高壓輸電線影響GPS信號試驗

常金龍甘衛軍張克亮梁詩明

1）中國哈爾濱150090黑龍江省地震局

2）中國北京100029中國地震局地質研究所

高壓輸電線影響GPS信號試驗

常金龍1）甘衛軍2）張克亮2）梁詩明2）

1）中國哈爾濱150090黑龍江省地震局

2）中國北京100029中國地震局地質研究所

采用Trimble NetR8 GPS接收機，通過高壓場地試驗，研究高壓輸電線對GPS信號的影響。結果顯示：高壓輸電線電暈放電產生的無線電干擾不會導致GPS接收機對衛星的失鎖，不會引起載波相位觀測值斷記。利用高次差法和雙頻組合雙差的方法探測周跳，顯示高壓線不會使載波相位產生小于1周的周跳。研究認為，高壓線對GPS L波段信號沒有影響，建議勘選GPS基準站站址時，可適當放寬高壓線距約束。

高壓線；GPS；載波相位；周跳；GPS標準

0 引言

GPS信號在傳播過程中受高壓輸電線影響，可能引起載波相位擾動，進而影響解算精度。依據慣例和規范，在站址勘選時一般遠離高壓輸電線。《中華人民共和國國家標準GB/T 18314—2009：全球定位系統（GPS）測量規范》中規定，GPS站點距離高壓輸電線應大于50 m（中國國家標準化管理類委員會，2009）；《國家現代測繪基準體系基礎設施建設技術規程》規定，距離高壓線100 m內不宜布設基準站（國家基礎地理信息中心，2012）；《中華人民共和國地震行業標準DB/T 19—2006地震臺站建設規范：全球定位系統連續觀測臺站》（中國地震局，2006）未涉及相關規定。可見，GPS信號受高壓線影響程度目前尚無定論，制約著連續站勘選和流動站架設。

國內外關于高壓輸電線對GPS信號影響的研究較少。J Michael Silva等（2002）研究顯示，高壓線電力載波對調制中波段的N GPS（National GPS）接收質量有一定影響。劉興發等（2001）研究了高壓輸電線路電暈放電產生無線電干擾和電磁散射對GPS定位精度的影響，通過測點距離高壓線0 m、30 m、60 m、120 m、180 m進行測試，發現坐標精度沒有明顯降低，認為高壓輸電線路對臨近作業的GPS接收信號沒有影響。明祖濤等（2004）解算了高壓線下基線精度和點位坐標，認為高壓線對精度不高的定位測量影響不大。這些研究主要側重高壓線對定位精度影響，忽視對GPS信號干擾的研究。高壓線對定位精度影響不大并不等同對觀測信號沒有干擾，因為解算軟件會自動探測和修復周跳。對于直接利用GPS信號的數據應用來說，研究高壓線對GPS信號影響是必要的。GPS衛星所用的兩個載波均位于微波的L波段，分別稱為L1載波和L2載波，L1頻率為1 575.42 MHz，L2頻率為1 227.6 MHz。理論上，高壓線電暈放電干擾的頻率范圍主要集中在10 MHz以內，大于10 MHz的干擾幅值基本淹沒在背景噪聲中。GPS衛星傳輸載波頻率大于1 200 Hz，在此頻段無線電干擾接近背景噪聲，因此不會形成有效干擾。事實上，GPS信號及接收機均受到近距離強電磁環境干擾，可能使接收機載波跟蹤環路無法鎖定信號而引起信號的暫時失鎖，使得計數器中斷，產生周跳。基于以上認識，本文重點研究高壓線下強電磁干擾是否引起GPS信號周跳。

1 野外觀測

經過反復細致勘查，選定位于京西北延慶縣康莊鎮羊兒嶺村550 kV高壓線下兩處試驗場，進行兩次相同試驗。一處位于通往鳳凰城的道路邊，一處位于村中玉米地。周圍高度角10°以上均無遮擋，觀測環境較好。

實驗觀測設備為兩臺Trimble NetR8 GPS接收機，天線型號為TRM41249.00。一臺架于兩座高壓輸電線高鐵塔之間，可最大限度消弱鐵塔的多路徑效應（趙誼等，2014），突出高壓輸電線路無線電干擾成分。天頂被高壓線覆蓋，在線下可以強烈感知高壓電暈放電刺刺聲。另一臺接收機遠離高壓線150 m。兩臺設備上午10∶00—12∶30同步觀測，下午13∶00交換設備，觀測至15∶00。

2 數據提取

提取玉米地試驗場上午10∶00—12∶30觀測數據進行處理分析。

采用TEQC和QC2SKY軟件繪出高壓線下和高壓線外（圖1）接收的衛星天空軌跡圖。橫坐標為方位角，正北為0°；縱坐標為高度角。對比發現，高壓線下和高壓線外鎖定衛星一致，說明高壓線干擾不會導致接收機對衛星的失鎖。

圖1 衛星天空軌跡（a）高壓線下；（b）高壓線外Fig.1 Satellite sky track diagram under and outsides high voltage cable

借助南方測繪GPSPro軟件，提取同步觀測高壓線下、外兩組觀測數據，對比載波相位觀測值L1、L2，見圖2。縱坐標是觀測的衛星號，同一顆衛星包含兩行：第1行表示記錄的載波相位觀測值 L1，第2行是載波相位觀測值 L2；橫坐標是時間。圖2顯示，L1、L2在觀測過程中記錄一致，雖各有中斷，但并非由高壓線影響產生。

3 周跳探測

提取連續觀測的14號、29號、31號衛星載波相位觀測值L1、L2，進一步研究高壓線是否引起周跳。采用高次差方法探測大周跳。由于衛星和接收機的距離不斷變化，使得載波相位觀測值隨時間不斷變化。該變化是有規律的、平滑的，而周跳會破壞此規律性。根據此特性，可以找出一些大的周跳。對高壓線下、外第14號、29號、31號衛星提取載波相位觀測值L1和L2，計算觀測值4次差，結果呈偶然誤差特性（圖3），說明數據不含較大周跳。

圖2 記錄的載波相位觀測值L1和 L2（a）高壓線下；（b）高壓線外Fig.2 Carrier phase observation L1 and L2 under and outsides high voltage cable

圖3 載波相位觀測值L1的4次差（a）高壓線下；（b） 高壓線外Fig.3 Carrier phase L1 four order difference under and outsides high voltage cable

受接收機隨機誤差影響，采用高次差法探測周跳，難以達到1周左右的準確度。因此，參照吳繼忠等（2007）的雙頻組合雙差相關方法探測小周跳。對高壓線下、外，分別與相距6.7km的陸態網絡延慶站（BJYQ）組成站星雙差來探測周跳。

在兩個接收機和兩顆衛星間求2次差即可得到載波相位觀測值L1的雙差觀測方程，即

同理，得載波相位觀測值L2的雙差觀測方程。

由式（1）和式（2）可得

整理得

令

若在觀測過程中兩測站對兩顆衛星進行連續鎖定且無周跳發生，則雙差模糊度ΔN1和ΔN2應始終保持為不變的整數，即式（5）左邊項應為常數。若殘差組合u（t）=0，則各歷元的組合雙差相位Φ（t）的計算值也應為常數。因此，相鄰2個歷元Φ（t）計算值的變化量也較小，若該值在某個歷元出現突跳，則認為出現周跳。

假設各載波相位觀測誤差均為mφ，根據誤差傳播率m22φ= 4m2

φ+ 4（λ2/λ1）2mφ2，若mφ= 0.01周，則mΦ= 0.032周，按3倍中誤差標準，最大誤差為0.097周，因此，若Φ（t）相鄰2個歷元的數值差異超過0.097周，則可以認為出現周跳。本研究計算結果（圖4）顯示，高壓線下、外各組合雙差相位差均小于0.097周，說明觀測時段兩臺接收機觀測結果一致，載波信號均未產生小于1周的周跳，高壓線不會導致載波信號周跳。

圖4 組合雙差相位差（a）高壓線下；（b） 高壓線外Fig.4 The difference of carrier phase double difference under and outside high voltage cable

需要說明的是，下午試驗與上午結果一致；另一處試驗場與玉米地試驗結果一致，不再贅述。

4 結束語

采用高精度大地測量型接收機（如Trimble NetR8）進行觀測，在高壓線環境下不會導致GPS接收機對衛星的失鎖，也不會對穿過的GPS載波信號產生干擾。在地殼形變觀測基準站勘選站址時，無需避開高壓線。為確保準確，可采用待用接收機進行試驗，確定高壓線是否有影響。另外，建議制訂GPS規范和標準時，高壓線影響應列為可選項，不必作為硬性指標。

感謝國家重大科學工程“中國大陸構造環境監測網絡”提供GNSS觀測數據。

國家基礎地理信息中心.國家現代測繪基準體系基礎設施建設技術規程［M］.北京：測繪出版社，2012：2.

劉興發，尹暉，等.高壓輸電線路無線電干擾和電磁散射對GPS衛星信號影響測試及分析［J］.高電壓技術，2011，37（12）：2 937-2 944.

明祖濤，江春華.高壓輸電線對GPS靜態測量的影響［J］.全球定位系統，2004，（6）：39-41.

吳繼忠，李明峰，等.利用雙頻載波雙差相關性進行周跳探測［J］.南京工業大學學報，2007，29（4）：90-92.

趙誼，孫建中，常金龍，于露.黑龍江省GNSS數據多路徑誤差分析［J］.地震地磁觀測與研究，2014，35（5/6）：294-298.

中國國家標準化管理類委員會.中華人民共和國國家標準GB/T18314—2009：全球定位系統（GPS）測量規范［S］.

中國地震局.《中華人民共和國地震行業標準DB/T19—2006：地震臺站建設規范——全球定位系統連續觀測臺站》［S］.

Sliva J Michael，Whitney Bruce.Evaluation of the potential for power line carrier（PLC）to interfere with use of the nationwide differential GPS network［J］.IEEE Transactions of Power Delivery，2002，17（2）：348-352.

Experimental research of high voltage cable effect on GPS signal

Chang Jinlong1），Gan Weijun2），Zhang Keliang2）and Liang Shiming2）
1） Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China
2） Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

We study the influence of high voltage cable on GPS signal by field experiment using Trimble NetR8 receiver.The result shows that radio interference produced by high voltage cable discharge will not lead to GPS satellite loss of lock and carrier phase broken down in the application of high precision geodetic surveying.Base on high order difference and double frequency carrier double differential phase methods，we detect GPS cycle slip and find that high voltage cable will not lead to GPS carrier phase cycle slip（less than 1 cycle），too.It is thought that the high voltage cable has no influence on GPS L wavebands.While choosing GPS crustal deformation station site，we can relax the high voltage cable distance restrictions.

high voltage cable，GPS，carrier phase，cycle slip，GPS standard

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.015

常金龍（1979—），男，工程師，主要從事GPS在地殼形變監測中的應用等方面的研究。E-mail：changjinlong2004@163.com

國家自然科學基金資助項目（41174082）資助

本文收到日期：2015-5-06