数字城市构建中GNSS接收机的卫星高度截止角预设的研究

吴学文 1 董旭明 1 许文婧 2 王露露 1 沈迎光 1

1. 陕西测绘仪器计量监督检定中心2.自然资源部陕西基础地理信息中心

摘要：本文站在测绘行业的角度上诠释了数字城市构建的基本概念，对数字城市构建中使用到的GNSS接收机在统一条件下基线观测质量随卫星高度截止角变化的相关问题进行了研究分析，以实验为理论基础、结合实际提出了具有客观参考价值的卫星高度截止角预设方案。

关键词：数字城市、GNSS、高度截止角

1基本概念

1.1数字城市构建的概念

数字城市是数字地球的缩影，可以理解为信息化在城市建设和管理中的应用。关于构建数字城市的具体概念，不同的行业亦有不同的理解，其中测绘行业认为构建数字城市就是以现实城市中各类要素的地理位置及相互关系为基础，利用遥感、全球定位系统、地理信息系统、计算机信息系统等多种技术，组成的城市数字化信息框架,并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称^[1]。首先，构建数字城市是以城市的地理信息为基础，以三维空间的形式建立信息框架；其次，构建数字城市需要集成除空间地理信息以外的其它多元化信息，包括城市的资源、环境、人口等属性信息；最终，数字城市是以数字化为表现形式将所有信息展现出来，服务于广大客户。

1.2GNSS接收机的概念

GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，即全球卫星导航系统。GNSS接收机可以理解为是GPS、GLONASS、Galileo及中国北斗等导航卫星接收机的总称。GNSS是目前应用较为广泛的导航定位系统，但在民用建设中发挥实际作用的多指GPS（下文中的GNSS实指GPS）。

2 GNSS技术在数字城市构建中的作用

构建数字城市，其首要任务是建设空间地理信息框架，即需要获取海量的空间地理信息。目前，获取此类信息的主要流程是：建立一定的空间参考基准，在该基准下实施城市空间地理信息的采集。建立空间参考基准的最佳测量技术就是GNSS技术，其高效、快捷、省时省力、定位准确，并且可以在施工建设等方面发挥重要作用。此外，空间地理信息的采集方法主要有数字地形测绘和航空摄影测量，GNSS RTK测量技术数字测图过程中的应用已经十分成熟、摄影测量过程中的像主点定位和地物补测也均可利用GNSS技术实现。多年以来，GNSS技术已经在构建数字城市中发挥了重要作用。

3数字城市建设中GNSS接收机的卫星高度截止角

不可否认，GNSS技术可以在数字城市构建过程中发挥重要作用，但是这项技术也有其先天性缺陷，比如GNSS接收机的卫星高度截止角就关系到了其测量结果的可靠性。

3.1 GNSS接收机卫星高度截止角

GNSS接收机卫星高度角，即一台GNSS接收机的相位中心与一颗导航卫星的信号发射中心连线的垂直角。GNSS接收机卫星高度截止角，即一台GNSS接收机可搜索到导航卫星的最小卫星高度角。

3.2 GNSS接收机卫星高度截止角的影响

不难理解，GNSS接收机卫星高度截止角直接决定了接收机对导航卫星的搜索范围，即在其它条件一定的情况下高度截止角越小导航卫星的可见范围越广，反之亦然。

图1卫星高度截止角增大后的卫星数据对比图

如图1所示，在其它条件不变的情况下，高度截止角由0度变换到60度后所能参与基线解算的卫星数据已经所剩无几了。

3.3 GNSS接收机卫星高度截止角的预设

了解了GNSS接收机卫星高度截止角的概念及影响，那么在数字城市构建中应如何合理预设高度截止角呢？文中考虑到GNSS技术在数字城市构建中的不同用途，以下实验在其它解算条件一定的情况下，共设置了0°、15°、30°、45°、60°五种高度截止角，针对同一条基线分别连续观测1.5h、1h和0.5h所采集的测量数据进行解算，观察该基线观测质量的不同变化。

观测时间	卫星高度截止角		0°	15°	30°	45°	60°
1.5h	基线质量	Ratio值	37.4	37.4	99.9	99.9	无解
		RMS/m	0.0058	0.0058	0.0039	0.0035	0.004
观测时间	卫星高度截止角		0°	15°	30°	45°	60°
1.0h	基线质量	Ratio值	56.8	56.8	99.9	99.9	无解
		RMS/m	0.0071	0.0071	0.0038	0.0035	0.0041
观测时间	卫星高度截止角		0°	15°	30°	45°	60°
0.5h	基线质量	Ratio值	13.1	13.1	99.9	92.9	无解
		RMS/m	0.0079	0.0079	0.0038	0.0032	0.004

表1 “A#-B#”基线观测质量随高度截止角变化统计表

如表1所示：无论观测时间的长短，基线观测值的可靠程度（Ratio）均会随着高度截止角的增大而整体增加，直到60°左右失去可靠性；无论观测时间的长短，基线观测质量（RMS）均会随着高度截止角的增大而有所提高，直到45°与60°之间才发生逆转。

通过以上的分析可知，数字城市构建中使用GNSS接收机时将高度截止角预设值调大一些会对基线测量准确度有所帮助，但在实际观测过程中并不能完全按照此理论操作。仔细研究不难发现，GNSS接收机卫星高度截止角预设值越高，其对于导航卫星的搜索范围就越小，一旦观测时间缩短，表面看来观测质量会有所增长，但观测值的可靠性已经开始下降了，这一点表1中有关“0.5h”的观测栏中也有体现。上文中提到在数字城市构建过程中，GNSS技术即可用来建设空间地理信息参考基准，又可用来进行数字测图或航摄补测。综合考虑，广大用户完全可以取长补短，合理预设卫星高度截止角以求得到优质可靠的测量数据。

4结论

作者通过对GNSS技术在数字城市构建中应用的研究，具体细化分析了GNSS接收机卫星高度截止角预设的相关问题，最终提出以下建议性结论：

（1）GNSS接收机卫星高度截止角的预设值在理论上是以较大为宜，但必须结合实际情况合理应用；

（2）在使用GNSS接收机建设城市空间地理信息参考基准的过程中，考虑到观测条件优越等条件，可将卫星高度截止角的预设值调试在15°～30°之间以保证获取足量的后处理数据；

（3）在使用GNSS接收机完成数字测图或者进行摄影测量补测的过程中，考虑到多路径效应等误差源，可将卫星高度截止角的预设值调试在30°～40°之间以保证足够的抗干扰性。

参考文献

[1] 李德仁.从数字城市到智慧城市.

[2] 李　琦 ,刘纯波 ,承继成. 数字城市若干理论问题探讨. 地理与地理信息科学,2003:19(1).

[3] 王楠，张郁. 卫星高度角对 GPS 测量精度的影响研究.武汉：武汉理工大学学报，2012：34（5）.

[4] 秦宁，吴向阳. G P S技术在数字城市建设中的应用.江苏: 江苏省测绘学会2003学术年会专辑.

[5] 秦庆伟. 激光测量车技术在工程测量中的应用. 地理空间信息,2015:13(4).

[6]陈实,吴文会, 刘威, 张俊华.在数字城市构建中 GPS测量技术方案的选择.东北:东北测绘，2002:25(2).