電磁環境對GNSS觀測數據質量的影響

劉 佳 陳 遠 黃林超 周永江 許超鈐 劉 虎

(1. 南方電網數字電網研究院有限公司, 廣東 廣州 510700; 2. 武漢大學 測繪學院, 湖北 武漢 430079; 3. 山東省國土測繪院, 山東 濟南 250013)

0 引言

近年來,隨著全球衛星導航定位系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)的建設與發展,基于GNSS連續運行參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)的高精度位置服務廣泛應用于各個行業[1-2]。其中,電力部門也開始全面建設CORS電力應用系統,根據《全球導航衛星系統連續運行基準站網技術規范》(GB/T 28588—2012)[3]要求,電力部門的變電站所由于分布廣泛,交通便利,網絡、電源和運維均有保障等特點,能夠完全滿足CORS基站的站點選址、站點分布及設備運維等依托保障[4-5],但同時現有規范要求基站選址距離高壓線穿越地帶等電磁干擾區距離應大于200 m,因此,需要對變電站電磁環境對GNSS接收機觀測數據的影響進行實地測試。章迪等通過特高壓輸電線路(1 000 kV)對GPS觀測數據質量影響分析發現:高壓輸電線對距離線路遠近不同點位的GPS信號均未產生可觀測到的影響[6];聶兆生等開展了500和220 kV高壓輸電線路對GPS觀測的影響實驗,發現GPS觀測的多路徑效應受高壓輸電線路的影響顯著,而對基線和點位坐標的解算精度無顯著影響[7]。

上述研究均表明了高壓輸電線路對GPS系統的觀測數據無顯著影響,但由于CORS基站需要接收多個GNSS系統(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)的觀測數據,高壓線路對各GNSS系統的影響程度可能不一致,且還需考慮不同電壓等級的高壓線路對GNSS系統觀測值的影響。因此,為論證變電站建設CORS基站的可行性,本文選取不同電壓等級(35、110、220、500、800 kV)的變電站進行GNSS觀測,從數據完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比四項指標對不同站點的不同GNSS系統觀測數據質量進行統計,分析不同電壓等級的電磁環境對各衛星系統觀測數據質量的影響,為電力部門開展CORS基站的選址規劃、建設提供指導依據。

1 GNSS觀測數據質量指標

GNSS觀測數據質量指標主要包括數據完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比等[8-10],上述各項指標分別反映了GNSS接收機接收數據的完整程度及信號傳播路徑、信號噪聲、信號失鎖等對傳播信號的影響,可對GNSS觀測數據質量進行綜合評判。各項指標定義如下:

(1)數據完整率

數據完整率是指GNSS接收機實際的觀測歷元與理論觀測歷元的百分比,反映了接收機接收衛星數據的完整程度[11],計算公式如下:

(1)

其中，α表示數據完整率,Ni、N0表示實際與理論觀測歷元。按規范要求,規定數據完整率≥85%。

(2)多路徑誤差

在接收機測量時,接收機直接接收的衛星信號將與測站附件經反射物反射后接收的信號產生信號干涉,使得觀測值與真值產生偏差,這種由于信號傳播路徑干涉所引起的觀測誤差即稱為多路徑誤差[12-15]。多路徑誤差的計算與觀測信號傳輸頻率有關,以GPS系統為例,其L1、L2載波上的多路徑誤差分別為MP1、MP2。MP1、MP2值越大,觀測環境產生的多路徑效應影響越大,兩者的計算公式如下:

(2)

式中,P1、P2和φ1、φ2分別為GPS系統L1、L2載波上的偽距觀測值和相位觀測值,α為GPS系統L1、L2載波頻率f1、f2之比的平方,即α=(f1/f2)2。按規范要求,規定MP1應≤0.4 m,MP2應≤0.5 m。

(3)信噪比

信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)是指接收機接收的載波信號與噪聲信號的比值,信噪比與衛星和接收機的運行狀態、天線增益及信號傳輸路徑、信號干擾源等有關[16-17]，是反映GNSS系統整體性能和運行狀態的重要指標。按觀測信號傳輸頻率可得到不同載波上的信噪比,以GPS系統為例,其L1、L2載波上的信噪比為SN1、SN2,SN1、SN2值越大,說明觀測信號的質量越好,兩者的計算公式如下:

(3)

式中,S1、S2和N1、N2分別為GPS系統L1、L2載波上的信號功率和噪聲功率。

(4)觀測值與周跳比

周跳(Cycle Slips)是指在載波相位測量中,由于衛星信號失鎖而導致的整周計數跳變或中斷現象。周跳的發生主要與觀測環境、電離層與多路徑誤差、電磁干擾等能夠引起衛星信號中斷的因素有關,是反映載波相位觀測數據質量的重要指標之一[18]。在TEQC數據質量分析軟件中采用觀測值和周跳的比值(o/slps)反映周跳情況。

2 測試方案

本次測試選取均勻分布于海南、廣東、廣西等地區35、110、220、500、800 kV 5種不同電壓的變電站辦公樓樓頂(距高壓線路100 m內)作為測試點,不同電壓等級的測試點數量統計如表1所示。在各測試點架設GNSS接收機(接收機類型:VNet8U-D,天線類型:HX-AT2300,配套3D扼流圈及附屬設備,可采集多個系統多個頻段的GNSS觀測數據),根據現場測試環境調整接收機天線高度,確保天線架設位置10°高度角以上區域無信號遮擋物,部分站點的現場測試圖如圖1所示。

表1 不同電壓等級的測站數統計

圖1 部分站點的現場測試圖

架設GNSS接收機并連續觀測48小時以上,得到1 s歷元間隔的原始觀測數據,使用衛星數據預處理軟件TEQC(Translation,Editing and Quality Checking)對不同GNSS系統的靜態觀測數據的數據完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比指標進行統計[19-21],計算各電壓等級下各類數據質量指標的均值(多路徑誤差、信噪比分別計算各載波信號下均值),分析在不同電壓等級下電磁環境對不同GNSS系統的觀測數據質量的影響。

3 測試結果分析

根據測試方案,得到不同GNSS系統(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)在5種電壓等級(35、110、220、500、800 kV)下觀測數據的數據完整率、多路徑誤差(MP1、MP2)、信噪比(SN1、SN2)、觀測值與周跳比(o/slps)的對比情況如圖2～5所示。

圖2可以看出,不同電壓等級下,GPS、GALILEO系統的數據完整率變化趨勢基本一致,均呈現先增大后減小的趨勢(在220 kV時達到最大)。BDS、GLONASS系統的數據完整率變化趨勢基本一致:在220 kV時較低,500 kV時較高。整體而言,四大GNSS系統的數據完整率均滿足規范要求(>85%),且高壓環境下GPS系統的數據完整率最高,超高壓環境下BDS系統數據完整率最高,各電壓環境下GLONASS系統數據完整率最低。

圖2 不同GNSS系統在各電壓等級下的數據完整率

圖3可以看出,不同電壓等級下,四大系統的MP1、MP2變化趨勢在電壓為35～500 kV環境下基本一致,各系統MP1、MP2值均低于0.4 m;在電壓為800 kV時,GLONASS系統的MP1、MP2值及GALILEO系統的MP1值高于0.5 m,多路徑誤差較大,其余系統的多路徑誤差均低于0.4 m。整體而言,各電壓環境下四大GNSS系統的多路徑誤差基本滿足規范要求。特別的,BDS系統的MP1、MP2均低于其他GNSS系統。

圖3 不同GNSS系統在各電壓等級下的多路徑誤差

圖4可以看出,不同電壓等級下,除BDS系統的SN1和GPS系統的SN2較低且變化不穩定外,其余系統SN1、SN2值的變化趨勢一致且基本不受電壓等級變化的影響,表明信噪比基本不受電壓變化的影響。

圖4 不同GNSS系統在各電壓等級下的信噪比

圖5可以看出,不同電壓等級下,四大系統的觀測值與周跳比變化趨勢基本一致,在電壓等級為110 kV處均出現較高的o/slps值,表明110 kV電壓環境下衛星信號失鎖率較低,發生周跳概率較小。特別的,各電壓等級下BDS系統的o/slps值均高于其他系統。

圖5 不同GNSS系統在各電壓等級下的周跳比

4 結束語

(1)整體而言,不同電壓等級下各GNSS系統觀測數據的數據完整率、多路徑誤差、信噪比、觀測值與周跳比等指標基本符合規范要求。表明不同電壓等級下電磁環境對GNSS系統觀測數據質量無負影響,變電站建設CORS基站具有一定的可行性。

(2)電磁環境對不同GNSS系統的影響程度不一致。不同電磁環境下,GPS系統的觀測數據最完整,BDS系統的多路徑誤差、觀測值與周跳比均優于其他系統。表明電磁環境對BDS系統的影響相對較弱。

(3)不同電壓等級下,電磁環境對GNSS觀測數據質量影響不一致。高壓環境下大部分指標優于超高壓環境。表明CORS基站選址應盡量選擇高壓變電站,其中,110 kV變電站相對其他電壓等級的變電站更具優勢。