一种基于gnss-r技术的河流流速测量方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及遥感技术领域，特别设及一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法 与系统。
【背景技术】
[0002] 全球卫星导航定位系统（GNS巧是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合， 包括已经建成的美国的GPS、俄罗斯的化0NASS、欧盟的GALILEOW及我国的北斗导航系统。 作为最具影响和最有实用价值的空间技术成果之一，GNSS不仅为导航定位、测绘等领域提 供了强有力的工具，而且在海洋测量方面，应用也得到迅速发展，一些学者发现，GNSS的反 射信号是可W被接收并利用的，由此开辟了一个新的研究领域一GNSS-R技术，并产生了W 此技术为基础的新兴学科领域一GNSS-R海洋遥感学。
[0003]GNSS-R(GlobalP^JavigationSatelliteSystemsReflections)巡感技术，即 GNSS反射信号遥感技术，是20世纪90年代W来逐渐兴起的新型遥感探测技术。该技术利 用导航卫星L波段信号为发射源，在岸基、机载和星载接收平台通过接收机接收处理海洋、 陆地等不同目标反射的GNSS信号，最终实现地球物理参数的提取。基于GNSS-R遥感技术 探测手段属于被动遥感方法，其工作模式为收发双（多）基雷达模式，具有W下突出优点：
[0004]a.隐蔽性好
[0005] 不需要探测系统主动发射探测信号，采用异源观测模式，利用全球共享的导航星 座为发射源。
[0006]b.信号发射源丰富
[0007]GNSS-R遥感技术具有大量的信号源。我国北斗系统、GPS、Galileo和化0NASS都 可W被用来作为GNSS-R遥感技术的信号源。
[0008] C.系统的设备复杂度低，使用便捷
[0009] 随着GNSS信号接收机不断改进，自动化程度越来越高；接收机体积越来越小，重 量越来越轻，极大减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。
[0010] d.全天候作业
[0011]GNSS-R遥感探测可在一天24小时内任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风和下 雨下雪等恶劣天气状况影响。
[001引基于GNSS-R的上述优势，国内外开展了大量的实验和理论研究：
[001引 NASA兰利研究中屯、在1998年、2000年开展了利用GNSS-R进行风场遥感的机载实 验，证明了利用GNSS-R信号归一化相关功率可W反演海面风场。M.Martin-Neria等分别 于1997年、2001年、2003年开展的Zeeland-桥I、II、III试验证明了根据GNSS-R反射信 号与直射信号之间存在的相对延迟可W用来反演海面高度。目前，利用GNSS-R测风技术的 风速精度可W达到±2.0m/s，风向±20。；测量海面高度精度可W达到5cm。GNSS-R遥感 技术除了被成功应用于海面风场及高度的遥感探测外，它还在±壤湿度，祸流，潮位、海冰 等遥感探测技术中得到应用，并取得大量研究成果。此外，开展GNSS-R研究的最终目标是 实现星载应用。2003年10月，英国国家空间中屯、发射了一颗680公里高的极轨UK-DMC灾 难探测卫星，星载GNSS-R接收机设备成功地接收到了来自海洋、冰雪区域W及陆地反射的 GI^S信号，初步验证了星载GNSS-R海洋风场探测的可行性。更引人注目的是，美国宇航局 NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)和欧妍|太空局ESA巧uropean SpaceAgency)正在分别计划实施新的GNSS-R卫星在轨观测计划CYGNSS(切clone GlobalNavigationSatelliteSystem)和PARISloD(PassiveReflectometryand interferometrySystemin-OrbitDemonstrator)
[0014] 值得注意的是，虽然现在GNSS-R技术在海洋、湖泊、陆地和冰雪区域开展了大量 的研究，但是针对河流，尤其是针对河流流速的研究尚属空白。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的在于发明一种基于GNSS-R技术高精度探测河流流速的装置和方 法。
[0016] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法，至 少包括W下步骤：
[0017]步骤1)、对所接收的直接信号与反射信号做下变频与采样；
[0018]步骤2)、对所接收的直接信号进行处理，得到直接信号的跟踪频率、伪距和载波相 位观测值；
[0019] 步骤3)、对所能接收到的GNSS卫星反射信号做数据筛选，选取符合条件的GNSS卫 星反射信号，然后W步骤2)所得到的直接信号的跟踪频率作为本地参考频率，采用开环跟 踪方法处理所选取的各个GNSS卫星反射信号，得到各个GNSS卫星反射信号的残差相位；
[0020]步骤4)、利用步骤扣所得到的各个符合条件GNSS卫星的反射信号的残差相位输 出值，结合步骤2)所得到的伪距和载波相位观测值反演河流流速。
[0021] 上述技术方案中，在步骤3)中，所要选取的GNSS卫星反射信号需要同时满足W下 3个条件：
[0022] a.镜面反射点落在目标观测河流上；
[0023] b.镜面反射点在反射天线覆盖范围区域内；
[0024]C.有效跟踪时间在100s~1000s之间。
[00巧]上述技术方案中，在步骤3)中，对任一GNSS卫星反射信号的处理包括；W直接信 号的跟踪频率作为参考频率，生成本地复制同相信号与正交信号，将所述同相信号与正交 信号分别与反射信号做相干积分后，使用四象鉴相器输出在[-K, 31]内的残差相位。
[0026] 上述技术方案中，所述步骤4)进一步包括；
[0027] 步骤401)、将步骤扣中所选取的各GNSS卫星各时段反射信号经处理后所得到的 残差相位分别执行下面的步骤402)-步骤404)，直到所有的GNSS卫星反射信号均已被处 理后执行步骤405);
[0028] 步骤402)、将步骤3)所选取的GNSS卫星反射信号的时域残差相位数据做傅里叶 变化，获取频谱图，分析该频谱图中的低频分量区域，获取其中的最大值，得到最大低频分 量频率；
[0029] 步骤403)、利用步骤2)所得到的直接信号的伪距和载波相位观测量进行精度定 位，获取平台载荷的精确位置；利用GNSS卫星的精密星历计算GNSS位置；根据之前计算得 至IJ的平台载荷的精确位置与GNSS位置间的几何关系计算GNSS卫星在接收机载体的站屯、坐 标系下的仰角；
[0030]步骤404)、根据步骤402)得到的最大低频分量频率和步骤403)得到的几何仰角 反演目标河流在该时间段内的平均流速，得到流速观测值；计算式如下：
[003" Vfi"= f flow ?c/(cos(el)? fcNss)
[003引其中，V。。,为河流流速，c为光速，el为GNSS卫星的仰角，fewss为GNSS信号的载 频频率；
[0033]步骤405)、将之前所获取的多个流速观测值取平均或求中值，获取最终观测量。
[0034] 本发明还提供了一种基于GNSS-R技术的河流流速测量系统，该系统包括；直接信 号天线、反射信号天线、多通道中频采样器、直接信号处理子系统、反射信号处理子系统、流 速产品数据处理子系统；其中，
[00巧]所述直接信号天线所采集的直接信号与反射信号天线所采集的反射信号均通过 多通道中频采样器做下变频与采样，然后将直接信号传输到直接信号处理子系统，将反射 信号传输到反射信号处理子系统；
[0036] 所述的直接信号处理子系统使用闭环跟踪方法对所接收的直接信号进行处理，得 到直接信号的跟踪频率、伪距和载波相位观测值；其中，所述跟踪频率作为反射信号开环跟 踪的参考频率，伪距和载波相位为后处理获取接收机载体精确位置和速度做准备；
[0037] 所述的反射信号处理子系统对所能接收到的GNSS卫星反射信号做数据筛选，选 取符合条件的GNSS卫星反射信号，然后W直接信号处理子系统所输出的直接信号的跟踪 频率作为本地参考频率，采用开环跟踪方法处理各个可视GNSS卫星的反射信号；
[0038] 所述的流速产品数据处理子系统利用反射信号处理子系统所输出的残差相位输 出值反演河流流速。
[0039] 本发明的优点在于：
[0040] 1、本发明的方法与系统只需接收单频GNSS信号，而且适用于目前所有的GNSS信 号，包括GPS、北斗和Galileo等导航系统的信号，具有适用范围广的优点；
[0041] 2、本发明的方法与系统适合应用于岸基和机载的全天候河流流速遥感观测，算法 简单快速，可W在较短时间内实现河流水面流速高精度测量。
【附图说明】
[0042] 图1是残差相位频谱分析法反演河流流速原理示意图；
[0043] 图2是本发明方法的具体实现步骤；
[0044] 图3是本发明方法中由反射信号残差相位反演河流流速的流程图；
[0045] 图4是本发明GNSS-R技术探测河流流速装置的总