變電站環(huán)境下GNSS接收機(jī)性能及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

鄂盛龍, 周剛, 譚理慶, 羅穎婷, 許海林

(1.廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080;2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079)

0 引 言

為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)變電站一線工作人員實(shí)現(xiàn)分米或厘米級(jí)的全程實(shí)時(shí)精確定位、電力設(shè)備設(shè)施的亞米級(jí)信息采集、毫米級(jí)的桿塔形變監(jiān)測(cè)等要求,具有定位精度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)無(wú)疑提供了一種很好的解決方法．但變電站內(nèi)干擾GPS接收機(jī)觀測(cè)的因素眾多,尤其是變電站內(nèi)的強(qiáng)電磁輻射、密集的高壓電線,且《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》等規(guī)定,GPS野外觀測(cè)時(shí)觀測(cè)儀器應(yīng)離開(kāi)高壓輸電線路50 m以上．目前關(guān)于強(qiáng)電磁輻射環(huán)境對(duì)GPS觀測(cè)的影響研究較少,主要集中在高壓輸電線路對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)解算精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量上[1-5],還沒(méi)有學(xué)者研究觀測(cè)環(huán)境更為復(fù)雜,電磁輻射更為強(qiáng)烈的變電站環(huán)境下GNSS接收機(jī)工作性能和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量．

本文在不同電壓等級(jí)的變電站主控站樓頂選擇觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試．通過(guò)零基線的方式檢驗(yàn)站點(diǎn)接收機(jī)的內(nèi)部噪聲水平,以此檢驗(yàn)變電站主控站樓頂強(qiáng)電磁環(huán)境下接收機(jī)能否保持穩(wěn)定．并利用Anubis軟件檢測(cè)各站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,主要包括多路徑誤差、信噪比(SNR)、數(shù)據(jù)完整率等．

1 變電站內(nèi)干擾接收機(jī)工作因素

變電站內(nèi)觀測(cè)環(huán)境相對(duì)一般正常環(huán)境較為復(fù)雜,影響連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)GNSS接收機(jī)工作的因素主要有:變電站內(nèi)眾多桿塔、密集的高壓線路,大型變壓器等作為大型金屬障礙物,可能會(huì)對(duì)附近GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)造成一定程度的屏蔽和散射;變電站內(nèi)屬?gòu)?qiáng)電磁環(huán)境,電磁干擾極強(qiáng)且電壓等級(jí)越大的變電站,電磁干擾越強(qiáng)．變電站產(chǎn)生電磁干擾的主因素眾多[6-7],主要有:1)變電站狹小空間內(nèi)大量電氣設(shè)備密集安置,操作斷路、隔離開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)形成電磁暫態(tài)過(guò)程,造成高頻電磁場(chǎng)干擾；2)高壓輸電線路表面電場(chǎng)很大,引起空氣電離而發(fā)生放電現(xiàn)象,在導(dǎo)線附近形成大量自由電荷,形成電暈放電和間隙火花放電,對(duì)周圍環(huán)境造成高頻干擾；3)變電站內(nèi)設(shè)備故障導(dǎo)致很大的工頻電流進(jìn)入接地網(wǎng)以及自然界雷電入地后產(chǎn)生的地電流會(huì)在接地網(wǎng)中快速擴(kuò)散并向周圍產(chǎn)生輻射,在此范圍內(nèi)的變電站都會(huì)受到強(qiáng)烈電磁干擾．表1示出了變電站內(nèi)主要電磁干擾頻段及頻譜,從表1可發(fā)現(xiàn)變電站主要干擾源的頻率在50 Hz～30 MHz,遠(yuǎn)小于GPS載波的頻率．

表1 變電站內(nèi)主要電磁干擾因素

2 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究GNSS接收機(jī)在變電站環(huán)境下能否保持正常工作以及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足正常使用標(biāo)準(zhǔn)．試驗(yàn)采用的設(shè)備為中海達(dá)VNET-8型接收機(jī)及其配套天線．選擇在QJ、TL、DT、ZT 、YF站的主控站樓頂布置觀測(cè)點(diǎn),放置兩臺(tái)接收機(jī),并用功分器將同一天線的信號(hào)分成功率、相位相同的兩路信號(hào)送到接收機(jī),組成零基線;并在DJ、LX、WS等變電站主控樓頂放置一臺(tái)接收機(jī);同時(shí)在遠(yuǎn)離變電站和高壓電線的正常環(huán)境下布設(shè)ZC站點(diǎn),并設(shè)置一組零基線．各個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)24 h,數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為10 s,截止高度角設(shè)置為10°．鑒于篇幅,只給出部分觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境圖,具體如圖1所示．同時(shí)利用工頻場(chǎng)強(qiáng)儀,對(duì)設(shè)置零基線站點(diǎn)的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),記錄站點(diǎn)的工頻電場(chǎng)及工頻磁場(chǎng)的大小．由于變電站站中的工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間快速波動(dòng),因此只能大概記錄下測(cè)量時(shí)工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍,具體結(jié)果如表2所示,從表中可看出500 kV變電站內(nèi)觀測(cè)站點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于220 kV、110 kV變電站內(nèi)站點(diǎn)電磁場(chǎng)強(qiáng)度．表3所示為此次實(shí)驗(yàn)所用站點(diǎn)的變電站電壓等級(jí)．

圖1 部分觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)環(huán)境

表2 零基線觀測(cè)站點(diǎn)工頻電場(chǎng)及工頻磁場(chǎng)測(cè)量值

表3 觀測(cè)站點(diǎn)變電站電壓等級(jí)

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求

本文主要從數(shù)據(jù)完整率、偽距多路徑、周跳比及SNR四個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)估實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量．

2.2.1 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率為實(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．?dāng)?shù)據(jù)完整率不僅受接收機(jī)性能、衛(wèi)星工作性能的影響,還受觀測(cè)站周圍環(huán)境的制約[8],可以很好地反映出數(shù)據(jù)接收狀況及觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)劣．本次實(shí)驗(yàn)中,數(shù)據(jù)完整率可以反映出各個(gè)測(cè)試站點(diǎn)周邊地物、桿塔、高壓輸電線路、電磁干擾等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的綜合影響．

2.2.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是由于衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)測(cè)站周圍物體反射后,和直接來(lái)自衛(wèi)星的直射信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)天線并產(chǎn)生干涉,導(dǎo)致觀測(cè)值偏離真值．多路徑效應(yīng)將嚴(yán)重?fù)p害GNSS測(cè)量精度,嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖．Anubis軟件通過(guò)載波相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值線性組合求得所有頻率偽距的多路徑誤差,計(jì)算公式如下[9]:

(1)

式中:P、L分別代表雙頻偽距觀測(cè)值、雙頻載波相位觀測(cè)值;f是信號(hào)頻率;i、j、k是頻率編號(hào)．在建立CORS站時(shí),多路徑效應(yīng)一般要滿足:MP1<0.35 m,MP2<0.45 m[10]．

2.2.3 周跳比

周跳表示載波相位觀測(cè)值中的整周計(jì)數(shù)暫時(shí)中斷出現(xiàn)系統(tǒng)偏差,而不足一整周的部分仍然保持正確的現(xiàn)象[11]．周跳比是指在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi),載波相位觀測(cè)量總數(shù)與觀測(cè)量發(fā)生周跳次數(shù)的比值,表示為o/slap．周跳比可作為評(píng)估載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo),在一定程度上反映了由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖、電離層活動(dòng)強(qiáng)烈、信號(hào)SNR過(guò)低等導(dǎo)致載波相位觀測(cè)值發(fā)生跳變的情況．周跳比越小,表示跳變?cè)絽柡?載波相位觀測(cè)值質(zhì)量越差．周跳比也可以轉(zhuǎn)化為CSR值表示,計(jì)算公式如下:

(2)

根據(jù)已有研究表明,全球國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)站有半數(shù)以上的CSR年平均值小于5,2/3以上的CSR平均值在10以下[12]．

2.2.4SNR

SNR表示接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)的功率PR與干擾信號(hào)功率PN的比值[13],通常用載噪功率密度比(C/N0)表示,單位dB-Hz．SNR和測(cè)站環(huán)境有著很重要的關(guān)系,同時(shí)也受到接收機(jī)中相關(guān)器的狀態(tài)、內(nèi)部抑制噪聲的影響．SNR越大,表示接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的效果越好,接收機(jī)跟蹤捕獲衛(wèi)星信號(hào)的能力越強(qiáng)．

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 接收機(jī)內(nèi)部噪聲檢驗(yàn)

利用GAMIT軟件對(duì)QJ、DT、YF、TL、ZC站點(diǎn)的零基線進(jìn)行處理,處理結(jié)果如表3所示．從表3可以發(fā)現(xiàn)220 kV,110 kV站內(nèi)DT、TL、ZT、YF、ZC觀測(cè)站點(diǎn)零基線的解算結(jié)果與精度相近,零基線結(jié)果都小于等于0.2 mm;而500 kV站內(nèi)QJ觀測(cè)站點(diǎn)零基線處理結(jié)果為0.6 mm,明顯大于其他站點(diǎn)． 但各個(gè)站點(diǎn)零基線結(jié)果都小于常規(guī)要求的1 mm限差,表明實(shí)驗(yàn)所用接收機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境下仍能良好工作,沒(méi)有受到顯著影響．

表3 站點(diǎn)零基線處理結(jié)果及鐘漂

3.2 觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖2所示為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率情況(柱形圖為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率,折線圖為各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率與ZC站點(diǎn)的差值)．從圖中可以發(fā)現(xiàn)除WS、LS站外,其余站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率均在95%及以上且和正常環(huán)境下的數(shù)據(jù)完整率差別不大,說(shuō)明各站點(diǎn)周邊的地物、桿塔、高壓輸電線路對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)遮擋很少;同時(shí)也表明變電站內(nèi)強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)接收機(jī)捕獲數(shù)據(jù)的性能沒(méi)有影響．

圖2 各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率

圖3所示為各站點(diǎn)的多路徑效應(yīng)值．從圖中可以看出,各系統(tǒng)各頻段的多路徑效應(yīng)值均在30 cm以下,滿足使用要求．Galileo系統(tǒng)(簡(jiǎn)寫(xiě)為GAL)的多路徑效應(yīng)值整體小于GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),GPS L1、BDS B1頻段多路徑效應(yīng)值分別大于GPS L2、BDS B2頻段．

圖3 各站點(diǎn)多路徑效應(yīng)值

圖4所示為各站點(diǎn)CSR值．從圖中可以看出,QJ、MH站CSR值相對(duì)較大,分析發(fā)現(xiàn)QJ站點(diǎn)周跳比較大主要是由BDS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星C02/C05導(dǎo)致的,MH站點(diǎn)周跳則集中在BDS C05衛(wèi)星上,且B1、B2兩個(gè)頻點(diǎn)上周跳數(shù)大致相當(dāng)．C02/C05、C05衛(wèi)星均在QJ、MH站點(diǎn)西南方向,兩站點(diǎn)該方向附近均有較高的山坡且樹(shù)木密集,遮擋較為嚴(yán)重,這才導(dǎo)致QJ、MH站點(diǎn)上C02/C05、C05衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)值較大、發(fā)生周跳較多,兩站點(diǎn)西南方向環(huán)境如圖5所示．但各站點(diǎn)CSR值遠(yuǎn)小于IGS站相應(yīng)指標(biāo),這表明各站點(diǎn)發(fā)生周跳次數(shù)很小,觀測(cè)環(huán)境良好,接收機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的變電站內(nèi)仍能良好工作．

圖4 各站點(diǎn)CSR值

圖5 QJ(左)、MH(右)西南方向觀測(cè)環(huán)境

SNR反映了接收機(jī)收到衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量．圖6所示為測(cè)站上各頻點(diǎn)的SNR均值．由圖可見(jiàn),GPS L2頻段SNR偏低,這是由于該型接收機(jī)只能收到GPS L2頻段上L2W(L2P)信號(hào),SNR本身較低導(dǎo)致的;其余各頻段都主要分布在40～47 dB-Hz．還可發(fā)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)SNR大致相近,沒(méi)有與正常環(huán)境下的站點(diǎn)表現(xiàn)出明顯差異,這表明各信號(hào)頻段上沒(méi)有受到電磁干擾的影響．

圖6 各站點(diǎn)SNR均值

4 結(jié) 語(yǔ)

為了研究GNSS接收機(jī)在變電站環(huán)境下能否保持正常工作以及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足正常使用標(biāo)準(zhǔn),本文通過(guò)對(duì)6個(gè)測(cè)試站點(diǎn)的零基線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,17個(gè)測(cè)試站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估,分析發(fā)現(xiàn):

1)在布置零基線站點(diǎn)的變電站主控樓頂測(cè)試所用接收機(jī)內(nèi)部噪聲沒(méi)有受到強(qiáng)電磁環(huán)境顯著的影響,仍符合規(guī)范要求．

2)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、CSR值均滿足IGS站的標(biāo)準(zhǔn),各站點(diǎn)SNR均滿足一般指標(biāo)性要求．變電站內(nèi)點(diǎn)和正常環(huán)境下站點(diǎn)在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面差別極小,同時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量也沒(méi)有因變電站電壓等級(jí)表現(xiàn)出相關(guān)性,這說(shuō)明變電站內(nèi)強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響．