[发明专利]一种基于GNSS‑R技术的河流流速测量方法与系统

权利要求书

1.一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法，至少包括以下步骤：

步骤1)、对所接收的直接信号与反射信号做下变频与采样；

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；

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，然后以步骤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；

步骤4)、利用步骤3)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；其中，

所述步骤4)进一步包括：

步骤401)、将步骤3)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)；

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；

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；根据之前计算得到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心坐标系下的仰角；

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反射天线照射的目标流域的流速一样的时间段内的平均流速，得到流速观测值；计算式如下：

V_flow＝f_flow·c/(cos(el)·f_GNSS)

其中，V_flow为河流流速，c为光速，el为GNSS卫星的仰角，f_GNSS为GNSS信号的载频频率，f_flow为步骤402)得到的最大低频分量频率；

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。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R技术的河流流速测量方法，其特征在于，在步骤3)中，所要选取的GNSS卫星反射信号需要同时满足以下3个条件：

a.镜面反射点落在目标观测河流上；

b.镜面反射点在反射天线覆盖范围区域内；

c.有效跟踪时间在100s～1000s之间。

3.根据权利要求1所述的基于GNSS-R技术的河流流速测量方法，其特征在于，在步骤3)中，对任一GNSS卫星反射信号的处理包括：以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[-π,π]内的残差相位。

4.一种基于GNSS-R技术的河流流速测量系统，其特征在于，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，

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；

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；

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，然后以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；

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；其中，该子系统进一步包括：

将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；

利用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；根据之前计算得到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心坐标系下的仰角；

根据最大低频分量频率和几何仰角反演目标河流在反射天线照射的目标流域的流速一样的时间段内的平均流速，得到流速观测值；计算式如下：

V_flow＝f_flow·c/(cos(el)·f_GNSS)

其中，V_flow为河流流速，c为光速，el为GNSS卫星的仰角，f_GNSS为GNSS信号的载频频率，f_flow为步骤402)得到的最大低频分量频率；

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。