變電站環(huán)境下GNSS接收機(jī)性能及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

鄂盛龍, 周剛, 譚理慶, 羅穎婷, 許海林

(1.廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080;2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079)

0 引 言

為了滿足電力系統(tǒng)對變電站一線工作人員實現(xiàn)分米或厘米級的全程實時精確定位、電力設(shè)備設(shè)施的亞米級信息采集、毫米級的桿塔形變監(jiān)測等要求,具有定位精度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)無疑提供了一種很好的解決方法．但變電站內(nèi)干擾GPS接收機(jī)觀測的因素眾多,尤其是變電站內(nèi)的強(qiáng)電磁輻射、密集的高壓電線,且《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》等規(guī)定,GPS野外觀測時觀測儀器應(yīng)離開高壓輸電線路50 m以上．目前關(guān)于強(qiáng)電磁輻射環(huán)境對GPS觀測的影響研究較少,主要集中在高壓輸電線路對GPS觀測數(shù)據(jù)解算精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量上[1-5],還沒有學(xué)者研究觀測環(huán)境更為復(fù)雜,電磁輻射更為強(qiáng)烈的變電站環(huán)境下GNSS接收機(jī)工作性能和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量．

本文在不同電壓等級的變電站主控站樓頂選擇觀測站點(diǎn)進(jìn)行測試．通過零基線的方式檢驗站點(diǎn)接收機(jī)的內(nèi)部噪聲水平,以此檢驗變電站主控站樓頂強(qiáng)電磁環(huán)境下接收機(jī)能否保持穩(wěn)定．并利用Anubis軟件檢測各站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量,主要包括多路徑誤差、信噪比(SNR)、數(shù)據(jù)完整率等．

1 變電站內(nèi)干擾接收機(jī)工作因素

變電站內(nèi)觀測環(huán)境相對一般正常環(huán)境較為復(fù)雜,影響連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)GNSS接收機(jī)工作的因素主要有:變電站內(nèi)眾多桿塔、密集的高壓線路,大型變壓器等作為大型金屬障礙物,可能會對附近GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號造成一定程度的屏蔽和散射;變電站內(nèi)屬強(qiáng)電磁環(huán)境,電磁干擾極強(qiáng)且電壓等級越大的變電站,電磁干擾越強(qiáng)．變電站產(chǎn)生電磁干擾的主因素眾多[6-7],主要有:1)變電站狹小空間內(nèi)大量電氣設(shè)備密集安置,操作斷路、隔離開關(guān)時會形成電磁暫態(tài)過程,造成高頻電磁場干擾；2)高壓輸電線路表面電場很大,引起空氣電離而發(fā)生放電現(xiàn)象,在導(dǎo)線附近形成大量自由電荷,形成電暈放電和間隙火花放電,對周圍環(huán)境造成高頻干擾；3)變電站內(nèi)設(shè)備故障導(dǎo)致很大的工頻電流進(jìn)入接地網(wǎng)以及自然界雷電入地后產(chǎn)生的地電流會在接地網(wǎng)中快速擴(kuò)散并向周圍產(chǎn)生輻射,在此范圍內(nèi)的變電站都會受到強(qiáng)烈電磁干擾．表1示出了變電站內(nèi)主要電磁干擾頻段及頻譜,從表1可發(fā)現(xiàn)變電站主要干擾源的頻率在50 Hz～30 MHz,遠(yuǎn)小于GPS載波的頻率．

表1 變電站內(nèi)主要電磁干擾因素

2 實驗方案及數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

2.1 實驗方案

為了研究GNSS接收機(jī)在變電站環(huán)境下能否保持正常工作以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足正常使用標(biāo)準(zhǔn)．試驗采用的設(shè)備為中海達(dá)VNET-8型接收機(jī)及其配套天線．選擇在QJ、TL、DT、ZT 、YF站的主控站樓頂布置觀測點(diǎn),放置兩臺接收機(jī),并用功分器將同一天線的信號分成功率、相位相同的兩路信號送到接收機(jī),組成零基線;并在DJ、LX、WS等變電站主控樓頂放置一臺接收機(jī);同時在遠(yuǎn)離變電站和高壓電線的正常環(huán)境下布設(shè)ZC站點(diǎn),并設(shè)置一組零基線．各個站點(diǎn)觀測24 h,數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為10 s,截止高度角設(shè)置為10°．鑒于篇幅,只給出部分觀測點(diǎn)環(huán)境圖,具體如圖1所示．同時利用工頻場強(qiáng)儀,對設(shè)置零基線站點(diǎn)的工頻電場和工頻磁場強(qiáng)度進(jìn)行檢測,記錄站點(diǎn)的工頻電場及工頻磁場的大?。捎谧冸娬菊局械墓ゎl電磁場強(qiáng)度隨時間快速波動,因此只能大概記錄下測量時工頻電磁場強(qiáng)度的變化范圍,具體結(jié)果如表2所示,從表中可看出500 kV變電站內(nèi)觀測站點(diǎn)的電磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于220 kV、110 kV變電站內(nèi)站點(diǎn)電磁場強(qiáng)度．表3所示為此次實驗所用站點(diǎn)的變電站電壓等級．

圖1 部分觀測點(diǎn)觀測環(huán)境

表2 零基線觀測站點(diǎn)工頻電場及工頻磁場測量值

表3 觀測站點(diǎn)變電站電壓等級

2.2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量要求

本文主要從數(shù)據(jù)完整率、偽距多路徑、周跳比及SNR四個方面來綜合評估實驗觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量．

2.2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率為實際觀測到的完整觀測值和理論觀測值個數(shù)的比值．?dāng)?shù)據(jù)完整率不僅受接收機(jī)性能、衛(wèi)星工作性能的影響,還受觀測站周圍環(huán)境的制約[8],可以很好地反映出數(shù)據(jù)接收狀況及觀測環(huán)境的優(yōu)劣．本次實驗中,數(shù)據(jù)完整率可以反映出各個測試站點(diǎn)周邊地物、桿塔、高壓輸電線路、電磁干擾等對衛(wèi)星信號的綜合影響．

2.2.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是由于衛(wèi)星信號經(jīng)測站周圍物體反射后,和直接來自衛(wèi)星的直射信號一起進(jìn)入接收機(jī)天線并產(chǎn)生干涉,導(dǎo)致觀測值偏離真值．多路徑效應(yīng)將嚴(yán)重?fù)p害GNSS測量精度,嚴(yán)重時還將引起信號的失鎖．Anubis軟件通過載波相位觀測值和偽距觀測值線性組合求得所有頻率偽距的多路徑誤差,計算公式如下[9]:

(1)

式中:P、L分別代表雙頻偽距觀測值、雙頻載波相位觀測值;f是信號頻率;i、j、k是頻率編號．在建立CORS站時,多路徑效應(yīng)一般要滿足:MP1<0.35 m,MP2<0.45 m[10]．

2.2.3 周跳比

周跳表示載波相位觀測值中的整周計數(shù)暫時中斷出現(xiàn)系統(tǒng)偏差,而不足一整周的部分仍然保持正確的現(xiàn)象[11]．周跳比是指在一定觀測時間內(nèi),載波相位觀測量總數(shù)與觀測量發(fā)生周跳次數(shù)的比值,表示為o/slap．周跳比可作為評估載波相位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo),在一定程度上反映了由于衛(wèi)星信號失鎖、電離層活動強(qiáng)烈、信號SNR過低等導(dǎo)致載波相位觀測值發(fā)生跳變的情況．周跳比越小,表示跳變越厲害,載波相位觀測值質(zhì)量越差．周跳比也可以轉(zhuǎn)化為CSR值表示,計算公式如下:

(2)

根據(jù)已有研究表明,全球國際GNSS服務(wù)(IGS)站有半數(shù)以上的CSR年平均值小于5,2/3以上的CSR平均值在10以下[12]．

2.2.4SNR

SNR表示接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號的功率PR與干擾信號功率PN的比值[13],通常用載噪功率密度比(C/N0)表示,單位dB-Hz．SNR和測站環(huán)境有著很重要的關(guān)系,同時也受到接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)、內(nèi)部抑制噪聲的影響．SNR越大,表示接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的效果越好,接收機(jī)跟蹤捕獲衛(wèi)星信號的能力越強(qiáng)．

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 接收機(jī)內(nèi)部噪聲檢驗

利用GAMIT軟件對QJ、DT、YF、TL、ZC站點(diǎn)的零基線進(jìn)行處理,處理結(jié)果如表3所示．從表3可以發(fā)現(xiàn)220 kV,110 kV站內(nèi)DT、TL、ZT、YF、ZC觀測站點(diǎn)零基線的解算結(jié)果與精度相近,零基線結(jié)果都小于等于0.2 mm;而500 kV站內(nèi)QJ觀測站點(diǎn)零基線處理結(jié)果為0.6 mm,明顯大于其他站點(diǎn)． 但各個站點(diǎn)零基線結(jié)果都小于常規(guī)要求的1 mm限差,表明實驗所用接收機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境下仍能良好工作,沒有受到顯著影響．

表3 站點(diǎn)零基線處理結(jié)果及鐘漂

3.2 觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖2所示為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率情況(柱形圖為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率,折線圖為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率與ZC站點(diǎn)的差值)．從圖中可以發(fā)現(xiàn)除WS、LS站外,其余站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)完整率均在95%及以上且和正常環(huán)境下的數(shù)據(jù)完整率差別不大,說明各站點(diǎn)周邊的地物、桿塔、高壓輸電線路對觀測站點(diǎn)遮擋很少;同時也表明變電站內(nèi)強(qiáng)電磁環(huán)境對接收機(jī)捕獲數(shù)據(jù)的性能沒有影響．

圖2 各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率

圖3所示為各站點(diǎn)的多路徑效應(yīng)值．從圖中可以看出,各系統(tǒng)各頻段的多路徑效應(yīng)值均在30 cm以下,滿足使用要求．Galileo系統(tǒng)(簡寫為GAL)的多路徑效應(yīng)值整體小于GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),GPS L1、BDS B1頻段多路徑效應(yīng)值分別大于GPS L2、BDS B2頻段．

圖3 各站點(diǎn)多路徑效應(yīng)值

圖4所示為各站點(diǎn)CSR值．從圖中可以看出,QJ、MH站CSR值相對較大,分析發(fā)現(xiàn)QJ站點(diǎn)周跳比較大主要是由BDS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星C02/C05導(dǎo)致的,MH站點(diǎn)周跳則集中在BDS C05衛(wèi)星上,且B1、B2兩個頻點(diǎn)上周跳數(shù)大致相當(dāng)．C02/C05、C05衛(wèi)星均在QJ、MH站點(diǎn)西南方向,兩站點(diǎn)該方向附近均有較高的山坡且樹木密集,遮擋較為嚴(yán)重,這才導(dǎo)致QJ、MH站點(diǎn)上C02/C05、C05衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)值較大、發(fā)生周跳較多,兩站點(diǎn)西南方向環(huán)境如圖5所示．但各站點(diǎn)CSR值遠(yuǎn)小于IGS站相應(yīng)指標(biāo),這表明各站點(diǎn)發(fā)生周跳次數(shù)很小,觀測環(huán)境良好,接收機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的變電站內(nèi)仍能良好工作．

圖4 各站點(diǎn)CSR值

圖5 QJ(左)、MH(右)西南方向觀測環(huán)境

SNR反映了接收機(jī)收到衛(wèi)星信號的質(zhì)量．圖6所示為測站上各頻點(diǎn)的SNR均值．由圖可見,GPS L2頻段SNR偏低,這是由于該型接收機(jī)只能收到GPS L2頻段上L2W(L2P)信號,SNR本身較低導(dǎo)致的;其余各頻段都主要分布在40～47 dB-Hz．還可發(fā)現(xiàn)各個站點(diǎn)SNR大致相近,沒有與正常環(huán)境下的站點(diǎn)表現(xiàn)出明顯差異,這表明各信號頻段上沒有受到電磁干擾的影響．

圖6 各站點(diǎn)SNR均值

4 結(jié) 語

為了研究GNSS接收機(jī)在變電站環(huán)境下能否保持正常工作以及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足正常使用標(biāo)準(zhǔn),本文通過對6個測試站點(diǎn)的零基線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,17個測試站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估,分析發(fā)現(xiàn):

1)在布置零基線站點(diǎn)的變電站主控樓頂測試所用接收機(jī)內(nèi)部噪聲沒有受到強(qiáng)電磁環(huán)境顯著的影響,仍符合規(guī)范要求．

2)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、CSR值均滿足IGS站的標(biāo)準(zhǔn),各站點(diǎn)SNR均滿足一般指標(biāo)性要求．變電站內(nèi)點(diǎn)和正常環(huán)境下站點(diǎn)在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面差別極小,同時數(shù)據(jù)質(zhì)量也沒有因變電站電壓等級表現(xiàn)出相關(guān)性,這說明變電站內(nèi)強(qiáng)電磁環(huán)境對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量幾乎沒有影響．