CN104865581A - 一种基于gnss-r技术的河流流速测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法，至少包括以下步骤：对所接收的直接信号与反射信号做下变频与采样；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；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；利用各个符合条件GNSS卫星的反射信号的残差相位输出值，结合伪距和载波相位观测值反演河流流速。

Description

一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法与系统

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，特别涉及一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法与系统。

背景技术

全球卫星导航定位系统(GNSS)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GLONASS、欧盟的GALILEO以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的反射信号是可以被接收并利用的，由此开辟了一个新的研究领域—GNSS-R技术，并产生了以此技术为基础的新兴学科领域—GNSS-R海洋遥感学。

GNSS-R(Global Navigation Satellite Systems Reflections)遥感技术，即GNSS反射信号遥感技术，是20世纪90年代以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，具有以下突出优点：

a.隐蔽性好

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。

b.信号发射源丰富

GNSS-R遥感技术具有大量的信号源。我国北斗系统、GPS、Galileo和GLONASS都可以被用来作为GNSS-R遥感技术的信号源。

c.系统的设备复杂度低，使用便捷

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。

d.全天候作业

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。

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：

NASA兰利研究中心在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以反演海面风场。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以用来反演海面高度。目前，利用GNSS-R测风技术的风速精度可以达到±2.0m/s，风向±20°；测量海面高度精度可以达到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，它还在土壤湿度，涡流，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，英国国家空间中心发射了一颗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、冰雪区域以及陆地反射的GPS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(National Aeronautics and Space Administration)和欧洲太空局ESA(EuropeanSpace Agency)正在分别计划实施新的GNSS-R卫星在轨观测计划CYGNSS(CycloneGlobal Navigation Satellite System)和PARIS IoD(Passive Reflectometry andinterferometry System in-Orbit Demonstrator)

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

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。

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。

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。

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：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。

上述技术方案中，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该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；

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。

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，

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。

本发明的优点在于：

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；

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，可以在较短时间内实现河流水面流速高精度测量。

附图说明

图1是残差相位频谱分析法反演河流流速原理示意图；

图2是本发明方法的具体实现步骤；

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；

图4是本发明GNSS-R技术探测河流流速装置的总体框图；

图5是2014年5月30日郑州机载GNSS-R河流遥感试验飞行轨迹示意图；

图6是GPS卫星方位角和仰角星空图；

图7是反射信号开环跟踪后残差相位随时间变化示意图；其中，图7(a)是反射信号功率I²+Q²，图7(b)是残差相位随时间变化值；

图8是反射信号残差相位频谱分析结果示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为测量河流流速这一应用场景的示意图，从图中可以看出，GNSS卫星发射的信号由一运行在河流上方的接收机载体(如图1中的飞机)中的接收机接收，要实现本发明的方法，该接收机需要采集两种类型的信号：直接信号、反射信号。所述的直接信号是指可直接接收的可视GNSS卫星的信号；所述的反射信号是指GNSS信号经反射表面(陆面或水面)反射后接收的信号。这两种类型的信号分别由两个天线接收，将接收直接信号的天线称为直接天线，将接收反射信号的天线称为反射天线。直接天线垂直向天顶方向架设，反射天线垂直向下架设。在图1所示的实施例中，直接天线采用右旋圆极化天线实现，反射天线采用左旋圆极化天线实现。

利用所采集的直接信号与反射信号，能计算出河流流速，下面对其原理进行说明。

1、直接天线接收到的直接信号可表示为：

u_d(t)＝C_d(t)·D_d(t)·A_d(t)·cos(2·π·f_d(t)-φ_d0)   (1)

其中，t为时间，所接收的直接信号在t时刻的幅度和频率分别表示为A_d(t)和f_d(t)，导航电文为D_d(t)，C_d(t)为直接信号的码分多地调制码，φ_d0为初始时刻直接信号的相位。其中直接信号在t时刻的频率f_d(t)可进一步表示为；

f_d(t)＝f₀+f_T(t)+f_R(t)+f_a(t)   (2)

其中，f₀表示GNSS信号本身发射时的频率，f_T(t)表示GNSS卫星由于运动引起的多普勒频率，f_R(t)表示由于接收机载体运动引起的多普勒频率，f_a(t)表示在信号在电离层和大气层传播过程中附加的多普勒频率。

如图1所示，为了便于后续的分析，将接收机载体运动引起的多普勒频率f_R(t)分解为与反射面平行接收机运动速度V_H引起的水平多普勒频率f_RH和与反射面垂直速度V_V引起的垂直多普勒频率f_RV，式(2)所表示的直接信号在t时刻的频率可进一步改写为：

f_d(t)＝f₀+f_T(t)+f_RH(t)+f_RV(t)+f_a(t)   (3)

2、反射天线接收到的反射信号可以表示为：

u_r(t)＝C_r(t)·D_r(t)·A_r(t)·cos(2·π·f_r(t)-φ_r0)   (4)

其中，t为时间，所接收的反射信号的幅度和频率为A_r(t)和f_r(t)，导航电文为D_r(t)，C_r(t)为直接信号的C/A调制码，φ_r0为初始时刻反射信号的相位。其中反射信号在t时刻的频率可进一步表示为：

f_r(t)＝f₀+f_T(t)+f_RH(t)-f_RV(t)+f_flow(t)+f_a(t)   (5)

其中，f_flow(t)表示由于河流反射面元速度(即待测量河流流速)引起的多普勒频率，由于镜面反射原理(参见图1)，与反射面垂直方向接收机载体运动造成的反射信号的多普勒频率与直接信号的多普勒频率相比符号相反(参见公式(3)和公式(5)，两公式中f_RV(t)前的运算符相反)。如果在岸基或机载情况下，由于平台高度低，直接和反射信号路径延迟小，所以可以认为直接信号和反射信号由于大气和电离层引起的多普勒频率f_a(t)相同。

3、在之前所得到的直接信号与反射信号的基础上，本发明中采用开环跟踪方法，以直接信号闭环跟踪频率f_d(t)为模型参考频率，生成本地复制同相信号υⁱ(t)＝cos(2·π·f_d(t))和正交信号υ^q(t)＝cos(2·π·f_d(t))，将所述同相信号与正交信号分别与反射信号u_r(t)进行相关处理，所得到的在T(1ms)内的相干积分结果为：

$\begin{array}{c}{I}_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}{u}_r\left(t\right)\·{\mathrm{\υ}}^i\left(t\right)\·\mathrm{dt}+N_n^i\\ \≈C_r\left(t\right)\·D_r\left(t\right)\·A_n\·\sin c\left(\mathrm{\π\Δ}{f}_{n}T\right)\·\cos (\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}{f}_n\·T+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^i\\ =C_r\left(t\right)\·D_r\left(t\right)\·A_n\·\sin c\left(\mathrm{\π\Δ}{f}_{n}T\right)\·\cos (\frac{2\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}{f}_n\·T}{2}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^i\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{Q}_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}{u}_r\left(t\right)\·{\mathrm{\υ}}^q\left(t\right)\·\mathrm{dt}+N_n^q\\ \≈C_r\left(t\right)\·D_r\left(t\right)\·A_n\·\sin c\left(\mathrm{\π\Δ}{f}_{n}T\right)\·\sin (\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}{f}_n\·T+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^q\\ =C_r\left(t\right)\·D_r\left(t\right)\·A_n\·\sin c\left(\mathrm{\π\Δ}{f}_{n}T\right)\·\sin (\frac{2\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}{f}_n\·T}{2}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^q\end{array}---\left(7\right)$

其中，下标n代表时间t_n≤t＜t_n+T，sin c(x)＝sin(x)/x。Δf_n是t_n≤t＜t_n+T时间内接收反射和直接信号平均频率差：

Δf_n＝f_r(t_n)-f_d(t_n)＝-2·f_RV(t_n)+f_flow(t_n)   (8)

Δφ_n是在t_n时刻接收反射信号相位和本地相位的初始相位差。和为接收机跟踪时I路和Q路的噪声。

由之前得到的相干积分结果I与Q路信号可得GNSS-R接收机的输出残差相位

其中，arctan 2代表四象鉴相器，φ_C是由于调制码造成的相位180°翻转(以GPS的L1信号位置其上调制的C/A频率为1.023MHz，北斗的B1I信号调制的频率为2.046MHz)，φ_D是由于导航电文调制造成的相位180°翻转(以GPS的L1信号电文为50Hz，北斗的B1I信号调制电文为500Hz)，以上都属于高频分量，而且有固定频率，所以不会影响对河流流速的探测。接收机平台载体垂直方向运动引起的多普勒频率f_RV(t)在岸基静态应用时为0，可以忽略；在机载应用时，要求飞机固定高度平稳飞行，f_RV(t)主要是飞机垂直方向抖动引起，在频率上仍然是高频分量为主，而且飞机速度可以利用GNSS直接信号高频采样数据(采样率＝1/T)采取差分定位的方法获取精密的飞机后处理速度信息，尤其是垂直方向的速度信息，从而将f_RV(t)的影响去除。

假设在一段时间内反射天线照射的目标流域的流速一样，对残差相位输出量在该段时间内做快速傅里叶FFT变换，在频谱的低频分量中获取最大值f_flow，如图1中所示，可以反演出河流的流速为：

V_flow＝f_flow·c/(cos(el)·f_GNSS)   (10)

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。

以上是对如何计算河流流速的原理说明，下面结合图2，对本发明方法的具体实现步骤做详细说明。

步骤1)、对所接收的直接信号与反射信号做下变频与采样；

本步骤中，所述采样操作的采样率需符合奈奎斯特定理，在一个实施例中，所述采样率为16.368MHz；

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；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；

对直接信号进行处理可采用现有技术中的闭环跟踪方法实现；

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；其中，

在本步骤中，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.有效跟踪时间在一定的数值范围内；在一个实施例中，所述有效跟踪时间为500s(对应频域最小频率分辨率为0.002Hz)，在其他实施例中，有效跟踪事件的具体取值可根据实际情况进行修改，但建议时间选取范围在100s～1000s之间。对任一GNSS卫星反射信号的具体处理过程包括：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，在一个实施例中，四象鉴相器输出残差相位的输出速率为1kHz；

步骤4)、利用步骤3)所得到的残差相位输出值反演河流流速；

参考图3，该步骤进一步包括：

步骤4-1)、将步骤3)中所选取的各GNSS卫星各时段反射信号(至少有一段GNSS卫星反射信号)经处理后所得到的残差相位分别执行下面的步骤4-2)—步骤4-4)，直到所有的GNSS卫星反射信号均已被处理后执行步骤4-5)；

步骤4-2)、将步骤3)所选取的时域残差相位数据做傅里叶变化(FFT)，获取频谱图，分析该频谱图中的低频分量(正负10Hz)区域，获取其中的最大值，得到最大低频分量频率。

步骤4-3)、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4-4)、根据步骤4-2)得到的最大低频分量频率和步骤4-3)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。

步骤4-5)、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。显而易见，若步骤3)中所选取的GNSS卫星反射信号只有一段，则步骤4-4)中所得到的流速观测值也就是最终观测量。

以上是对本发明方法的描述，本发明还提供一种与方法相对应的系统，参考图4，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；其中，对任一可视GNSS卫星的反射信号的具体处理过程包括：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，输出速率为1kHz；

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。

实验验证

实验概况

2014年5月30日，中科院国家空间科学中心，中科院遥感所，清华大学、气象局大探中心等多家单位在我国河南省郑州市上街区开展了机载GNSS-R河流遥感实验。实验中用到的GNSS-R有效载荷是由空间中心自主研发的，它由三个天线和一个接收机构成。飞机的航迹如图5，轨迹1代表飞机飞行轨迹，区域2内表示的是飞机飞越黄河的目标观测区域，分两次分别从西南-东北和东北-西南开展机载GNSS-R观测，总飞行时间为1小时10分钟，在黄河目标区域上空持续时间约20分钟。为了获得飞机的精确位置，分别在点B和C位置假设了两个参考站，结合飞机上的GPS定位接收数据开展差分定位计算。在点A区域架设浮标对黄河开展就位水面高度和河流流速的探测，作为对比验证数据使用。

实验结果

GNSS-R机载试验中GPS卫星星空图如图6，图6中黑色直线线代表黄河河流的走向，不同的线段代表飞机飞过目标黄河区域时间内各GPS卫星方位角和仰角的运动轨迹。由几何关系可知，GPS卫星轨迹和黄河走向越接近其镜面反射点越可能落在黄河河流区域，所以在GNSS-R河流水面高度探测中，选择PRN18、PRN 21和PRN 24三颗卫星数据进行处理。根据GNSS-R探测河流流速的理论分析，GPS仰角约低对流速反演越敏感，但是受天线波束影响，仰角太低反射信号落在天线照射范围的闪烁区域不足，接收反射信号功率小，所以选择中间高度的PRN24号星进行处理分析。

使用开环跟踪算法获取的PRN24号星反射信号残差相位在时间域的片段如图7，对该相位进行频率分析获取的频谱图如图8，其中图7(a)是反射信号功率I²+Q²，图7(b)是残差相位随时间变化值，由该图可知，残差相位有些区域变化趋势明显(12-17秒之间)，有些区域变化趋势模糊(9-12秒之间)，所以需要通过该相位变化的频率分析获取有用信息。通过FFT获取反射信号残差相位的频谱分析图，如图8，图中输出±100Hz范围内的频率分布，其中在低频附近可见一高能量的低频分量，其频率为-0.3898Hz。由公式(9)可得反演的河流流速为-0.1471m/s，负号代表河流流速方向是由飞机指向GNSS卫星，结合星空图图6，可知流速方向为由西南向东北方向流动。多次浮标实测结果平均流速为0.1265m/s，而且该段黄河向为顺河道由西南向东北方流动。

结论：使用GNSS-R开环残差相位频谱分析法处理河南上街机载GNSS-R实验数据，反演获得的河流流速结果与就位浮标实测数据相比误差为0.0206m/s，而且流速方向测量结果与实际一致，该实验验证了GNSS-R开环残差相位频谱分析法探测河流速度的正确性和可行性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

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。

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.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，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该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；

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。

5.一种基于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。