采用北斗卫星导航系统的超高压变电站GIS 变形监测精度分析

徐 纵，黄陆明，李 博，俞文慧，雷振洲，王佳琳

（1.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232；2.国网浙江杭州市临安区供电有限公司，杭州 311300）

0 引言

GNSS（全球导航卫星系统）作为现代空间卫星定位技术，已逐渐在很多领域取代常规光学和电子测量仪器，变形监测领域也不例外。目前，GNSS 变形监测技术已经在边坡、桥梁和水坝等建筑物或滑坡体上取得了丰富的应用成果[1-5]。如文献[3]大坝变形监测系统可实现4 h 时段解北方向N、东方向E、高程方向U 0.8 mm，0.7 mm 和1.5 mm 的定位精度。但是在超高压变电站这种复杂而恶劣的电磁环境下，由于受卫星遮挡、信号干扰和多路径效应影响严重等不利因素的影响，目前还没有北斗卫星导航系统对超高压变电站内GIS 设备变形监测的应用。

BDS（北斗卫星导航系统）是我国自行研制的全球卫星导航系统，目前已经具备与GPS（全球定位系统）相当水平的伪距和载波相位测量精度[6]。2017 年12 月，中美双方签署了《北斗与GPS 信号兼容与互操作联合声明》，实现民用信号互操作，并将持续开展兼容与互操作合作[7]。用户用1 台接收机能同时接收2 个系统的卫星信号，定位的稳定性和精度更高，尤其是在观测环境不佳的情况下，可以弥补卫星信号弱的问题，为超高压变电站GNSS 变形监测带来了新的解决方案。

超高压变电站GNSS 变形监测中最难解决的问题就是多路径效应，多路径效应指的是卫星信号在传播过程中，受一些物体的反射，而改变了信号的传播方向、振幅、极化以及相位等，这些变化了的信号到达接收机后，与通过直线路径到达接收机的信号产生叠加[8]。由于变电站内强电场、强磁场和雷电冲击、操作冲击以及各种放电现象，构成了变电站复杂而恶劣的电磁环境[9-10]。在利用GNSS 技术进行变形监测时，由于电磁波的干扰，观测值可能会出现粗差，影响多路径效应的判断和提取；在GNSS 数据处理时，多路径效应误差既具有系统性，又具有一定随机性，它不能通过差分技术来消除[11]。

本文根据变电站内电磁干扰、多路径效应等呈周期性变化的特性，在数据处理时，利用多路径效应的轨道周期重复性和变化规律构建多路径周期性误差修正模型，从而削弱多路径误差，提高变电站变形监测系统的精度，为解决变电站多路径效应难以处理的问题提供指导。本文在超高压变电站内对GIS 设备进行变形监测，评估了超高压变电站环境下BDS/GPS 多系统的变形监测性能，为开展超高压变电站GNSS 变形监测提供了技术支撑。

1 超高压变电站概况

1.1 超高压变电站环境概况

超高压变电站的主要设备包括电力变压器、GIS、电压电流互感器和电容器等点状遮挡物，以及众多杆塔、高压线路及连接母线组成的密集线状遮挡物，可能会对GNSS 接收机接收的卫星信号造成一定程度的遮挡和反射，造成实际接收卫星信号的减少，引起严重的多路径效应，进而影响监测精度。

超高压变电站内属强电磁环境，电压等级越高的变电站，电磁干扰越强。变电站产生电磁干扰的因素[12-14]主要包括：

（1）变电站内大量高压输电线路带有强大的电场而引起空气电离，发生放电现象，在高压输电线路附近形成大量自由电荷，引起电晕放电和间隙火花放电。

（2）变电站内大量的母线或连接线上的高频电流。

（3）变电站内大量电气设备频繁操作，会形成电磁暂态过程，造成高频电磁场干扰。

（4）绝缘子火花放电、其他金属连接松动或接触不良产生的间隙火花放电。

以上4 种放电过程都会产生高频脉冲电流，形成无线电干扰[15-16]。此外，还有变电站内设备故障，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的电磁干扰。

1.2 超高压变电站干扰分析

由于该项目采用北斗二号卫星导航系统，卫星空间分布及卫星数量还待完善，且由于变电站内众多的杆塔、密集的高压线路、变压器等大型金属障碍物，可能对附近GNSS 接收机接收卫星信号造成一定程度的屏蔽和散射，使得卫星数、PDOP（位置精度因子）值和多路径效应值等受到不利影响。本文选取基准站和监测站M002 在2020 年10 月16 日（年积日290 天）一整天的观测数据，采样间隔为30 s，共计2 880 个历元的数据进行卫星数、PDOP 值和多路径效应的分析对比。

1.2.1 可见卫星数及PDOP 值

通过对采集的基准站和监测站M002 在10月16 日的数据进行观测（采样间隔30 s，监测站M002 与基准站距离127 m），统计BDS 可见卫星总数及三维PDOP 值，如图1 所示，其中，1 号线表示BDS 可见卫星总数随历元的变化情况；2号线表示PDOP 值随历元的变化情况。由图1 可知，基准站平均可见卫星数11.04 颗，监测站M002 平均可见卫星数8.58 颗，且监测站M002相对于基准站的可见卫星数变化幅度较大；基准站平均PDOP 值为2.26，表现平稳没有出现跳跃；监测站M002 平均PDOP 值为3.21，且个别历元出现跳跃。由图1（b）可知，PDOP 值出现跳跃时与BDS 卫星数变少有关。因此，超高压变电站的监测站在利用BDS 定位时，部分时段BDS 可能受到干扰，卫星数变少，出现精度跳跃的情况。

图1 BDS 可见卫星数及PDOP 值

通过计算BDS 卫星的高度角和方位角，分别绘出基准站和监测站M002 在年积日290 天的星空图，一整天可以观测到14 颗北斗卫星，如图2所示。整体来看，北斗二号卫星在北方向卫星分布较少，会影响北方向和高程方向的定位精度。还可看出监测站M002 相对于基准站BDS 星空图少了一颗C13 卫星，C11，C12 和C14 卫星不连续，可能由于受监测站M002 的环境影响，造成部分时段接收不到卫星信号，影响定位精度。

1.2.2 多路径效应

本文通过计算得到基准站和监测站M002 在年积日290 天的MP1（卫星在L1频点的多路径效应影响值）序列，限于本文篇幅，仅对GEO（地球静止同步轨道卫星）、IGSO（地球倾斜同步轨道卫星）和MEO（中圆轨道卫星）卫星各选取1 颗进行绘图。由图3—5 可知，基准站的MP1 变化基本在1 m 以内，监测站的MP1 变化基本在2 m 以内，基准站和监测站环境下的多路径效应影响差别较大，需要对监测站做多路径效应的相关处理。

图2 BDS 星空图

图3 BDS C01 卫星多路径效应

图4 BDS C06 卫星多路径效应

2 GNSS 数据采集与处理

2.1 数据采集

为了在超高压变电站内开展北斗卫星导航系统的监测精度分析，本文利用坐落于浙江省宁波市江北区500 kV 变电站搭建的GNSS 变形监测系统，其中基准站BASE 位于主控楼楼顶，主控楼持力层为中等风化凝灰层，并在施工桩基前做强夯处理，基桩深度达20 m，是整个变电站最稳固的地方；监测站M001，M002，M005，M006 和M007 位于GIS 设备母线上，监测站M003 和M008位于地面，监测站M004 位于楼顶，距离基准站最近的是监测站M003，为54 m，距离基准站最远的是监测站M007，为170 m。基准站和监测站的位置分布如图6 所示，其周围环境情况如图7所示。基准站与监测站接收机均为武汉攀达时空PD318 高精度形变接收机，天线均为HXCSX601A 抗多路径测量天线，天线固定于观测墩和定制夹具的强制对中基座上。

图5 BDS C11 卫星多路径效应

2.2 数据预处理

图6 基准站和监测站分布情况

图7 监测站周围环境情况

针对超高压变电站环境面临的多路径干扰问题，本文采用了一种复杂环境下的非通视卫星剔除方法和北斗/GNSS 多路径误差建模方法，在将非通视卫星的定位数据予以剔除的基础上，进一步建立多路径误差修正模型来削减该监测站处的多路径误差。

2.2.1 复杂环境下的非通视卫星剔除

首先，以接收机为原点，将其上方以预设间距分割为多个格网，并记录每个格网的坐标。其次，获取接收机周围预设范围内所有遮挡物的三维立体模型。然后，基于三维立体模型以及每个格网坐标对格网是否被遮挡进行判断，并根据判断结果构建包括遮挡格网和通视格网的格网模型。接着，基于坐标信息计算每个当前卫星所处的当前格网，根据当前格网和格网模型判断当前卫星是否为非通视卫星。最后，将非通视卫星的卫星定位数据予以剔除或降权。方法流程如图8 所示。

图8 复杂环境下非通视卫星剔除方法流程

2.2.2 变电站复杂环境下的北斗/GNSS 多路径误差建模

首先，根据变电站内电磁干扰、多路径效应等呈周期性变化的特性，利用每颗卫星的信号观测值，通过计算得出每颗卫星的卫星位置、卫星钟差。利用监测站天线的已知坐标，计算得到每颗卫星到天线的几何距离。根据每颗卫星的卫星位置、卫星钟差以及几何距离求得接收机钟差值，从而确定是否存在粗差、多路径效应误差或噪声误差的信号观测值。最后，根据待监测位置处的多路径效应的轨道周期重复性及变化规律构建多路径周期性误差修正模型。方法流程如图9所示。

2.3 数据处理策略

本文根据基准站与监测站最远距离为170 m这种短基线解算的特点，结合GIS 设备变形监测的实际需求，数据处理策略如下：

（1）由于该类变形速率较慢，是长期累积产生的形变结果，综合考虑解算精度需求，制定数据解算时长间隔为24 h，数据采样间隔为30 s。

（2）由于基线较短，可直接使用监测站的广播星历。

（3）利用非通视卫星剔除方法，剔除非通视卫星的定位数据，提高变电站环境下对卫星定位数据解算的精度、速度和稳定性。

（4）利用北斗/GNSS 多路径误差建模方法，削减该监测站处的多路径误差，进而提高变电站变形监测系统的精度。

（5）首先，进行数据编辑和剔除。对接收的伪距和载波相位观测值数据进行粗差判断、周跳探测和修复，并进一步删除弧段较短的卫星观测值。其次，对每个历元下观测卫星进行循环处理。先由原始观测值计算方向余弦，组成站间单差，并选择高度角较高的卫星作为参考星，将单差观测值再次组成站间-星间双差观测值。最后，由GNSS 双差观测方程组成法方程，整个方程组包含3 个位置以及每颗卫星的双差模糊度参数，其中位置参数为浮点型，模糊度参数为整数。采用传统最小二乘或者KALMAN（卡尔曼）滤波方法估计模糊度浮点解，并以最小二乘降相关方法固定最终模糊度参数，将固定后的整数模糊度值回带到法方程中即可获得高精度监测点位置参数。

表1 精度统计结果

图9 复杂环境下多路径误差建模方法流程

3 监测精度分析

本文采集2020 年5 月8 日（年积日129 天）—2020 年6 月7 日（年积日159 天）连续31 天的观测数据，采用自主研制的变形监测解算软件进行处理，分别利用单GPS、单BDS 和GPS+BDS组合解算出各监测点的坐标。利用GAMIT 软件对多天的GNSS 数据进行处理，得到各监测点的坐标作为真值，然后统计出各监测点N，E 和U 的精度（1 倍标准差见表1）及误差序列（见图10—图12）。

由表1 可知，BDS 变形监测精度为北方向2.2 mm，东方向1.4 mm，高程2.3 mm；GPS 变形监测精度为北方向0.7 mm，东方向0.6 mm，高程0.8 mm；GPS+BDS 组合方式的变形监测精度为北方向1.1 mm，东方向1.0 mm，高程1.3 mm。由图10 可知，单BDS 数据解算误差序列东方向解算结果最好，北方向次之，高程较差。监测精度统计分析表明，所有监测站单BDS 解算结果在北方向、东方向、高程方向都差于单GPS 解算结果。

图10 BDS 解算误差序列

图11 GPS 解算误差序列

图12 BDS+GPS 解算误差序列

4 结语

本文利用500 kV 变电站建立的GIS 设备变形实时监测系统，通过系统连续监测采集的数据，针对GNSS 的精度进行统计分析，结果表明：在观测环境极为复杂的变电站，单BDS、单GPS和GPS+BDS 解算结果都满足项目实现监测精度达到毫米级的要求；由于环境和星座原因，单独利用北斗二号卫星解算结果相比于GPS 解算结果还有一定差距。后续加入北斗三号全球卫星导航系统后，BDS 解算结果可能会有较大的提升空间。