電磁環(huán)境對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

劉 佳 陳 遠(yuǎn) 黃林超 周永江 許超鈐 劉 虎

(1. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司, 廣東 廣州 510700; 2. 武漢大學(xué) 測繪學(xué)院, 湖北 武漢 430079; 3. 山東省國土測繪院, 山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

近年來,隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的建設(shè)與發(fā)展,基于GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)的高精度位置服務(wù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[1-2]。其中,電力部門也開始全面建設(shè)CORS電力應(yīng)用系統(tǒng),根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 28588—2012)[3]要求,電力部門的變電站所由于分布廣泛,交通便利,網(wǎng)絡(luò)、電源和運(yùn)維均有保障等特點(diǎn),能夠完全滿足CORS基站的站點(diǎn)選址、站點(diǎn)分布及設(shè)備運(yùn)維等依托保障[4-5],但同時(shí)現(xiàn)有規(guī)范要求基站選址距離高壓線穿越地帶等電磁干擾區(qū)距離應(yīng)大于200 m,因此,需要對變電站電磁環(huán)境對GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行實(shí)地測試。章迪等通過特高壓輸電線路(1 000 kV)對GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響分析發(fā)現(xiàn):高壓輸電線對距離線路遠(yuǎn)近不同點(diǎn)位的GPS信號均未產(chǎn)生可觀測到的影響[6];聶兆生等開展了500和220 kV高壓輸電線路對GPS觀測的影響實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)GPS觀測的多路徑效應(yīng)受高壓輸電線路的影響顯著,而對基線和點(diǎn)位坐標(biāo)的解算精度無顯著影響[7]。

上述研究均表明了高壓輸電線路對GPS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)無顯著影響,但由于CORS基站需要接收多個(gè)GNSS系統(tǒng)(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)的觀測數(shù)據(jù),高壓線路對各GNSS系統(tǒng)的影響程度可能不一致,且還需考慮不同電壓等級的高壓線路對GNSS系統(tǒng)觀測值的影響。因此,為論證變電站建設(shè)CORS基站的可行性,本文選取不同電壓等級(35、110、220、500、800 kV)的變電站進(jìn)行GNSS觀測,從數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比四項(xiàng)指標(biāo)對不同站點(diǎn)的不同GNSS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析不同電壓等級的電磁環(huán)境對各衛(wèi)星系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,為電力部門開展CORS基站的選址規(guī)劃、建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)主要包括數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比等[8-10],上述各項(xiàng)指標(biāo)分別反映了GNSS接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的完整程度及信號傳播路徑、信號噪聲、信號失鎖等對傳播信號的影響,可對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行綜合評判。各項(xiàng)指標(biāo)定義如下:

(1)數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率是指GNSS接收機(jī)實(shí)際的觀測歷元與理論觀測歷元的百分比,反映了接收機(jī)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的完整程度[11],計(jì)算公式如下:

(1)

其中，α表示數(shù)據(jù)完整率,Ni、N0表示實(shí)際與理論觀測歷元。按規(guī)范要求,規(guī)定數(shù)據(jù)完整率≥85%。

(2)多路徑誤差

在接收機(jī)測量時(shí),接收機(jī)直接接收的衛(wèi)星信號將與測站附件經(jīng)反射物反射后接收的信號產(chǎn)生信號干涉,使得觀測值與真值產(chǎn)生偏差,這種由于信號傳播路徑干涉所引起的觀測誤差即稱為多路徑誤差[12-15]。多路徑誤差的計(jì)算與觀測信號傳輸頻率有關(guān),以GPS系統(tǒng)為例,其L1、L2載波上的多路徑誤差分別為MP1、MP2。MP1、MP2值越大,觀測環(huán)境產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)影響越大,兩者的計(jì)算公式如下:

(2)

式中,P1、P2和φ1、φ2分別為GPS系統(tǒng)L1、L2載波上的偽距觀測值和相位觀測值,α為GPS系統(tǒng)L1、L2載波頻率f1、f2之比的平方,即α=(f1/f2)2。按規(guī)范要求,規(guī)定MP1應(yīng)≤0.4 m,MP2應(yīng)≤0.5 m。

(3)信噪比

信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)是指接收機(jī)接收的載波信號與噪聲信號的比值,信噪比與衛(wèi)星和接收機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、天線增益及信號傳輸路徑、信號干擾源等有關(guān)[16-17]，是反映GNSS系統(tǒng)整體性能和運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。按觀測信號傳輸頻率可得到不同載波上的信噪比,以GPS系統(tǒng)為例,其L1、L2載波上的信噪比為SN1、SN2,SN1、SN2值越大,說明觀測信號的質(zhì)量越好,兩者的計(jì)算公式如下:

(3)

式中,S1、S2和N1、N2分別為GPS系統(tǒng)L1、L2載波上的信號功率和噪聲功率。

(4)觀測值與周跳比

周跳(Cycle Slips)是指在載波相位測量中,由于衛(wèi)星信號失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)跳變或中斷現(xiàn)象。周跳的發(fā)生主要與觀測環(huán)境、電離層與多路徑誤差、電磁干擾等能夠引起衛(wèi)星信號中斷的因素有關(guān),是反映載波相位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[18]。在TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件中采用觀測值和周跳的比值(o/slps)反映周跳情況。

2 測試方案

本次測試選取均勻分布于海南、廣東、廣西等地區(qū)35、110、220、500、800 kV 5種不同電壓的變電站辦公樓樓頂(距高壓線路100 m內(nèi))作為測試點(diǎn),不同電壓等級的測試點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。在各測試點(diǎn)架設(shè)GNSS接收機(jī)(接收機(jī)類型:VNet8U-D,天線類型:HX-AT2300,配套3D扼流圈及附屬設(shè)備,可采集多個(gè)系統(tǒng)多個(gè)頻段的GNSS觀測數(shù)據(jù)),根據(jù)現(xiàn)場測試環(huán)境調(diào)整接收機(jī)天線高度,確保天線架設(shè)位置10°高度角以上區(qū)域無信號遮擋物,部分站點(diǎn)的現(xiàn)場測試圖如圖1所示。

表1 不同電壓等級的測站數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖1 部分站點(diǎn)的現(xiàn)場測試圖

架設(shè)GNSS接收機(jī)并連續(xù)觀測48小時(shí)以上,得到1 s歷元間隔的原始觀測數(shù)據(jù),使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件TEQC(Translation,Editing and Quality Checking)對不同GNSS系統(tǒng)的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[19-21],計(jì)算各電壓等級下各類數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)的均值(多路徑誤差、信噪比分別計(jì)算各載波信號下均值),分析在不同電壓等級下電磁環(huán)境對不同GNSS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

3 測試結(jié)果分析

根據(jù)測試方案,得到不同GNSS系統(tǒng)(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)在5種電壓等級(35、110、220、500、800 kV)下觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差(MP1、MP2)、信噪比(SN1、SN2)、觀測值與周跳比(o/slps)的對比情況如圖2～5所示。

圖2可以看出,不同電壓等級下,GPS、GALILEO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率變化趨勢基本一致,均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(在220 kV時(shí)達(dá)到最大)。BDS、GLONASS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率變化趨勢基本一致:在220 kV時(shí)較低,500 kV時(shí)較高。整體而言,四大GNSS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率均滿足規(guī)范要求(>85%),且高壓環(huán)境下GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率最高,超高壓環(huán)境下BDS系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率最高,各電壓環(huán)境下GLONASS系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率最低。

圖2 不同GNSS系統(tǒng)在各電壓等級下的數(shù)據(jù)完整率

圖3可以看出,不同電壓等級下,四大系統(tǒng)的MP1、MP2變化趨勢在電壓為35～500 kV環(huán)境下基本一致,各系統(tǒng)MP1、MP2值均低于0.4 m;在電壓為800 kV時(shí),GLONASS系統(tǒng)的MP1、MP2值及GALILEO系統(tǒng)的MP1值高于0.5 m,多路徑誤差較大,其余系統(tǒng)的多路徑誤差均低于0.4 m。整體而言,各電壓環(huán)境下四大GNSS系統(tǒng)的多路徑誤差基本滿足規(guī)范要求。特別的,BDS系統(tǒng)的MP1、MP2均低于其他GNSS系統(tǒng)。

圖3 不同GNSS系統(tǒng)在各電壓等級下的多路徑誤差

圖4可以看出,不同電壓等級下,除BDS系統(tǒng)的SN1和GPS系統(tǒng)的SN2較低且變化不穩(wěn)定外,其余系統(tǒng)SN1、SN2值的變化趨勢一致且基本不受電壓等級變化的影響,表明信噪比基本不受電壓變化的影響。

圖4 不同GNSS系統(tǒng)在各電壓等級下的信噪比

圖5可以看出,不同電壓等級下,四大系統(tǒng)的觀測值與周跳比變化趨勢基本一致,在電壓等級為110 kV處均出現(xiàn)較高的o/slps值,表明110 kV電壓環(huán)境下衛(wèi)星信號失鎖率較低,發(fā)生周跳概率較小。特別的,各電壓等級下BDS系統(tǒng)的o/slps值均高于其他系統(tǒng)。

圖5 不同GNSS系統(tǒng)在各電壓等級下的周跳比

4 結(jié)束語

(1)整體而言,不同電壓等級下各GNSS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比等指標(biāo)基本符合規(guī)范要求。表明不同電壓等級下電磁環(huán)境對GNSS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量無負(fù)影響,變電站建設(shè)CORS基站具有一定的可行性。

(2)電磁環(huán)境對不同GNSS系統(tǒng)的影響程度不一致。不同電磁環(huán)境下,GPS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)最完整,BDS系統(tǒng)的多路徑誤差、觀測值與周跳比均優(yōu)于其他系統(tǒng)。表明電磁環(huán)境對BDS系統(tǒng)的影響相對較弱。

(3)不同電壓等級下,電磁環(huán)境對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響不一致。高壓環(huán)境下大部分指標(biāo)優(yōu)于超高壓環(huán)境。表明CORS基站選址應(yīng)盡量選擇高壓變電站,其中,110 kV變電站相對其他電壓等級的變電站更具優(yōu)勢。