变电站环境下GNSS接收机性能及观测数据质量分析

鄂盛龙, 周刚, 谭理庆, 罗颖婷, 许海林

(1.广东电网公司 电力科学研究院,广东 广州 510080;2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079)

0 引 言

为了满足电力系统对变电站一线工作人员实现分米或厘米级的全程实时精确定位、电力设备设施的亚米级信息采集、毫米级的杆塔形变监测等要求,具有定位精度高、全天候等优点的全球卫星导航系统(GNSS)定位技术无疑提供了一种很好的解决方法．但变电站内干扰GPS接收机观测的因素众多,尤其是变电站内的强电磁辐射、密集的高压电线,且《全球定位系统(GPS)测量规范》等规定,GPS野外观测时观测仪器应离开高压输电线路50 m以上．目前关于强电磁辐射环境对GPS观测的影响研究较少,主要集中在高压输电线路对GPS观测数据解算精度和数据质量上[1-5],还没有学者研究观测环境更为复杂,电磁辐射更为强烈的变电站环境下GNSS接收机工作性能和观测数据质量．

本文在不同电压等级的变电站主控站楼顶选择观测站点进行测试．通过零基线的方式检验站点接收机的内部噪声水平,以此检验变电站主控站楼顶强电磁环境下接收机能否保持稳定．并利用Anubis软件检测各站点观测数据质量,主要包括多路径误差、信噪比(SNR)、数据完整率等．

1 变电站内干扰接收机工作因素

变电站内观测环境相对一般正常环境较为复杂,影响连续运行参考站(CORS)GNSS接收机工作的因素主要有:变电站内众多杆塔、密集的高压线路,大型变压器等作为大型金属障碍物,可能会对附近GPS接收机接收的卫星信号造成一定程度的屏蔽和散射;变电站内属强电磁环境,电磁干扰极强且电压等级越大的变电站,电磁干扰越强．变电站产生电磁干扰的主因素众多[6-7],主要有:1)变电站狭小空间内大量电气设备密集安置,操作断路、隔离开关时会形成电磁暂态过程,造成高频电磁场干扰；2)高压输电线路表面电场很大,引起空气电离而发生放电现象,在导线附近形成大量自由电荷,形成电晕放电和间隙火花放电,对周围环境造成高频干扰；3)变电站内设备故障导致很大的工频电流进入接地网以及自然界雷电入地后产生的地电流会在接地网中快速扩散并向周围产生辐射,在此范围内的变电站都会受到强烈电磁干扰．表1示出了变电站内主要电磁干扰频段及频谱,从表1可发现变电站主要干扰源的频率在50 Hz～30 MHz,远小于GPS载波的频率．

表1 变电站内主要电磁干扰因素

2 实验方案及数据质量指标

2.1 实验方案

为了研究GNSS接收机在变电站环境下能否保持正常工作以及观测数据质量能否满足正常使用标准．试验采用的设备为中海达VNET-8型接收机及其配套天线．选择在QJ、TL、DT、ZT 、YF站的主控站楼顶布置观测点,放置两台接收机,并用功分器将同一天线的信号分成功率、相位相同的两路信号送到接收机,组成零基线;并在DJ、LX、WS等变电站主控楼顶放置一台接收机;同时在远离变电站和高压电线的正常环境下布设ZC站点,并设置一组零基线．各个站点观测24 h,数据采样间隔设置为10 s,截止高度角设置为10°．鉴于篇幅,只给出部分观测点环境图,具体如图1所示．同时利用工频场强仪,对设置零基线站点的工频电场和工频磁场强度进行检测,记录站点的工频电场及工频磁场的大小．由于变电站站中的工频电磁场强度随时间快速波动,因此只能大概记录下测量时工频电磁场强度的变化范围,具体结果如表2所示,从表中可看出500 kV变电站内观测站点的电磁场强度远远大于220 kV、110 kV变电站内站点电磁场强度．表3所示为此次实验所用站点的变电站电压等级．

图1 部分观测点观测环境

表2 零基线观测站点工频电场及工频磁场测量值

表3 观测站点变电站电压等级

2.2 观测数据质量要求

本文主要从数据完整率、伪距多路径、周跳比及SNR四个方面来综合评估实验观测数据质量．

2.2.1 数据完整率

数据完整率为实际观测到的完整观测值和理论观测值个数的比值．数据完整率不仅受接收机性能、卫星工作性能的影响,还受观测站周围环境的制约[8],可以很好地反映出数据接收状况及观测环境的优劣．本次实验中,数据完整率可以反映出各个测试站点周边地物、杆塔、高压输电线路、电磁干扰等对卫星信号的综合影响．

2.2.2 多路径效应

多路径效应是由于卫星信号经测站周围物体反射后,和直接来自卫星的直射信号一起进入接收机天线并产生干涉,导致观测值偏离真值．多路径效应将严重损害GNSS测量精度,严重时还将引起信号的失锁．Anubis软件通过载波相位观测值和伪距观测值线性组合求得所有频率伪距的多路径误差,计算公式如下[9]:

(1)

式中:P、L分别代表双频伪距观测值、双频载波相位观测值;f是信号频率;i、j、k是频率编号．在建立CORS站时,多路径效应一般要满足:MP1<0.35 m,MP2<0.45 m[10]．

2.2.3 周跳比

周跳表示载波相位观测值中的整周计数暂时中断出现系统偏差,而不足一整周的部分仍然保持正确的现象[11]．周跳比是指在一定观测时间内,载波相位观测量总数与观测量发生周跳次数的比值,表示为o/slap．周跳比可作为评估载波相位观测数据质量的重要指标,在一定程度上反映了由于卫星信号失锁、电离层活动强烈、信号SNR过低等导致载波相位观测值发生跳变的情况．周跳比越小,表示跳变越厉害,载波相位观测值质量越差．周跳比也可以转化为CSR值表示,计算公式如下:

(2)

根据已有研究表明,全球国际GNSS服务(IGS)站有半数以上的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表示接收机接收到的卫星信号的功率PR与干扰信号功率PN的比值[13],通常用载噪功率密度比(C/N0)表示,单位dB-Hz．SNR和测站环境有着很重要的关系,同时也受到接收机中相关器的状态、内部抑制噪声的影响．SNR越大,表示接收机接收卫星信号的效果越好,接收机跟踪捕获卫星信号的能力越强．

3 实验数据分析

3.1 接收机内部噪声检验

利用GAMIT软件对QJ、DT、YF、TL、ZC站点的零基线进行处理,处理结果如表3所示．从表3可以发现220 kV,110 kV站内DT、TL、ZT、YF、ZC观测站点零基线的解算结果与精度相近,零基线结果都小于等于0.2 mm;而500 kV站内QJ观测站点零基线处理结果为0.6 mm,明显大于其他站点． 但各个站点零基线结果都小于常规要求的1 mm限差,表明实验所用接收机在强电磁环境下仍能良好工作,没有受到显著影响．

表3 站点零基线处理结果及钟漂

3.2 观测站点数据质量分析

图2所示为各站点数据完整率情况(柱形图为各站点数据完整率,折线图为各站点数据完整率与ZC站点的差值)．从图中可以发现除WS、LS站外,其余站点观测数据完整率均在95%及以上且和正常环境下的数据完整率差别不大,说明各站点周边的地物、杆塔、高压输电线路对观测站点遮挡很少;同时也表明变电站内强电磁环境对接收机捕获数据的性能没有影响．

图2 各站点数据完整率

图3所示为各站点的多路径效应值．从图中可以看出,各系统各频段的多路径效应值均在30 cm以下,满足使用要求．Galileo系统(简写为GAL)的多路径效应值整体小于GPS、北斗卫星导航系统(BDS),GPS L1、BDS B1频段多路径效应值分别大于GPS L2、BDS B2频段．

图3 各站点多路径效应值

图4所示为各站点CSR值．从图中可以看出,QJ、MH站CSR值相对较大,分析发现QJ站点周跳比较大主要是由BDS系统GEO卫星C02/C05导致的,MH站点周跳则集中在BDS C05卫星上,且B1、B2两个频点上周跳数大致相当．C02/C05、C05卫星均在QJ、MH站点西南方向,两站点该方向附近均有较高的山坡且树木密集,遮挡较为严重,这才导致QJ、MH站点上C02/C05、C05卫星的多路径效应值较大、发生周跳较多,两站点西南方向环境如图5所示．但各站点CSR值远小于IGS站相应指标,这表明各站点发生周跳次数很小,观测环境良好,接收机在强电磁环境下的变电站内仍能良好工作．

图4 各站点CSR值

图5 QJ(左)、MH(右)西南方向观测环境

SNR反映了接收机收到卫星信号的质量．图6所示为测站上各频点的SNR均值．由图可见,GPS L2频段SNR偏低,这是由于该型接收机只能收到GPS L2频段上L2W(L2P)信号,SNR本身较低导致的;其余各频段都主要分布在40～47 dB-Hz．还可发现各个站点SNR大致相近,没有与正常环境下的站点表现出明显差异,这表明各信号频段上没有受到电磁干扰的影响．

图6 各站点SNR均值

4 结 语

为了研究GNSS接收机在变电站环境下能否保持正常工作以及观测数据质量能否满足正常使用标准,本文通过对6个测试站点的零基线数据进行处理,17个测试站点观测数据进行数据质量评估,分析发现:

1)在布置零基线站点的变电站主控楼顶测试所用接收机内部噪声没有受到强电磁环境显著的影响,仍符合规范要求．

2)各站点数据完整率、多路径效应、CSR值均满足IGS站的标准,各站点SNR均满足一般指标性要求．变电站内点和正常环境下站点在数据质量方面差别极小,同时数据质量也没有因变电站电压等级表现出相关性,这说明变电站内强电磁环境对GNSS观测数据质量几乎没有影响．