TZSA 77-2021.docx

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1、ICS 07.040M502021-10-15 实施准T/ZSA 77-2021基于全球卫星导航系统反射信号的土壤湿度信息采集终端Soil moisture information acquisition terminal based on GNSS reflected signal中关村标准化协会中关村标准化协会发布2021-10-14 发布T/ZSA 77-2021终端的各项标识清晰完整，输入输出插座牢靠，按键及旋钮能正常动作并接触良好，通电后状态正 常。6.2检验方法功能检验功能检验包括无线通信功能、对外发送信息功能、电气保护功能，检验方法如下。6.2.1.1 无线通信功能、对外发送数据

2、功能检验步骤如下：a）将终端置于室外空旷的场地，接通电源并开机启动。b）利用一台电子计算机通过终端的配置接口将用户的网络通信地址包括IP地址与端口号写入终端。c）通过网络抓包工具抓取终端发送给用户的数据包，并按照用户手册或者说明书中的协议格式说明 解析数据，若解析出来的数据包含5.11中所述数据，则说明无线通信功能与对外发送数据功能正常。6.2.1.2 电气保护功能使用一台稳压电源，并将其电压设置于终端工作的额定电压，将稳压电源正负极反接到终端电源接口，等待10 so此后将稳压电源正负极正确接入终端，查看终端能否正常工作，若可正常工作则说明电器 保护功能正常。6.2.2 性能检验性能检验包括功

3、耗、捕获灵敏度、导航数据输出频率、卫星导航系统支持、测量面积、测量误差， 检验方法如下。6.2.2.1 功耗选择量程适当的瓦特表进行检验。6.2.2.2 捕获灵敏度使用符合T/ZKJXX 000032018要求的全球卫星导航系统信号模拟器进行检验。方法是将终端的 GNSS天线取下，然后将模拟器的信号输出接入终端，调整模拟器信号输出功率为-148 dBm,按621,1检验终 端的导航定位功能，若导航定位功能正常则说明捕获灵敏度符合要求。6.2.2.3 导航数据输出频率将终端的数据接口连接到一台电子计算机上，根据终端输出的状态信息进行检验。6.2.2.4 卫星导航系统支持根据终端对外发送信息中的卫

4、星编号进行检验。6.2.2.5 测量面积测量面积由第一菲涅尔区的面积5（单位：m2）决定，首先测得GNSS天线距土壤表面的垂直高度为 （单位：m）,以及终端输出卫星的仰角9 （单位：度），则第一菲涅尔区可由公式（1）确定：T/ZSA 77-2021S = TlS = TlXA/sin(e) + X2/(4sin2(e)sin(0)式中：为为导航信号波长，单位为米（m） 示例：以GPSL1信号为例，k 0. 1903 nio测量误差检验方法如下：将终端安装在空旷地块上，地块应不存在明显的地形变化（如明显坡度），且以安装地点为中心至 少100 m半径的范围内无建筑物或树木遮挡，调整GNSS天线距地

5、面的高度约2 m左右，开机进行 数据采集；同时使用至少3个经过校准的高精度探针式土壤湿度测量仪（如FDR、TDR 土壤湿度测 量仪）在安装地点周围的土壤中随机部署，并均以固定采样时间间隔（10分钟以内）采集土壤表面下方0 cm到10cm深度的平均土壤湿度；数据采集时长至少7d,并确保数据采集期间以安装地点为 中心至少100 m半径的范围内土壤的实际湿度变化大于0.2 cm3/cm3o测量准确度计算方法如下：首先对每个采样时刻三个高精度探针式土壤湿度测量仪测得的土壤湿度进行平均，并将其作为真实土壤 湿度值，单位为立方厘米每立方厘米（cm3/cm3） o然后按照公式（2）计算测量误差/（单位：cn

6、rVcn?）:式中:N为数据采集期间总的数据组数;为第，个采样时刻终端测得的土壤湿度值;V（力为第，个采样时刻的真实土壤湿度值。6.2.3 环境适应性按照 GB/T 2423.12008和GB/T 2423.22008要求进行检验。6.2.4 电磁兼容性按照GB 48242019试验方法要求进行检验。7验收环境条件验收时环境温度范围为（-3555） ,环境相对湿度W 80%0外观及工作正常性检查T/ZSA 77-2021符合6. 1要求。7.1 功能检查按照6. 2. 1的方法进行仪器功能检验，应符合第5章中的要求。7.2 性能检查按照6. 2. 2的方法进行仪器性能检验，应符合第5章中的要求

7、。7.3 检验合格证检验合格证应包括但不限于如下内容： 产品名称、型号； 制造商名称； 执行的产品标准编号； 出厂检验结论、检验日期；检验员标识或检验员代号。7.4 包装外包装应体现如下内容： 中文产品名称和型号，额定电源电压、电源频率等主要电气参数，结构尺寸、整机重量; 制造商名称、详细地址、产品产地、商标或标识； 产品所执行的、符合的标准编号及标准名称； 包装箱应符合防潮、防尘、防震、运输的要求； 单个包装箱内应有使用说明书、保修卡、检验合格证及装箱清单。T/ZSA 77-2021附录A（资料性）土壤湿度估算模块软件架构土壤湿度估算模块为终端的核心组件，需要完成对导航模块输出数据的实时收集

8、，实时运行土壤反演 算法，并将相关结果输出给无线通信模块等任务，因此土壤湿度估算模块是一个多任务的实时系统，为此需要 引入操作系统以实现多个任务的协同配合，土壤湿度估算模块的软件架构实现可参考图A.1：同一Is上壤湿度反演应用软件i操作系统文件系统硬件驱动硬件图A.1 土壤湿度估算模块软件架构图A.1中，硬件驱动程序实现了土壤湿度估算模块与导航模块、无线通信模块之间的硬件接口通信、存储 设备操作等功能；操作系统负责硬件管理、任务调度等；文件系统负责程序文件与数据文件的管理；土壤湿度反演 应用软件是土壤湿度反演算法的实现，土壤湿度反演算法流程可参考图A.2：导航数据!观测量提取算法观测量土壤湿度

9、反演模型土壤湿度图A.2 土壤湿度反演算法流程图A.2中，观测量提取算法主要利用导航数据中的载噪比与卫星高度角数据，从中提取出对土壤湿度 敏感的观测量，包括但不限于幅度、频率、相位、土壤相对介电常数等；然后将其中一个或者多个观 测量输 入到土壤湿度反演模型中从而反演土壤湿度。T/ZSA 77-2021附录B（资料性）对外发送数据的协议格式说明对外发送数据的协议格式可参考图B1 ：11 121314协议头终端编号 终端位置经度 终端位置纬度 测量时刻的年 测量时刻的月测量时刻的日测量时刻的时测量时刻的分测量时刻的秒导航系统标识1516171819202124 2528 2932 3336MSB卫

10、星号卫星仰角卫星方位角土壤湿度测量值校验信息图B.l对外发送数据的协议格式在图B1中，协议的最低有效位（LSB）在前，最高有效位（MSB）在后，数字表示字节序号（1字 节=8位），各字段数据类型、所占字节序号、有意义的取值范围如下:a） 协议头字段为16位有符号整型数据，所占字节序号为01,有意义的取值范围为-2石2jb）终端编号字段为16为无符号整型数据，所占字节序号为23,有意义的取值范围为0c） 终端位置经度字段为32位浮点型数据，所占字节序号为47,有意义的取值范围为T80 180,单位为度；d）终端位置纬度字段为32位浮点型数据，所占字节序号为811,有意义的取值范围为-90 90,

11、单位为度；e）测量时刻的年字段为16位无符号整型数据，所占字节序号为1213,有意义的取值范围为0 216-1；f)h) i： j) k)测量时刻的月字段为8位无符号整型数据, 测量时刻的日字段为8位无符号整型数据, 测量时刻的时字段为8位无符号整型数据, 测量时刻的分字段为8位无符号整型数据, 测量时刻的秒字段为8位无符号整型数据,所占字节序号为14,有意义的取值范围为112； 所占字节序号为15,有意义的取值范围为131； 所占字节序号为16,有意义的取值范围为023； 所占字节序号为17,有意义的取值范围为059； 所占字节序号为18,有意义的取值范围为059；导航系统标识字段为8位有符

12、号整型数据，所占字节序号为19,有意义的取值范围为1、2,其中1表示GPS, 2表示BDS；l） 卫星号字段为8位无符号整型数据，所占字节序号为20,有意义的取值范围为035；m） 卫星仰角字段为32位浮点型数据，所占字节序号为2124,有意义的取值范围为090,单位为度；n）卫星方位角字段为32位浮点型数据，所占字节序号为2528,有意义的取值范围为T80 180,单位为度；o） 土壤湿度测量值字段为32位浮点型数据，所占字节序号为2932,有意义的取值范围为01,单位为 cm/cnr；T/ZSA 77-2021P）校验信息字段为32位有符号整型数据，所占字节序号为3336,有意义的取值范围

13、为-2 23-1。T/ZSA 77-2021参考文献1 GB/T 42082017外壳防护等级（IP代码）GB/T 174242019差分全球卫星导航系统（DGNSS）技术要求2 GB/T 193912003全球定位系统（GPS）术语及定义JJF 11182004全球定位系统（GPS）接收机（测地型和导航型）校准规范3 JJF 11802007时间频率计量名词术语及定义JJF 11882008无线电计量名词术语及定义4 JB/T 9536-2013户内户外防腐低压电器环境技术要求T/ZKJXX 000032018全球卫星导航系统（GNSS）信号模拟器要求10T/ZSA 77-2021前言HI1

14、范围12规范性引用文件13术语和定义、缩略语13.1术语和定义14系统组成15技术要求25.1 抗风能力25.2 防水防尘能力25.3 防护壳材料2功耗25.4 电气保护25.5 捕获灵敏度25.6 导航数据输出频率35.7 卫星导航系统支持35.8 土壤湿度估算模块35.9 硬件接口 35.10 无线通信35.11 对外发送数据35.12 测量面积35.13 测量准确度35.14 环境适应性35.15 电磁兼容性36检验36.1 外观及工作正常性检查36.2 检验方法47验收57.1 环境条件57.2 外观及工作正常性检查57.3 功能检查67.4 性能检查67.5 检验合格证6?,6 包装

15、6T/ZSA 77-2021附录A （资料性）土壤湿度估算模块软件架构7附录B （资料性）对外发送数据的协议格式说明8参考文献10IIT/ZSA 77-2021本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定 起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中关村标准化协会技术委员会提出并归口。本文件起草单位：中关村空间信息产业技术联盟、北京航空航天大学、北斗导航位置服务（北京） 有 限公司、合众思壮北斗导航有限公司、北京北斗华大科技有限公司、北京超图软件股份有限公司、山东航向 电子科技有限公司、山东农业大学、

16、中国标准化研究院、北京计量检测科学研究院、中科标准科学技术研究院。本文件主要起草人：杨东凯、汉牟田、孙波、杨磊、武尚玮、马广浩、张学良、隋媛、许原、高春 柳、 刘园、苏公山、庞静。IIIT/ZSA 77-2021基于全球卫星导航系统反射信号的土壤湿度信息采集终端1范围本文件规定了基于全球卫星导航系统反射信号的土壤湿度信息采集终端的系统组成、技术要求、检 验、 验收。本文件适用于基于全球卫星导航系统反射信号的土壤湿度信息采集终端的研制和使用等。以下“基于全球卫星导航系统反射信号的土壤湿度信息采集终端”统称为“终端”。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

17、其中，注日期的引用文件， 仅 该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 2423.12008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温GB./T 2423.22008电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温GB 4824-2019工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性 限值和测量方法3术语和定义、缩略语3.1 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1.1第一菲涅尔区 first fresnel zone包含一些反射点的椭圆体，在这些反射点上反射波和直射波的路径差小于半个波长。3.2 缩略语下列缩略语适用于本文件

18、。GNSS：全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System) BDS：北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System) Galileo：伽利略卫星导航系统(Galileo Navigation Satellite System)GLONASS：格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System) GPS：全球定位系统(Global Positioning System)TDR：时域反射计(Time Domain Reflectometer) FDR：频域反射计(Frequen

19、cy Domain Reflectometer) LSB：最低有效位(Least Significant Bit)MSB：最高有效位(Most Significant Bit)T/ZSA 77-20214系统组成终端是一种利用卫星导航直射信号与土壤反射的卫星导航信号之间的干涉效应进行土壤湿度测量 的装置，主要由GNSS天线、导航定位模块、土壤湿度估算模块、无线传输模块、无线通信天线、防护 壳组成，如图1所示。GNSS天线防护壳图1终端的系统组成终端各组成部分的功能如下：a） GNSS天线同时接收卫星导航直射信号与经土壤表面反射的卫星导航信号；b）导航定位模块处理GNSS天线接收到的信号并输出导

20、航数据包括位置数据、时间数据、每颗可见 导航卫星的仰角、方位角、信噪比数据，这些数据以一定的频率输出到土壤湿度估算模块；c） 土壤湿度估算模块对每颗可见卫星的信噪比数据进行处理以从中提取出与土壤湿度有关的观测 量，进而利用这些观测量进行土壤湿度估算，最终将土壤湿度估算值与其他辅助信息输出给 无线通 信模块；d）无线通信模块将土壤湿度估算值连同其他辅助信息以无线的方式发送给用户；e）防护壳用于为导航模块、土壤湿度反演模块、无线通信模块提供防护，使终端具备一定的抗风、防水、防尘能力。5技术要求抗风能力终端整体包括GNSS天线与无线通信天线应能抵抗10级及以下大风，在八级及以下大风情况下终端 能够正

21、常工作。5.1 防水防尘能力终端整体包括GNSS天线与无线通信天线，其整体防护等级为IP67。5.2 防护壳材料终端防护壳材料应为耐腐蚀的金属材质，耐腐蚀度v W O.Olmm/ao功耗终端整体功耗W 4W。5.3 电气保护终端具备电源反接保护功能。5.4 捕获灵敏度T/ZSA 77-2021终端的导航定位模块的捕获灵敏度，即导航定位模块可捕获的最弱的信号的功率应W -148 dBmo导航数据输出频率终端的导航定位模块向土壤湿度估算模块输出导航数据的频率范围为0.1HzIHzo卫星导航系统支持终端的导航定位模块应至少支持GPS与北斗卫星导航系统。5.5 土壤湿度估算模块土壤湿度估算模块的硬件组

22、成应至少包括中央处理器、内存、输入输出接口，其中中央处理器工作频率 应2120 MHz；内存容量应，12 MB；输入接口应与导航模块的输出接口适配；输出接口应与无线通信 模块输入接口适配。土壤湿度估算模块软件架构可参考附录A。5.6 硬件接口终端在硬件上应具备电源接口与配置接口，其中电源接口用于外接供电系统如市电、太阳能或者二 者 的组合；配置接口用于外接电子计算机以对终端进行参数配置。5.7 无线通信无线通信采用内置公网移动通信终端模块实现，应兼容国内移动、联通、电信三大电信运营商的网 络制式，适应4G和5G。5.8 对外发送数据终端应按照固定的协议通过无线通信模块对外发送数据，这些数据应至少包含：终端编号，终端经 纬 度，每颗卫星的土壤湿度测量值、卫星编号、测量时刻、测量时刻对应的卫星仰角与方位角，校验信 息。协 议的格式应详细记录在用户手册或者产品说明书中。协议格式可参照附录B。5.9 测量面积终端测量面积由第一菲涅区的面积确定。5.10 测量误差终端土壤湿度测量误差W 0.1 cm3/cni3o环境适应性终端应能在-35 C55 的室外环境下正常工作。5.11 电磁兼容性终端电磁兼容性应符合GB48242019 1组B类设备要求。6检验外观及工作正常性检查