等模 块，保证在直射信号和反射信号数据处理和计算时的时钟同步。
[0014] 该反射信号处理通道由载波产生模块、延迟C/A码（伪码）产生模块及相关功率 计算模块组成。彼此相互连接；载波产生模块主要是有嵌入式系统输出的载波控制字需要 加或者减指定间隔的多普勒频移控制字，共同输入到反射信号处理通道的累加器中，以实 现跟踪的卫星载波频率附加上所指定分辨率的多普勒频移。延迟C/A码产生模块主要是在 反射通道中通过反射信号处理通道与直射信号处理通道的通讯接口直接复用相应直射通 道产生的C/A码，通过移位寄存器来实现反射通道C/A码的延迟。相关功率计算模块主要 是由每一路相关通道输出的lmsI，Q复数相关值（同相、正交复数相关值）经过平方、求和 运算再进行累加，在积分清零信号（如Is周期）的制下，得到反射信号二维相关功率值。
[0015] 该通讯接口主要是传输直射信号处理通道和反射信号处理通道的相关信息，如通 道选择、载波控制字等控制信息。
[0016] 该直射信号处理通道直射信号处理通道采用传统的超前-即时-滞后相关通道结 构，计算由每一路相关通道输出的ImsI，Q复数相关值（同相、正交复数相关值）经过平 方、求和运算再进行累加，在积分清零信号的制下，得到直射信号二维相关功率值。
[0017] 该射频模块是对接收到的直射信号和反射信号进行下变频处理。
[0018] 该A/D转化模块是对射频模块的处理数据和结果进行模数转换，并将转换后的数 字信号传输给反射信号处理通道和直射信号处理通道进行相关处理。
[0019] 该土壤湿度反演模块主要是利用直射信号相关处理通道和反射信号相关处理通 道输出的直射信号相关功率值和反射信号相关功率值按照土壤湿度数据处理流程进行土 壤湿度计算，将计算得到的土壤湿度值输出到显示器模块。