高壓線路對GPS接收機(jī)性能及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響的測試與分析

聶兆生 管 嘯

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

3 上海飛機(jī)制造有限公司，上海市場中路3115號，200080

高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁環(huán)境等可能會對GPS接收機(jī)性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量和解算精度產(chǎn)生影響?！度蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》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［1］。關(guān)于高壓輸電線路對GPS觀測影響的研究較少［2－4］，且研究［5－9］均為對數(shù)據(jù)解算精度的評價，尚未有對接收設(shè)備在高壓線所產(chǎn)生的電磁環(huán)境中工作性能和接收數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的研究。因此，本文開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究高壓線路對GPS觀測的影響，掌握GPS設(shè)備在電磁干擾環(huán)境下工作性能和接收數(shù)據(jù)質(zhì)量的特點(diǎn)，同時對不同電壓值的影響程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以提高電磁干擾環(huán)境下采集高精度測量數(shù)據(jù)的能力。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為武漢市郊國家電網(wǎng)交流特高壓實(shí)驗(yàn)基地附近，選取地勢較為開闊、通視較好的場地，場地上空分別架設(shè)有正常帶電的220kV 和500kV 高壓電線。實(shí)驗(yàn)使用儀器為拓普康TPS NET－G3A 接收機(jī)，配套扼流圈天線及其附屬設(shè)備。以特高壓線路垂直正下方為零點(diǎn)，按照距零點(diǎn)0、25、50、75m 的距離布設(shè)4行點(diǎn)位，每個點(diǎn)位架設(shè)2臺儀器，點(diǎn)位分布如圖1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含以下3方面：

圖1 概略點(diǎn)位分布示意圖Fig.1 Approximate distribution of observation points

1）接收機(jī)內(nèi)部噪聲檢驗(yàn)（零基線檢驗(yàn)）。選擇高壓線正下方兩臺接收機(jī)，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)，觀測0.5h后交換，然后組成雙差觀測值來解算基線向量。

2）利用TEQC檢驗(yàn)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括數(shù)據(jù)有效率、MP1、MP2、SN1、SN2、o／slps 值等。其中，MP1、MP2分別表示L1、L2波段上的多路徑效應(yīng)對偽距和相位影響的綜合指標(biāo)，SN1、SN2表示衛(wèi)星信號與噪聲的比值，o／slps值表示實(shí)際觀測歷元數(shù)與周跳數(shù)的比值［10－11］。

3）進(jìn)行靜態(tài)觀測及解算。在高壓線帶電情況下，所有儀器同步進(jìn)行4～8h的靜態(tài)觀測。加入一定數(shù)量的國內(nèi)IGS站組網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)算，解算基線與點(diǎn)位坐標(biāo)，對比不同電壓以及與高壓線不同距離對基線解算和坐標(biāo)解算精度的影響。

同時利用無線電干擾接收機(jī)和工頻場強(qiáng)儀，對實(shí)驗(yàn)場地的無線電干擾、工頻電場和工頻磁場強(qiáng)度進(jìn)行檢測，了解實(shí)驗(yàn)場地各項電磁干擾指標(biāo)的大小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高壓線正下方接收機(jī)內(nèi)部噪聲檢驗(yàn)

對TP01 和TP07 兩臺接收機(jī)作零基線檢驗(yàn)，利用Gamit［12］對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。500kV高壓線下，兩時段的零基線結(jié)果分別為0.1 mm和0.2 mm，遠(yuǎn)小于常規(guī)要求的1mm 限差；220 kV 高壓線下，相同接收機(jī)的兩個時段零基線處理結(jié)果分別為0.7mm 和1.7mm，明顯大于前一天的結(jié)果（表1）。由此可見，高壓電磁環(huán)境對接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響與電壓值無關(guān)，且影響程度不明確。

表1 不同電壓下零基線檢測結(jié)果Tab.1 Results of zero baseline detectionunderdifferent voltages

2.2 基于TEQC的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)

對不同電壓值高壓線下靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)利用TEQC軟件進(jìn)行質(zhì)量檢核，結(jié)果見表2。從表2可發(fā)現(xiàn)，位于高壓線正下方測點(diǎn)的MP1、MP2值明顯較大，距離高壓線越遠(yuǎn)，MP1、MP2值總體上呈現(xiàn)減小的趨勢。對于同一觀測設(shè)備，在與高壓線距離相同的情況下，500kV 下觀測值的MP1、MP2比220kV 的大。由此可見，距離高壓線越近，線路電壓越高，GPS觀測受多路徑效應(yīng)的影響越嚴(yán)重。觀測歷元數(shù)與周跳比o／slps值隨機(jī)性較強(qiáng)，與電壓大小及距離高壓線遠(yuǎn)近并無明顯規(guī)律。觀測數(shù)據(jù)完好率和鐘漂的指標(biāo)都較好，說明高壓電磁環(huán)境對接收機(jī)捕獲數(shù)據(jù)的性能和接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性沒有顯著影響。

圖2、圖3分別給出了500kV 和220kV 下各點(diǎn)位觀測值L1、L2載波信噪比曲線。由圖可見，相同電壓下，不同點(diǎn)位的觀測值L1、L2載波信噪比幾乎一致；對于相同的點(diǎn)位，500kV 和220kV 下，L1、L2載波信噪比也無明顯區(qū)別。

2.3 基線與點(diǎn)位坐標(biāo)解算

使用GAMIT 軟件，分別利用500kV 和220 kV 電壓下靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，并選取當(dāng)日國家IGS站XIAA、WUHN、BJFS和LZSH 的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合組網(wǎng)解算，生成單日松弛解。再同包含上述4個站在內(nèi)的全球29個IGS站H 文件一并平差，得到ITRF08坐標(biāo)框架下的點(diǎn)位坐標(biāo)（表3、表4）和基線（圖4）。

對比表3、表4及圖4可知，500kV和220kV電壓值下的基線與點(diǎn)位坐標(biāo)解算精度并無太大差異；同一電壓值下，不同距離各點(diǎn)位的基線與坐標(biāo)精度基本相當(dāng)，總體的解算精度也基本沒有差別，且基線與坐標(biāo)的解算精度均能符合GPS觀測的精度要求。因此，電壓大小和距離高壓線的遠(yuǎn)近對基線與坐標(biāo)解算的精度幾乎沒有影響。

圖2 500kV 電壓下L1、L2 載波信噪比Fig.2 Signal－to－noise ratio of L1and L2carrier under voltage of 500kV

表2 不同電壓下的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)Tab.2 Quality checking of static observation data under different voltages

表3 500kV高壓下的點(diǎn)位坐標(biāo)解算結(jié)果Tab.3 Results of coordinate calculation under voltage of 500kV

表4 220kV高壓下的點(diǎn)位坐標(biāo)解算結(jié)果Tab.4 Results of coordinate calculation under voltage of 220kV

2.4 高壓線附近電磁特征量實(shí)測

高壓線附近的無線電干擾值及工頻電磁場強(qiáng)度隨時間快速波動。受測量儀器及數(shù)據(jù)記錄手段的限制，只能大概記錄下測量時各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)波動范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5（僅供參考）。

表5 高壓線附近電磁指標(biāo)測量值Tab.5 Measurements of electromagnetic indicators near high voltage transmission lines

圖4 500kV／220kV 高壓下的基線解算精度對比圖Fig.4 Baseline calculating precision comparison under the 500kV／220kV high－voltage

在500kV 和220kV 高壓下，兩個頻率無線電干擾值表現(xiàn)穩(wěn)定，不隨電壓和距離的改變而變化（表5），在32～34dB的范圍內(nèi)，可能對GPS載波信號產(chǎn)生影響。工頻電場和磁場的大小隨著與高壓線距離的增大呈明顯的下降趨勢，相同距離下，500kV 高壓線路產(chǎn)生的工頻電場明顯強(qiáng)于220kV，而工頻磁場則與電壓高低沒有明顯的關(guān)系?？傊?，電壓越高，距離高壓線越近，電磁干擾越強(qiáng)。

3 結(jié) 語

本文分別在500kV 和220kV 高壓輸電線路區(qū)域布設(shè)GPS觀測點(diǎn)位，針對高壓輸電線路對GPS觀測的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁干擾和無線電干擾對GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲造成的影響與電壓值無關(guān)，且影響程度不明確（因接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響因素較多），需結(jié)合進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)另行分析。

2）GPS觀測的多路徑效應(yīng)受到高壓輸電線路的顯著影響，距離高壓線越近，線路帶電電壓越高，多路徑效應(yīng)越嚴(yán)重。

3）高壓輸電線路對接收機(jī)捕獲數(shù)據(jù)的性能、接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性、觀測信號L1、L2載波信噪比和觀測值周跳沒有顯著影響。

4）高壓輸電線路對GPS觀測解算的基線和點(diǎn)位坐標(biāo)精度沒有規(guī)律性的影響。

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