特高壓輸電線路對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響分析*

章 迪 尹 暉 郭際明 周命端

1)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

2)精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079

3)北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044

特高壓輸電線路對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響分析*

章 迪1，2)尹 暉1)郭際明1，2)周命端3)

1)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

2)精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079

3)北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044

為定量分析特高壓輸電線路對(duì)GPS信號(hào)的影響，在我國(guó)首條1 000 kV特高壓輸電線路附近布設(shè)距離線路遠(yuǎn)近不同的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別在線路停電檢修和帶電運(yùn)行情況下，利用GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)GPS衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律，利用TEQC軟件截取兩期觀測(cè)衛(wèi)星分布一致的觀測(cè)值，從P1和P2多路徑、L1和L2的信噪比、數(shù)據(jù)完好率等方面對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，結(jié)果表明:特高壓輸電線對(duì)距離線路遠(yuǎn)近不同點(diǎn)位的GPS信號(hào)均未產(chǎn)生可觀測(cè)到的影響。

超特高壓;GPS;質(zhì)量分析;多路徑;信噪比

1 引言

在我國(guó)的全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范中，要求GPS點(diǎn)位應(yīng)離高壓輸電線不小于50 m［1］。但這種干擾和影響到底有多大?與點(diǎn)位到線路的距離有怎樣的關(guān)系?規(guī)范中的點(diǎn)位要求是否合理和必要?回答這些問(wèn)題，對(duì)GPS點(diǎn)位的選取和特高壓輸電線路的規(guī)劃選址均具有重要參考價(jià)值。為此，在我國(guó)首條1 000 kV特高壓輸電線路下方及附近區(qū)域布設(shè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，分別在線路無(wú)電和帶電的情況下用GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于相同衛(wèi)星分布的數(shù)據(jù)截取和質(zhì)量分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

2 GPS數(shù)據(jù)采集方案

數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)位于鐘祥市，該處地勢(shì)平坦、視野開(kāi)闊，利于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)考慮滿足:1)土質(zhì)堅(jiān)實(shí);2)15°高度角以上無(wú)明顯障礙物;3)與線路的距離依次增大。為了檢驗(yàn)本文所用的軟件和算法對(duì)觀測(cè)環(huán)境的敏感性，有意將A004設(shè)在強(qiáng)反射環(huán)境的位置。采用8臺(tái)GPS接收機(jī)，分別在線路無(wú)電(觀測(cè)日期:2011年doy118-120)和帶電(觀測(cè)日期:2011年doy195-197)的情況下進(jìn)行了GPS數(shù)據(jù)采集，各點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間、點(diǎn)位到線路的距離如圖1所示，圖1中各點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間列于表1。

圖1 點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of sites

表1 圖1點(diǎn)位標(biāo)志說(shuō)明Tab.1 Legend instruction for figure 1

3 GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)可由多路徑效應(yīng)、載波相位信噪比、觀測(cè)值完好性、電離層延遲、接收機(jī)鐘跳、周跳等評(píng)定。GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定我們利用TEQC數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件。

3.1 多路徑誤差

使用碼和相位的組合能有效估計(jì)多路徑的大小，其計(jì)算公式為:

式中各參數(shù)的含義見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。以L1載波為例，當(dāng)無(wú)周跳時(shí)，M1和B1均為常數(shù)，因而MP1的變化也就反映了M1的變化。TEQC軟件采用一定長(zhǎng)度的時(shí)間窗(通常為20分鐘)計(jì)算MP1和MP2的均方根，輸出的結(jié)果雖然不是多路徑效應(yīng)的實(shí)際值，但能夠反映其變化情況［3］。

IGS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)顯示，超過(guò)2/3的IGS站的MP1、MP2 均方根平均值分別小于 0.5、0.75 m［4］。

3.2 信噪比

接收機(jī)接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)的信噪比(SNR，receiver signal-to-noise)是衡量載波的信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)［5］。分別用SN1、SN2表示L1、L2上的信噪比，其大小主要受衛(wèi)星發(fā)射機(jī)增益、地面接收機(jī)增益、收發(fā)點(diǎn)之間的幾何距離、接收機(jī)處的仰角和電離層介質(zhì)衰減、多路徑效應(yīng)的影響。

3.3 觀測(cè)值的完好性

截止高度角以上的理論觀測(cè)值可由衛(wèi)星星歷和站點(diǎn)近似坐標(biāo)計(jì)算得到。完整的觀測(cè)值應(yīng)同時(shí)包含P1/C1、P2、L1、L2、SN1、SN2。通常將實(shí)際觀測(cè)到的完整觀測(cè)值和理論觀測(cè)值個(gè)數(shù)的比值(#have/#expt)、被刪除觀測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值個(gè)數(shù)的比值(del/rep)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)完好性指標(biāo)。該指標(biāo)可以反映出數(shù)據(jù)接收狀況及觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)劣。

4 數(shù)據(jù)截取與處理策略

由于觀測(cè)值的質(zhì)量不僅與觀測(cè)環(huán)境，也同可視衛(wèi)星的數(shù)目及各顆衛(wèi)星的高度角、方位角密切相關(guān)，因此即使是同一點(diǎn)位、觀測(cè)環(huán)境保持不變，對(duì)不同衛(wèi)星分布情況下得到的觀測(cè)值進(jìn)行質(zhì)量分析，也會(huì)得出不同的結(jié)論。故在對(duì)同一點(diǎn)位觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的對(duì)比時(shí)，應(yīng)保證兩期的衛(wèi)星分布一致，這樣才能充分說(shuō)明質(zhì)量指標(biāo)的差異是由觀測(cè)環(huán)境的變化造成。數(shù)據(jù)截取與處理流程:

1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。利用儀器的隨機(jī)軟件，將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為rinex格式的觀測(cè)文件(*.yyo)和導(dǎo)航文件(*.yyn)。

2)對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間截取和衛(wèi)星過(guò)濾，使得兩次測(cè)量的衛(wèi)星分布一致。

GPS衛(wèi)星的運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，隨著時(shí)間推移GPS星座每天提前4分鐘重現(xiàn)，第一次測(cè)量和第二次測(cè)量間隔77天，共計(jì)約提前5.133小時(shí)，因此取第二次測(cè)量的起始時(shí)間，加上5小時(shí)8分，即可反推出第一次測(cè)量時(shí)星座一致的起始時(shí)間。另外考慮到某些GPS衛(wèi)星的發(fā)射或退役，將只在某一次觀測(cè)中出現(xiàn)的衛(wèi)星去掉，以保證兩次觀測(cè)的衛(wèi)星一致。

利用teqc軟件截取某一時(shí)間窗內(nèi)觀測(cè)文件的命令格式為:

teqc-G ＜ list＞ -st［art_window］str1-e［nd_window］str2 source_file＞target_file

格式中，-G表示去除 list中列舉的衛(wèi)星，e.g.1，3，5－7，11;－st和 －e分別表示起始和結(jié)束時(shí)間，str1和 str2的格式為:［［［［YY］YY［MM］DD］hh］mm］ss［.sssss］;source_file和 target_file 分別表示輸入和輸出的觀測(cè)文件名。

圖2 各點(diǎn)多路徑誤差Fig.2 Multipath errors of all sites

3)利用teqc對(duì)截取后的觀測(cè)文件進(jìn)行質(zhì)量分析。命令格式為:teqc+qc source_file。

4)提取總結(jié)文件中的各項(xiàng)指標(biāo)，并繪制圖形。

teqc會(huì)給出該站每一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上整合所有衛(wèi)星給出該站的各項(xiàng)綜合指標(biāo)。一般文章均只提及后者，本文同時(shí)對(duì)前者進(jìn)行分析。

5 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖2～4分別表示各點(diǎn)多路徑、信噪比和數(shù)據(jù)完整性情況(無(wú)電和帶電時(shí)的各主要指標(biāo)分別采用實(shí)心和空心的柱狀圖表示。點(diǎn)位到線路的距離用折線表示，橫坐標(biāo)上的點(diǎn)名系按其到線路距離的升序排列)。

圖3 各點(diǎn)信噪比Fig.3 Signal-to-noise ratio of all sites

圖4 各點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性Fig.4 Data integrity of all sites

從圖2～4可以看出，相較于線路無(wú)電的情況，各點(diǎn)在線路帶電情況下的MP1平均增大0.017 m、MP2平均增大 0.0195 m，SN1平均減小0.247 dBHz、SN2 平均減小 1.225 dBHz，#have/#expt平均減少0.01%，del/rep平均減少0.36%。考慮到算法本身的計(jì)算精度，可以認(rèn)為各點(diǎn)綜合計(jì)算的多路徑和信噪比基本無(wú)變化。同時(shí)也可直觀地看出，多路徑、信噪比、數(shù)據(jù)刪除率的大小與點(diǎn)到線路的距離沒(méi)有明顯關(guān)系。

圖5 A000和D001上各顆衛(wèi)星的多路徑誤差比較Fig.5 Mulitipath errors of each satellite of A000 and D001

最后有代表性地選取位于線路正下方的A000、距離線路60 m的A002、距離線路120 m的B003，對(duì)每一站上各顆衛(wèi)星的多路徑誤差進(jìn)行分析，并將與這三點(diǎn)均有同步觀測(cè)的D001(距離線路330 m)的情況一并列出，其結(jié)果見(jiàn)圖5～7(為分析衛(wèi)星的平均高度角與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)系，繪圖時(shí)將各衛(wèi)星的平均高度角用折線繪制，橫坐標(biāo)上的衛(wèi)星prn號(hào)按其高度角的升序排列)。

圖6 A002和D001上各顆衛(wèi)星的多路徑誤差Fig.6 Mulitipath errors of each satellite of A002 and D001

圖7 B003和D001上各顆衛(wèi)星的多路徑誤差Fig.7 Mulitipath errors of each satellite of B003 and D001

從各點(diǎn)各衛(wèi)星的多路徑誤差考察，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一點(diǎn)位，各衛(wèi)星在線路無(wú)電和帶電時(shí)多路徑誤差幾乎相等，無(wú)明顯變化。不同點(diǎn)上、同一時(shí)段、同一顆衛(wèi)星的多路徑誤差會(huì)有不同，如D001各顆衛(wèi)星的MP1和MP2在兩次觀測(cè)中均小于0.5 m，而A000、A002和 B003 各有 4、3、3 顆衛(wèi)星超過(guò)了 0.5 m，可以看到，這些“超標(biāo)”的衛(wèi)星，其平均高度角均較低(＜25°)。由于多路徑誤差主要受點(diǎn)位的觀測(cè)環(huán)境影響，有理由認(rèn)為是點(diǎn)位距離線路越近，越容易使某些衛(wèi)星信號(hào)受到輸電線路(注意到輸電線和塔均為金屬材質(zhì))的影響，但高壓線路和塔均不是面結(jié)構(gòu)，不足以構(gòu)成強(qiáng)反射面，所以其影響較小。當(dāng)然各點(diǎn)環(huán)境的不同不僅僅體現(xiàn)在距離線路的距離不同，還體現(xiàn)在周?chē)鞣N地物、空中障礙物、不確定因素等，因此不能完全歸結(jié)于輸電線。

5 結(jié)論

1)A004的各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)“離群”，表明teqc的質(zhì)量分析算法能正確反映觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)劣。

2)在衛(wèi)星分布一致的情況下，各點(diǎn)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)所呈現(xiàn)的略微差異是由兩次觀測(cè)時(shí)的外界環(huán)境(大氣狀態(tài)、溫度、濕度、植被等)的差異造成的。

3)各點(diǎn)采集到的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的SN1與MP1、SN2與MP2均存在一定程度負(fù)相關(guān)。

4)線路帶電和無(wú)電情況下相比較，各點(diǎn)的多路徑、信噪比、數(shù)據(jù)完好性變化趨勢(shì)一致，不僅說(shuō)明線路是否帶電對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量幾乎無(wú)影響，同時(shí)也表明對(duì)于高度角＞25°的衛(wèi)星，GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞與點(diǎn)位到線路的距離沒(méi)有明顯關(guān)系。

5)在超特高壓輸電線下及附近進(jìn)行GPS觀測(cè)，其觀測(cè)質(zhì)量與線路是否帶電無(wú)明顯關(guān)系，而只與衛(wèi)星高度角相關(guān)，通常情況下數(shù)據(jù)質(zhì)量均可以滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

1 全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范［S］.GB/T 18314-2009.(Specifications for global positioning system(GPS)surveys［S］.GB/T 18314－2009)

2 Estey L H and Meertens C M.TEQC:the multi-purpose toolkit for GPS/GLONASS data［J］.GPS Solutions，1999，3(1):42－49.

3 范士杰，郭際明，彭秀英.TEQC在GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用與分析［J］.測(cè)繪信息與工程，2004，29(2):33 －35.(Fan Shijie，Guo J iming and Peng Xiuying.Applications of TEQC to GPS data preprocessin［J］.Journal of Geomatics，2004，29(2):33 －35)

4 李軍，等.東北亞地區(qū)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)和分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2006，31(3):209 －212.(Li Jun，et al.Quality checking and analysis on GPS data in northeast Asia［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2006，31(3):209 －212)

5 Xiong Bo and Wan Weixing.A statistical study on signal to noise ratio of GPS beacon［J］.Chin J Space Sci.，2006，28(5):326－330.

QUALITY CHECK OF GPS OBSERVATIONS UNDER UHV TRANSMISSION LINE

Zhang Di1，2)，Yin Hui1)，Guo Jiming1，2)and Zhou Mingduan3)
1)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079
2)Key Laboratory of Precise Engineer and Industry Surveying of SBSM，Wuhan430079
3)College of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering
and Architecture，Beijing100044

In order to analyze the interference of ultra high voltage(UHV)transmission line on the GPS signals，several GPS stations with different distances to the first 1 000 kv UHV transmission line in Hubei province were constructed.Both live and offline GNSS observations were captured，and then were extracted with the same satellites.According to the GPS orbiting regularity，by using the software TEQC，the multipath of P1 and P2，signal-to-noise ratio of L1 and L2，and data perfectness ratio of GPS observation data were analyzed.The results indicated that the obvious interference of the UHV AC transmission line to the GPS signals with difference distance had not been found.

ultra high voltage(UHV);GPS;quality analysis;multipath;signal-to-noise ratio

P207

A

1671-5942(2013)05-0058-05

2013-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51077105、41174029);精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(PF2011-18);武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

章迪，男，1984年生，注冊(cè)測(cè)繪師、實(shí)驗(yàn)師、博士生，主要研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理.E－mail:dzhang@sgg.whu.edu.cn