高压线路对GPS接收机性能及观测数据质量影响的测试与分析

聂兆生 管 啸

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071

3 上海飞机制造有限公司，上海市场中路3115号，200080

高压输电线路产生的电磁环境等可能会对GPS接收机性能、数据质量和解算精度产生影响。《全球定位系统（GPS）测量规范》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［1］。关于高压输电线路对GPS观测影响的研究较少［2－4］，且研究［5－9］均为对数据解算精度的评价，尚未有对接收设备在高压线所产生的电磁环境中工作性能和接收数据本身质量的研究。因此，本文开展相关实验，系统地研究高压线路对GPS观测的影响，掌握GPS设备在电磁干扰环境下工作性能和接收数据质量的特点，同时对不同电压值的影响程度进行实验分析，以提高电磁干扰环境下采集高精度测量数据的能力。

1 实验介绍

实验地点为武汉市郊国家电网交流特高压实验基地附近，选取地势较为开阔、通视较好的场地，场地上空分别架设有正常带电的220kV 和500kV 高压电线。实验使用仪器为拓普康TPS NET－G3A 接收机，配套扼流圈天线及其附属设备。以特高压线路垂直正下方为零点，按照距零点0、25、50、75m 的距离布设4行点位，每个点位架设2台仪器，点位分布如图1所示。实验内容包含以下3方面：

图1 概略点位分布示意图Fig.1 Approximate distribution of observation points

1）接收机内部噪声检验（零基线检验）。选择高压线正下方两台接收机，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，观测0.5h后交换，然后组成双差观测值来解算基线向量。

2）利用TEQC检验静态观测数据的质量，包括数据有效率、MP1、MP2、SN1、SN2、o／slps 值等。其中，MP1、MP2分别表示L1、L2波段上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指标，SN1、SN2表示卫星信号与噪声的比值，o／slps值表示实际观测历元数与周跳数的比值［10－11］。

3）进行静态观测及解算。在高压线带电情况下，所有仪器同步进行4～8h的静态观测。加入一定数量的国内IGS站组网进行联算，解算基线与点位坐标，对比不同电压以及与高压线不同距离对基线解算和坐标解算精度的影响。

同时利用无线电干扰接收机和工频场强仪，对实验场地的无线电干扰、工频电场和工频磁场强度进行检测，了解实验场地各项电磁干扰指标的大小。

2 实验结果与分析

2.1 高压线正下方接收机内部噪声检验

对TP01 和TP07 两台接收机作零基线检验，利用Gamit［12］对相关数据进行解算。500kV高压线下，两时段的零基线结果分别为0.1 mm和0.2 mm，远小于常规要求的1mm 限差；220 kV 高压线下，相同接收机的两个时段零基线处理结果分别为0.7mm 和1.7mm，明显大于前一天的结果（表1）。由此可见，高压电磁环境对接收机内部噪声的影响与电压值无关，且影响程度不明确。

表1 不同电压下零基线检测结果Tab.1 Results of zero baseline detectionunderdifferent voltages

2.2 基于TEQC的观测数据质量检验

对不同电压值高压线下静态观测数据利用TEQC软件进行质量检核，结果见表2。从表2可发现，位于高压线正下方测点的MP1、MP2值明显较大，距离高压线越远，MP1、MP2值总体上呈现减小的趋势。对于同一观测设备，在与高压线距离相同的情况下，500kV 下观测值的MP1、MP2比220kV 的大。由此可见，距离高压线越近，线路电压越高，GPS观测受多路径效应的影响越严重。观测历元数与周跳比o／slps值随机性较强，与电压大小及距离高压线远近并无明显规律。观测数据完好率和钟漂的指标都较好，说明高压电磁环境对接收机捕获数据的性能和接收机钟的稳定性没有显著影响。

图2、图3分别给出了500kV 和220kV 下各点位观测值L1、L2载波信噪比曲线。由图可见，相同电压下，不同点位的观测值L1、L2载波信噪比几乎一致；对于相同的点位，500kV 和220kV 下，L1、L2载波信噪比也无明显区别。

2.3 基线与点位坐标解算

使用GAMIT 软件，分别利用500kV 和220 kV 电压下静态观测数据，并选取当日国家IGS站XIAA、WUHN、BJFS和LZSH 的观测数据联合组网解算，生成单日松弛解。再同包含上述4个站在内的全球29个IGS站H 文件一并平差，得到ITRF08坐标框架下的点位坐标（表3、表4）和基线（图4）。

对比表3、表4及图4可知，500kV和220kV电压值下的基线与点位坐标解算精度并无太大差异；同一电压值下，不同距离各点位的基线与坐标精度基本相当，总体的解算精度也基本没有差别，且基线与坐标的解算精度均能符合GPS观测的精度要求。因此，电压大小和距离高压线的远近对基线与坐标解算的精度几乎没有影响。

图2 500kV 电压下L1、L2 载波信噪比Fig.2 Signal－to－noise ratio of L1and L2carrier under voltage of 500kV

表2 不同电压下的静态观测数据质量检验Tab.2 Quality checking of static observation data under different voltages

表3 500kV高压下的点位坐标解算结果Tab.3 Results of coordinate calculation under voltage of 500kV

表4 220kV高压下的点位坐标解算结果Tab.4 Results of coordinate calculation under voltage of 220kV

2.4 高压线附近电磁特征量实测

高压线附近的无线电干扰值及工频电磁场强度随时间快速波动。受测量仪器及数据记录手段的限制，只能大概记录下测量时各项指标的数据波动范围。实验结果见表5（仅供参考）。

表5 高压线附近电磁指标测量值Tab.5 Measurements of electromagnetic indicators near high voltage transmission lines

图4 500kV／220kV 高压下的基线解算精度对比图Fig.4 Baseline calculating precision comparison under the 500kV／220kV high－voltage

在500kV 和220kV 高压下，两个频率无线电干扰值表现稳定，不随电压和距离的改变而变化（表5），在32～34dB的范围内，可能对GPS载波信号产生影响。工频电场和磁场的大小随着与高压线距离的增大呈明显的下降趋势，相同距离下，500kV 高压线路产生的工频电场明显强于220kV，而工频磁场则与电压高低没有明显的关系。总之，电压越高，距离高压线越近，电磁干扰越强。

3 结 语

本文分别在500kV 和220kV 高压输电线路区域布设GPS观测点位，针对高压输电线路对GPS观测的影响进行实验，得出如下结论：

1）高压输电线路产生的电磁干扰和无线电干扰对GPS接收机内部噪声造成的影响与电压值无关，且影响程度不明确（因接收机内部噪声的影响因素较多），需结合进一步实验另行分析。

2）GPS观测的多路径效应受到高压输电线路的显著影响，距离高压线越近，线路带电电压越高，多路径效应越严重。

3）高压输电线路对接收机捕获数据的性能、接收机钟的稳定性、观测信号L1、L2载波信噪比和观测值周跳没有显著影响。

4）高压输电线路对GPS观测解算的基线和点位坐标精度没有规律性的影响。

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