一種基于gnss-r技術(shù)的河流流速測(cè)量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于GNSS-R技術(shù)的河流流速測(cè)量方法 與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNS巧是所有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)的集合， 包括已經(jīng)建成的美國(guó)的GPS、俄羅斯的化0NASS、歐盟的GALILEOW及我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。 作為最具影響和最有實(shí)用價(jià)值的空間技術(shù)成果之一，GNSS不僅為導(dǎo)航定位、測(cè)繪等領(lǐng)域提 供了強(qiáng)有力的工具，而且在海洋測(cè)量方面，應(yīng)用也得到迅速發(fā)展，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，GNSS的反 射信號(hào)是可W被接收并利用的，由此開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域一GNSS-R技術(shù)，并產(chǎn)生了W 此技術(shù)為基礎(chǔ)的新興學(xué)科領(lǐng)域一GNSS-R海洋遙感學(xué)。
[0003]GNSS-R(GlobalP^JavigationSatelliteSystemsReflections)巡感技術(shù)，即 GNSS反射信號(hào)遙感技術(shù)，是20世紀(jì)90年代W來逐漸興起的新型遙感探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利 用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號(hào)為發(fā)射源，在岸基、機(jī)載和星載接收平臺(tái)通過接收機(jī)接收處理海洋、 陸地等不同目標(biāo)反射的GNSS信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)地球物理參數(shù)的提取?；贕NSS-R遙感技術(shù) 探測(cè)手段屬于被動(dòng)遙感方法，其工作模式為收發(fā)雙（多）基雷達(dá)模式，具有W下突出優(yōu)點(diǎn)：
[0004]a.隱蔽性好
[0005] 不需要探測(cè)系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，采用異源觀測(cè)模式，利用全球共享的導(dǎo)航星 座為發(fā)射源。
[0006]b.信號(hào)發(fā)射源豐富
[0007]GNSS-R遙感技術(shù)具有大量的信號(hào)源。我國(guó)北斗系統(tǒng)、GPS、Galileo和化0NASS都 可W被用來作為GNSS-R遙感技術(shù)的信號(hào)源。
[0008] C.系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜度低，使用便捷
[0009] 隨著GNSS信號(hào)接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高；接收機(jī)體積越來越小，重 量越來越輕，極大減輕測(cè)量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0010] d.全天候作業(yè)
[0011]GNSS-R遙感探測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)和下 雨下雪等惡劣天氣狀況影響。
[001引基于GNSS-R的上述優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究：
[001引 NASA蘭利研究中屯、在1998年、2000年開展了利用GNSS-R進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)遙感的機(jī)載實(shí) 驗(yàn)，證明了利用GNSS-R信號(hào)歸一化相關(guān)功率可W反演海面風(fēng)場(chǎng)。M.Martin-Neria等分別 于1997年、2001年、2003年開展的Zeeland-橋I、II、III試驗(yàn)證明了根據(jù)GNSS-R反射信 號(hào)與直射信號(hào)之間存在的相對(duì)延遲可W用來反演海面高度。目前，利用GNSS-R測(cè)風(fēng)技術(shù)的 風(fēng)速精度可W達(dá)到±2.0m/s，風(fēng)向±20。；測(cè)量海面高度精度可W達(dá)到5cm。GNSS-R遙感 技術(shù)除了被成功應(yīng)用于海面風(fēng)場(chǎng)及高度的遙感探測(cè)外，它還在±壤濕度，禍流，潮位、海冰 等遙感探測(cè)技術(shù)中得到應(yīng)用，并取得大量研究成果。此外，開展GNSS-R研究的最終目標(biāo)是 實(shí)現(xiàn)星載應(yīng)用。2003年10月，英國(guó)國(guó)家空間中屯、發(fā)射了一顆680公里高的極軌UK-DMC災(zāi) 難探測(cè)衛(wèi)星，星載GNSS-R接收機(jī)設(shè)備成功地接收到了來自海洋、冰雪區(qū)域W及陸地反射的 GI^S信號(hào)，初步驗(yàn)證了星載GNSS-R海洋風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的可行性。更引人注目的是，美國(guó)宇航局 NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)和歐妍|太空局ESA巧uropean SpaceAgency)正在分別計(jì)劃實(shí)施新的GNSS-R衛(wèi)星在軌觀測(cè)計(jì)劃CYGNSS(切clone GlobalNavigationSatelliteSystem)和PARISloD(PassiveReflectometryand interferometrySystemin-OrbitDemonstrator)
[0014] 值得注意的是，雖然現(xiàn)在GNSS-R技術(shù)在海洋、湖泊、陸地和冰雪區(qū)域開展了大量 的研究，但是針對(duì)河流，尤其是針對(duì)河流流速的研究尚屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種基于GNSS-R技術(shù)高精度探測(cè)河流流速的裝置和方 法。
[0016] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于GNSS-R技術(shù)的河流流速測(cè)量方法，至 少包括W下步驟：
[0017]步驟1)、對(duì)所接收的直接信號(hào)與反射信號(hào)做下變頻與采樣；
[0018]步驟2)、對(duì)所接收的直接信號(hào)進(jìn)行處理，得到直接信號(hào)的跟蹤頻率、偽距和載波相 位觀測(cè)值；
[0019] 步驟3)、對(duì)所能接收到的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)做數(shù)據(jù)篩選，選取符合條件的GNSS衛(wèi) 星反射信號(hào)，然后W步驟2)所得到的直接信號(hào)的跟蹤頻率作為本地參考頻率，采用開環(huán)跟 蹤方法處理所選取的各個(gè)GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)，得到各個(gè)GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)的殘差相位；
[0020]步驟4)、利用步驟扣所得到的各個(gè)符合條件GNSS衛(wèi)星的反射信號(hào)的殘差相位輸 出值，結(jié)合步驟2)所得到的偽距和載波相位觀測(cè)值反演河流流速。
[0021] 上述技術(shù)方案中，在步驟3)中，所要選取的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)需要同時(shí)滿足W下 3個(gè)條件：
[0022] a.鏡面反射點(diǎn)落在目標(biāo)觀測(cè)河流上；
[0023] b.鏡面反射點(diǎn)在反射天線覆蓋范圍區(qū)域內(nèi)；
[0024]C.有效跟蹤時(shí)間在100s~1000s之間。
[00巧]上述技術(shù)方案中，在步驟3)中，對(duì)任一GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)的處理包括；W直接信 號(hào)的跟蹤頻率作為參考頻率，生成本地復(fù)制同相信號(hào)與正交信號(hào)，將所述同相信號(hào)與正交 信號(hào)分別與反射信號(hào)做相干積分后，使用四象鑒相器輸出在[-K, 31]內(nèi)的殘差相位。
[0026] 上述技術(shù)方案中，所述步驟4)進(jìn)一步包括；
[0027] 步驟401)、將步驟扣中所選取的各GNSS衛(wèi)星各時(shí)段反射信號(hào)經(jīng)處理后所得到的 殘差相位分別執(zhí)行下面的步驟402)-步驟404)，直到所有的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)均已被處 理后執(zhí)行步驟405);
[0028] 步驟402)、將步驟3)所選取的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)的時(shí)域殘差相位數(shù)據(jù)做傅里葉 變化，獲取頻譜圖，分析該頻譜圖中的低頻分量區(qū)域，獲取其中的最大值，得到最大低頻分 量頻率；
[0029] 步驟403)、利用步驟2)所得到的直接信號(hào)的偽距和載波相位觀測(cè)量進(jìn)行精度定 位，獲取平臺(tái)載荷的精確位置；利用GNSS衛(wèi)星的精密星歷計(jì)算GNSS位置；根據(jù)之前計(jì)算得 至IJ的平臺(tái)載荷的精確位置與GNSS位置間的幾何關(guān)系計(jì)算GNSS衛(wèi)星在接收機(jī)載體的站屯、坐 標(biāo)系下的仰角；
[0030]步驟404)、根據(jù)步驟402)得到的最大低頻分量頻率和步驟403)得到的幾何仰角 反演目標(biāo)河流在該時(shí)間段內(nèi)的平均流速，得到流速觀測(cè)值；計(jì)算式如下：
[003" Vfi"= f flow ?c/(cos(el)? fcNss)
[003引其中，V。。,為河流流速，c為光速，el為GNSS衛(wèi)星的仰角，fewss為GNSS信號(hào)的載 頻頻率；
[0033]步驟405)、將之前所獲取的多個(gè)流速觀測(cè)值取平均或求中值，獲取最終觀測(cè)量。
[0034] 本發(fā)明還提供了一種基于GNSS-R技術(shù)的河流流速測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括；直接信 號(hào)天線、反射信號(hào)天線、多通道中頻采樣器、直接信號(hào)處理子系統(tǒng)、反射信號(hào)處理子系統(tǒng)、流 速產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；其中，
[00巧]所述直接信號(hào)天線所采集的直接信號(hào)與反射信號(hào)天線所采集的反射信號(hào)均通過 多通道中頻采樣器做下變頻與采樣，然后將直接信號(hào)傳輸?shù)街苯有盘?hào)處理子系統(tǒng)，將反射 信號(hào)傳輸?shù)椒瓷湫盘?hào)處理子系統(tǒng)；
[0036] 所述的直接信號(hào)處理子系統(tǒng)使用閉環(huán)跟蹤方法對(duì)所接收的直接信號(hào)進(jìn)行處理，得 到直接信號(hào)的跟蹤頻率、偽距和載波相位觀測(cè)值；其中，所述跟蹤頻率作為反射信號(hào)開環(huán)跟 蹤的參考頻率，偽距和載波相位為后處理獲取接收機(jī)載體精確位置和速度做準(zhǔn)備；
[0037] 所述的反射信號(hào)處理子系統(tǒng)對(duì)所能接收到的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)做數(shù)據(jù)篩選，選 取符合條件的GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)，然后W直接信號(hào)處理子系統(tǒng)所輸出的直接信號(hào)的跟蹤 頻率作為本地參考頻率，采用開環(huán)跟蹤方法處理各個(gè)可視GNSS衛(wèi)星的反射信號(hào)；
[0038] 所述的流速產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)利用反射信號(hào)處理子系統(tǒng)所輸出的殘差相位輸 出值反演河流流速。
[0039] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0040] 1、本發(fā)明的方法與系統(tǒng)只需接收單頻GNSS信號(hào)，而且適用于目前所有的GNSS信 號(hào)，包括GPS、北斗和Galileo等導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)，具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；
[0041] 2、本發(fā)明的方法與系統(tǒng)適合應(yīng)用于岸基和機(jī)載的全天候河流流速遙感觀測(cè)，算法 簡(jiǎn)單快速，可W在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)河流水面流速高精度測(cè)量。
【附圖說明】
[0042] 圖1是殘差相位頻譜分析法反演河流流速原理示意圖；
[0043] 圖2是本發(fā)明方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟；
[0044] 圖3是本發(fā)明方法中由反射信號(hào)殘差相位反演河流流速的流程圖；
[0045] 圖4是本發(fā)明GNSS-R技術(shù)探測(cè)河流流速裝置的總