采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的超高壓變電站GIS 變形監(jiān)測精度分析

徐 縱，黃陸明，李 博，俞文慧，雷振洲，王佳琳

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232；2.國網(wǎng)浙江杭州市臨安區(qū)供電有限公司，杭州 311300）

0 引言

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）作為現(xiàn)代空間衛(wèi)星定位技術(shù)，已逐漸在很多領域取代常規(guī)光學和電子測量儀器，變形監(jiān)測領域也不例外。目前，GNSS 變形監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在邊坡、橋梁和水壩等建筑物或滑坡體上取得了豐富的應用成果[1-5]。如文獻[3]大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)4 h 時段解北方向N、東方向E、高程方向U 0.8 mm，0.7 mm 和1.5 mm 的定位精度。但是在超高壓變電站這種復雜而惡劣的電磁環(huán)境下，由于受衛(wèi)星遮擋、信號干擾和多路徑效應影響嚴重等不利因素的影響，目前還沒有北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對超高壓變電站內(nèi)GIS 設備變形監(jiān)測的應用。

BDS（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前已經(jīng)具備與GPS（全球定位系統(tǒng)）相當水平的偽距和載波相位測量精度[6]。2017 年12 月，中美雙方簽署了《北斗與GPS 信號兼容與互操作聯(lián)合聲明》，實現(xiàn)民用信號互操作，并將持續(xù)開展兼容與互操作合作[7]。用戶用1 臺接收機能同時接收2 個系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，定位的穩(wěn)定性和精度更高，尤其是在觀測環(huán)境不佳的情況下，可以彌補衛(wèi)星信號弱的問題，為超高壓變電站GNSS 變形監(jiān)測帶來了新的解決方案。

超高壓變電站GNSS 變形監(jiān)測中最難解決的問題就是多路徑效應，多路徑效應指的是衛(wèi)星信號在傳播過程中，受一些物體的反射，而改變了信號的傳播方向、振幅、極化以及相位等，這些變化了的信號到達接收機后，與通過直線路徑到達接收機的信號產(chǎn)生疊加[8]。由于變電站內(nèi)強電場、強磁場和雷電沖擊、操作沖擊以及各種放電現(xiàn)象，構(gòu)成了變電站復雜而惡劣的電磁環(huán)境[9-10]。在利用GNSS 技術(shù)進行變形監(jiān)測時，由于電磁波的干擾，觀測值可能會出現(xiàn)粗差，影響多路徑效應的判斷和提取；在GNSS 數(shù)據(jù)處理時，多路徑效應誤差既具有系統(tǒng)性，又具有一定隨機性，它不能通過差分技術(shù)來消除[11]。

本文根據(jù)變電站內(nèi)電磁干擾、多路徑效應等呈周期性變化的特性，在數(shù)據(jù)處理時，利用多路徑效應的軌道周期重復性和變化規(guī)律構(gòu)建多路徑周期性誤差修正模型，從而削弱多路徑誤差，提高變電站變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度，為解決變電站多路徑效應難以處理的問題提供指導。本文在超高壓變電站內(nèi)對GIS 設備進行變形監(jiān)測，評估了超高壓變電站環(huán)境下BDS/GPS 多系統(tǒng)的變形監(jiān)測性能，為開展超高壓變電站GNSS 變形監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

1 超高壓變電站概況

1.1 超高壓變電站環(huán)境概況

超高壓變電站的主要設備包括電力變壓器、GIS、電壓電流互感器和電容器等點狀遮擋物，以及眾多桿塔、高壓線路及連接母線組成的密集線狀遮擋物，可能會對GNSS 接收機接收的衛(wèi)星信號造成一定程度的遮擋和反射，造成實際接收衛(wèi)星信號的減少，引起嚴重的多路徑效應，進而影響監(jiān)測精度。

超高壓變電站內(nèi)屬強電磁環(huán)境，電壓等級越高的變電站，電磁干擾越強。變電站產(chǎn)生電磁干擾的因素[12-14]主要包括：

（1）變電站內(nèi)大量高壓輸電線路帶有強大的電場而引起空氣電離，發(fā)生放電現(xiàn)象，在高壓輸電線路附近形成大量自由電荷，引起電暈放電和間隙火花放電。

（2）變電站內(nèi)大量的母線或連接線上的高頻電流。

（3）變電站內(nèi)大量電氣設備頻繁操作，會形成電磁暫態(tài)過程，造成高頻電磁場干擾。

（4）絕緣子火花放電、其他金屬連接松動或接觸不良產(chǎn)生的間隙火花放電。

以上4 種放電過程都會產(chǎn)生高頻脈沖電流，形成無線電干擾[15-16]。此外，還有變電站內(nèi)設備故障，導致很大的工頻電流進入接地網(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烈的電磁干擾。

1.2 超高壓變電站干擾分析

由于該項目采用北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)，衛(wèi)星空間分布及衛(wèi)星數(shù)量還待完善，且由于變電站內(nèi)眾多的桿塔、密集的高壓線路、變壓器等大型金屬障礙物，可能對附近GNSS 接收機接收衛(wèi)星信號造成一定程度的屏蔽和散射，使得衛(wèi)星數(shù)、PDOP（位置精度因子）值和多路徑效應值等受到不利影響。本文選取基準站和監(jiān)測站M002 在2020 年10 月16 日（年積日290 天）一整天的觀測數(shù)據(jù)，采樣間隔為30 s，共計2 880 個歷元的數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星數(shù)、PDOP 值和多路徑效應的分析對比。

1.2.1 可見衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值

通過對采集的基準站和監(jiān)測站M002 在10月16 日的數(shù)據(jù)進行觀測（采樣間隔30 s，監(jiān)測站M002 與基準站距離127 m），統(tǒng)計BDS 可見衛(wèi)星總數(shù)及三維PDOP 值，如圖1 所示，其中，1 號線表示BDS 可見衛(wèi)星總數(shù)隨歷元的變化情況；2號線表示PDOP 值隨歷元的變化情況。由圖1 可知，基準站平均可見衛(wèi)星數(shù)11.04 顆，監(jiān)測站M002 平均可見衛(wèi)星數(shù)8.58 顆，且監(jiān)測站M002相對于基準站的可見衛(wèi)星數(shù)變化幅度較大；基準站平均PDOP 值為2.26，表現(xiàn)平穩(wěn)沒有出現(xiàn)跳躍；監(jiān)測站M002 平均PDOP 值為3.21，且個別歷元出現(xiàn)跳躍。由圖1（b）可知，PDOP 值出現(xiàn)跳躍時與BDS 衛(wèi)星數(shù)變少有關(guān)。因此，超高壓變電站的監(jiān)測站在利用BDS 定位時，部分時段BDS 可能受到干擾，衛(wèi)星數(shù)變少，出現(xiàn)精度跳躍的情況。

圖1 BDS 可見衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值

通過計算BDS 衛(wèi)星的高度角和方位角，分別繪出基準站和監(jiān)測站M002 在年積日290 天的星空圖，一整天可以觀測到14 顆北斗衛(wèi)星，如圖2所示。整體來看，北斗二號衛(wèi)星在北方向衛(wèi)星分布較少，會影響北方向和高程方向的定位精度。還可看出監(jiān)測站M002 相對于基準站BDS 星空圖少了一顆C13 衛(wèi)星，C11，C12 和C14 衛(wèi)星不連續(xù)，可能由于受監(jiān)測站M002 的環(huán)境影響，造成部分時段接收不到衛(wèi)星信號，影響定位精度。

1.2.2 多路徑效應

本文通過計算得到基準站和監(jiān)測站M002 在年積日290 天的MP1（衛(wèi)星在L1頻點的多路徑效應影響值）序列，限于本文篇幅，僅對GEO（地球靜止同步軌道衛(wèi)星）、IGSO（地球傾斜同步軌道衛(wèi)星）和MEO（中圓軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星各選取1 顆進行繪圖。由圖3—5 可知，基準站的MP1 變化基本在1 m 以內(nèi)，監(jiān)測站的MP1 變化基本在2 m 以內(nèi)，基準站和監(jiān)測站環(huán)境下的多路徑效應影響差別較大，需要對監(jiān)測站做多路徑效應的相關(guān)處理。

圖2 BDS 星空圖

圖3 BDS C01 衛(wèi)星多路徑效應

圖4 BDS C06 衛(wèi)星多路徑效應

2 GNSS 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了在超高壓變電站內(nèi)開展北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的監(jiān)測精度分析，本文利用坐落于浙江省寧波市江北區(qū)500 kV 變電站搭建的GNSS 變形監(jiān)測系統(tǒng)，其中基準站BASE 位于主控樓樓頂，主控樓持力層為中等風化凝灰層，并在施工樁基前做強夯處理，基樁深度達20 m，是整個變電站最穩(wěn)固的地方；監(jiān)測站M001，M002，M005，M006 和M007 位于GIS 設備母線上，監(jiān)測站M003 和M008位于地面，監(jiān)測站M004 位于樓頂，距離基準站最近的是監(jiān)測站M003，為54 m，距離基準站最遠的是監(jiān)測站M007，為170 m?；鶞收竞捅O(jiān)測站的位置分布如圖6 所示，其周圍環(huán)境情況如圖7所示?；鶞收九c監(jiān)測站接收機均為武漢攀達時空PD318 高精度形變接收機，天線均為HXCSX601A 抗多路徑測量天線，天線固定于觀測墩和定制夾具的強制對中基座上。

圖5 BDS C11 衛(wèi)星多路徑效應

2.2 數(shù)據(jù)預處理

圖6 基準站和監(jiān)測站分布情況

圖7 監(jiān)測站周圍環(huán)境情況

針對超高壓變電站環(huán)境面臨的多路徑干擾問題，本文采用了一種復雜環(huán)境下的非通視衛(wèi)星剔除方法和北斗/GNSS 多路徑誤差建模方法，在將非通視衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)予以剔除的基礎上，進一步建立多路徑誤差修正模型來削減該監(jiān)測站處的多路徑誤差。

2.2.1 復雜環(huán)境下的非通視衛(wèi)星剔除

首先，以接收機為原點，將其上方以預設間距分割為多個格網(wǎng)，并記錄每個格網(wǎng)的坐標。其次，獲取接收機周圍預設范圍內(nèi)所有遮擋物的三維立體模型。然后，基于三維立體模型以及每個格網(wǎng)坐標對格網(wǎng)是否被遮擋進行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果構(gòu)建包括遮擋格網(wǎng)和通視格網(wǎng)的格網(wǎng)模型。接著，基于坐標信息計算每個當前衛(wèi)星所處的當前格網(wǎng)，根據(jù)當前格網(wǎng)和格網(wǎng)模型判斷當前衛(wèi)星是否為非通視衛(wèi)星。最后，將非通視衛(wèi)星的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)予以剔除或降權(quán)。方法流程如圖8 所示。

圖8 復雜環(huán)境下非通視衛(wèi)星剔除方法流程

2.2.2 變電站復雜環(huán)境下的北斗/GNSS 多路徑誤差建模

首先，根據(jù)變電站內(nèi)電磁干擾、多路徑效應等呈周期性變化的特性，利用每顆衛(wèi)星的信號觀測值，通過計算得出每顆衛(wèi)星的衛(wèi)星位置、衛(wèi)星鐘差。利用監(jiān)測站天線的已知坐標，計算得到每顆衛(wèi)星到天線的幾何距離。根據(jù)每顆衛(wèi)星的衛(wèi)星位置、衛(wèi)星鐘差以及幾何距離求得接收機鐘差值，從而確定是否存在粗差、多路徑效應誤差或噪聲誤差的信號觀測值。最后，根據(jù)待監(jiān)測位置處的多路徑效應的軌道周期重復性及變化規(guī)律構(gòu)建多路徑周期性誤差修正模型。方法流程如圖9所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理策略

本文根據(jù)基準站與監(jiān)測站最遠距離為170 m這種短基線解算的特點，結(jié)合GIS 設備變形監(jiān)測的實際需求，數(shù)據(jù)處理策略如下：

（1）由于該類變形速率較慢，是長期累積產(chǎn)生的形變結(jié)果，綜合考慮解算精度需求，制定數(shù)據(jù)解算時長間隔為24 h，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。

（2）由于基線較短，可直接使用監(jiān)測站的廣播星歷。

（3）利用非通視衛(wèi)星剔除方法，剔除非通視衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，提高變電站環(huán)境下對衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)解算的精度、速度和穩(wěn)定性。

（4）利用北斗/GNSS 多路徑誤差建模方法，削減該監(jiān)測站處的多路徑誤差，進而提高變電站變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

（5）首先，進行數(shù)據(jù)編輯和剔除。對接收的偽距和載波相位觀測值數(shù)據(jù)進行粗差判斷、周跳探測和修復，并進一步刪除弧段較短的衛(wèi)星觀測值。其次，對每個歷元下觀測衛(wèi)星進行循環(huán)處理。先由原始觀測值計算方向余弦，組成站間單差，并選擇高度角較高的衛(wèi)星作為參考星，將單差觀測值再次組成站間-星間雙差觀測值。最后，由GNSS 雙差觀測方程組成法方程，整個方程組包含3 個位置以及每顆衛(wèi)星的雙差模糊度參數(shù)，其中位置參數(shù)為浮點型，模糊度參數(shù)為整數(shù)。采用傳統(tǒng)最小二乘或者KALMAN（卡爾曼）濾波方法估計模糊度浮點解，并以最小二乘降相關(guān)方法固定最終模糊度參數(shù)，將固定后的整數(shù)模糊度值回帶到法方程中即可獲得高精度監(jiān)測點位置參數(shù)。

表1 精度統(tǒng)計結(jié)果

圖9 復雜環(huán)境下多路徑誤差建模方法流程

3 監(jiān)測精度分析

本文采集2020 年5 月8 日（年積日129 天）—2020 年6 月7 日（年積日159 天）連續(xù)31 天的觀測數(shù)據(jù)，采用自主研制的變形監(jiān)測解算軟件進行處理，分別利用單GPS、單BDS 和GPS+BDS組合解算出各監(jiān)測點的坐標。利用GAMIT 軟件對多天的GNSS 數(shù)據(jù)進行處理，得到各監(jiān)測點的坐標作為真值，然后統(tǒng)計出各監(jiān)測點N，E 和U 的精度（1 倍標準差見表1）及誤差序列（見圖10—圖12）。

由表1 可知，BDS 變形監(jiān)測精度為北方向2.2 mm，東方向1.4 mm，高程2.3 mm；GPS 變形監(jiān)測精度為北方向0.7 mm，東方向0.6 mm，高程0.8 mm；GPS+BDS 組合方式的變形監(jiān)測精度為北方向1.1 mm，東方向1.0 mm，高程1.3 mm。由圖10 可知，單BDS 數(shù)據(jù)解算誤差序列東方向解算結(jié)果最好，北方向次之，高程較差。監(jiān)測精度統(tǒng)計分析表明，所有監(jiān)測站單BDS 解算結(jié)果在北方向、東方向、高程方向都差于單GPS 解算結(jié)果。

圖10 BDS 解算誤差序列

圖11 GPS 解算誤差序列

圖12 BDS+GPS 解算誤差序列

4 結(jié)語

本文利用500 kV 變電站建立的GIS 設備變形實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)，針對GNSS 的精度進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：在觀測環(huán)境極為復雜的變電站，單BDS、單GPS和GPS+BDS 解算結(jié)果都滿足項目實現(xiàn)監(jiān)測精度達到毫米級的要求；由于環(huán)境和星座原因，單獨利用北斗二號衛(wèi)星解算結(jié)果相比于GPS 解算結(jié)果還有一定差距。后續(xù)加入北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)后，BDS 解算結(jié)果可能會有較大的提升空間。