电磁环境对GNSS观测数据质量的影响

2021-04-21黄林超周永江许超钤

北京测绘 2021年2期

刘佳陈远黄林超周永江许超钤刘虎

(1. 南方电网数字电网研究院有限公司, 广东广州 510700; 2. 武汉大学测绘学院, 湖北武汉 430079; 3. 山东省国土测绘院, 山东济南 250013)

0 引言

近年来,随着全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的建设与发展,基于GNSS连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)的高精度位置服务广泛应用于各个行业[1-2]。其中,电力部门也开始全面建设CORS电力应用系统,根据《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》(GB/T 28588—2012)[3]要求,电力部门的变电站所由于分布广泛,交通便利,网络、电源和运维均有保障等特点,能够完全满足CORS基站的站点选址、站点分布及设备运维等依托保障[4-5],但同时现有规范要求基站选址距离高压线穿越地带等电磁干扰区距离应大于200 m,因此,需要对变电站电磁环境对GNSS接收机观测数据的影响进行实地测试。章迪等通过特高压输电线路(1 000 kV)对GPS观测数据质量影响分析发现:高压输电线对距离线路远近不同点位的GPS信号均未产生可观测到的影响[6];聂兆生等开展了500和220 kV高压输电线路对GPS观测的影响实验,发现GPS观测的多路径效应受高压输电线路的影响显著,而对基线和点位坐标的解算精度无显著影响[7]。

上述研究均表明了高压输电线路对GPS系统的观测数据无显著影响,但由于CORS基站需要接收多个GNSS系统(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)的观测数据,高压线路对各GNSS系统的影响程度可能不一致,且还需考虑不同电压等级的高压线路对GNSS系统观测值的影响。因此,为论证变电站建设CORS基站的可行性,本文选取不同电压等级(35、110、220、500、800 kV)的变电站进行GNSS观测,从数据完整率、多路径误差、信噪比、观测值与周跳比四项指标对不同站点的不同GNSS系统观测数据质量进行统计,分析不同电压等级的电磁环境对各卫星系统观测数据质量的影响,为电力部门开展CORS基站的选址规划、建设提供指导依据。

1 GNSS观测数据质量指标

GNSS观测数据质量指标主要包括数据完整率、多路径误差、信噪比、观测值与周跳比等[8-10],上述各项指标分别反映了GNSS接收机接收数据的完整程度及信号传播路径、信号噪声、信号失锁等对传播信号的影响,可对GNSS观测数据质量进行综合评判。各项指标定义如下:

(1)数据完整率

数据完整率是指GNSS接收机实际的观测历元与理论观测历元的百分比,反映了接收机接收卫星数据的完整程度[11],计算公式如下:

(1)

其中，α表示数据完整率,Ni、N0表示实际与理论观测历元。按规范要求,规定数据完整率≥85%。

(2)多路径误差

在接收机测量时,接收机直接接收的卫星信号将与测站附件经反射物反射后接收的信号产生信号干涉,使得观测值与真值产生偏差,这种由于信号传播路径干涉所引起的观测误差即称为多路径误差[12-15]。多路径误差的计算与观测信号传输频率有关,以GPS系统为例,其L1、L2载波上的多路径误差分别为MP1、MP2。MP1、MP2值越大,观测环境产生的多路径效应影响越大,两者的计算公式如下:

(2)

式中,P1、P2和φ1、φ2分别为GPS系统L1、L2载波上的伪距观测值和相位观测值,α为GPS系统L1、L2载波频率f1、f2之比的平方,即α=(f1/f2)2。按规范要求,规定MP1应≤0.4 m,MP2应≤0.5 m。

(3)信噪比

信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)是指接收机接收的载波信号与噪声信号的比值,信噪比与卫星和接收机的运行状态、天线增益及信号传输路径、信号干扰源等有关[16-17]，是反映GNSS系统整体性能和运行状态的重要指标。按观测信号传输频率可得到不同载波上的信噪比,以GPS系统为例,其L1、L2载波上的信噪比为SN1、SN2,SN1、SN2值越大,说明观测信号的质量越好,两者的计算公式如下:

(3)

式中,S1、S2和N1、N2分别为GPS系统L1、L2载波上的信号功率和噪声功率。

(4)观测值与周跳比

周跳(Cycle Slips)是指在载波相位测量中,由于卫星信号失锁而导致的整周计数跳变或中断现象。周跳的发生主要与观测环境、电离层与多路径误差、电磁干扰等能够引起卫星信号中断的因素有关,是反映载波相位观测数据质量的重要指标之一[18]。在TEQC数据质量分析软件中采用观测值和周跳的比值(o/slps)反映周跳情况。

2 测试方案

本次测试选取均匀分布于海南、广东、广西等地区35、110、220、500、800 kV 5种不同电压的变电站办公楼楼顶(距高压线路100 m内)作为测试点,不同电压等级的测试点数量统计如表1所示。在各测试点架设GNSS接收机(接收机类型:VNet8U-D,天线类型:HX-AT2300,配套3D扼流圈及附属设备,可采集多个系统多个频段的GNSS观测数据),根据现场测试环境调整接收机天线高度,确保天线架设位置10°高度角以上区域无信号遮挡物,部分站点的现场测试图如图1所示。

表1 不同电压等级的测站数统计

图1 部分站点的现场测试图

架设GNSS接收机并连续观测48小时以上,得到1 s历元间隔的原始观测数据,使用卫星数据预处理软件TEQC(Translation,Editing and Quality Checking)对不同GNSS系统的静态观测数据的数据完整率、多路径误差、信噪比、观测值与周跳比指标进行统计[19-21],计算各电压等级下各类数据质量指标的均值(多路径误差、信噪比分别计算各载波信号下均值),分析在不同电压等级下电磁环境对不同GNSS系统的观测数据质量的影响。

3 测试结果分析

根据测试方案,得到不同GNSS系统(BDS、GPS、GLONASS、GALILEO)在5种电压等级(35、110、220、500、800 kV)下观测数据的数据完整率、多路径误差(MP1、MP2)、信噪比(SN1、SN2)、观测值与周跳比(o/slps)的对比情况如图2～5所示。

图2可以看出,不同电压等级下,GPS、GALILEO系统的数据完整率变化趋势基本一致,均呈现先增大后减小的趋势(在220 kV时达到最大)。BDS、GLONASS系统的数据完整率变化趋势基本一致:在220 kV时较低,500 kV时较高。整体而言,四大GNSS系统的数据完整率均满足规范要求(>85%),且高压环境下GPS系统的数据完整率最高,超高压环境下BDS系统数据完整率最高,各电压环境下GLONASS系统数据完整率最低。

图2 不同GNSS系统在各电压等级下的数据完整率

图3可以看出,不同电压等级下,四大系统的MP1、MP2变化趋势在电压为35～500 kV环境下基本一致,各系统MP1、MP2值均低于0.4 m;在电压为800 kV时,GLONASS系统的MP1、MP2值及GALILEO系统的MP1值高于0.5 m,多路径误差较大,其余系统的多路径误差均低于0.4 m。整体而言,各电压环境下四大GNSS系统的多路径误差基本满足规范要求。特别的,BDS系统的MP1、MP2均低于其他GNSS系统。