北斗高精度定位在电力行业的应用分析

北斗高精度定位在电力行业的应用分析

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1中电伟恒（北京）科技发展有限公司天津分公司天津3000002天津市普迅电力信息技术有限公司天津3000003国网河北省电力有限公司检修分公司河北石家庄050000

摘要：在特高压变电站地基沉降观测领域，针对传统地基沉降观测技术的不足，提高电网智能化生产的安全要求，超高压变电站采用北斗高精度定位技术,突破传统沉降监测模式的局限性。

关键词：北斗高精度定位;电力行业;应用

前言

卫星定位在国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业、交通、水利等行业发挥了重要作用。在卫星定位系统中GPS的应用最广，与其相比北斗卫星导航体统在市场占有率与服务体验上还有一定差距。但作为国家十三五规划重点推进项目，北斗系统的广泛应用，有利于我国摆脱对GPS的过度依赖，消除国家战略安全的潜在威胁。为了增加科研人员以及普通用户对北斗系统的了解，加快北斗系统的推广，对北斗定位系统定位精度的研究是很有必要的。

1北斗定位系统的定位精度

卫星定位是一个解方程的过程，其原理可以用下面的公式来表示：

=（ti-Δt）*c（1）

其中：x、y、z是以地球质心为原点的空间直角坐标系的坐标值；xi、yi、zi是接收机接收到的第i颗卫星的空间坐标值；c表示光速；ti表示接收机接收到的第i颗卫星发射的导航电文到达接收机的时间；Δt表示卫星时钟与接收机时钟之间的钟差。从式（1）可知，方程式中有4个未知量，至少需要4颗卫星组成一个至少含有4个方程的方程组才能解算出接收机的位置信息。卫星的位置以及导航电文到达接收机的时间间隔是求解的关键，而二者的不准确性表现在卫星轨道精度、原子钟精度与稳定度、导航电文传播过程中的电离层延迟与多路径效应上，从而使定位出现偏差。

1.1卫星轨道影响

卫星轨道参数作为求解方程中的已知量是求解位置的基础。卫星轨道信息是包含在卫星历书内的，历书的精度决定了定位的精度，通过对历书的生成与更新的研究，发现历书的精度与摄动力模型有关。卫星是绕地飞行物，万有引力是其维持在运行轨道面的力学基础，由于地球质量分布不均匀，或者是其他星体、潮汐等引起的引力变化，以及大气阻力与太阳光压的影响，卫星偏离了原定轨道，从而造成导航电文内包含的历书信息与卫星实际轨道不符。这些摄动力对卫星轨道偏离的影响，需要建立相应的摄动力模型来预报轨道变化，修正历书减小误差。北斗定位系统采用了三种轨道面，包括21528km的中轨道，35786km倾斜地球同步轨道以及地球同步轨道，需要建立三种摄动力模型用来预测并纠正卫星轨道。GPS系统只有中轨道卫星，并且摄动力模型已经经过三十多年的完善，北斗卫星观测数据积累不足，且摄动力模型参考GPS模型，摄动力模型与光压模型还不能满足定位精度对摄动力模型的要求，依据北斗系统的三轨道面的摄动力模型仍然是研究的重点。

1.2原子钟的影响

卫星到接收机的距离等于光速与时间的乘积。鉴于光的速度很大，很小的时间误差就会造成较大的距离误差。这就要求时间计量单位要足够小，才能将误差控制在可接受的范围内。从导航系统来看，GPS、GLONASS、Galileo以及北斗系统都是使用的原子钟作为时间计量器件。原子钟是依靠特定原子能级跃迁释放的能量波的频率作为参考频率进行时间计量的，该跃迁对应的共振谱线的宽度决定了原子钟输出信号的频率稳定度。卫星上使用的原子钟是星载原子钟，相较于地面原子钟更注重精度与稳定度，其还要求频率稳定度高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，这就要求原子钟性能上做出一些牺牲。北斗导航系统的原子钟均采用铷原子钟，就是在体积、重量、寿命、性能等方面取舍做出的选择。而国产星载铷钟，在精度和稳定性上相较于GPS和Galileo的星载钟稍显逊色，其星载卫星钟性能及预报模型的研究成为我国导航定位工作的研究热点。星载原子钟的性能是通过星载原子钟的频率准确度、频率漂移率、频率稳定度来衡量的，其中稳定度表征了原子钟授时的稳定性，是衡量原子钟维持在特定频率的能力。中短期频率稳定度是星载原子钟最重要的指标，对于地面控制部分确定广播星历更新时间具有重要作用。分析传统铷钟发现，铷钟稳定度主要受光频移、微波腔牵引频移和光检噪声的影响，削弱三者的影响是提高星载铷钟性能的关键。Galileo系统采用了POP铷钟和被动型氢钟作为星载原子钟，POP铷钟采用脉冲光抽运技术，与传统铷钟利用激光抽运相比，很好地降低了光频移影响，使GalileoPOP铷钟性能接近被动型氢钟的水平，而功耗和体积与星载铷钟相当。GPS系统的BLOCKⅡF卫星采用氙气作为缓冲气体，再利用光滤波技术，从而降低了光检噪声的影响，提高了星载铷钟的稳定度。卫星间的时钟信息不同步，星载钟的稳定性低等问题制约着定位精度的提高，可以从下面几点入手，抑制时钟信息误差带来的定位精度的下降。

1.3电离层延迟

电离层一般是指高度位于60km~1000km之间的大气层，电离层中存在着大量的自由电子和正离子，当卫星信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。电离层延迟引起的距离误差一般在白天可达15m，夜间可达3m，天顶方向最大可达50m，水平方向可以达到150m。电离层对定位精度的影响反映在对信号传播过程中时间的延迟，破坏了传播时间的准确性，影响伪距的测量，从而降低了定位精度。

2关键技术应用

2.1高精度北斗定位技术

高精度北斗定位技术主要利用北斗地基增强系统播出的差分信息进行高精度定位解算，主要为用户计算差分改正数等数据，利用网络解算获取覆盖范围地区和该时间段的局域精密星历及其他改正参数，同时能够连续不间断对导航卫星的完好性监测，对卫星精密星历、卫星精密钟差、大气层传播延迟等误差进行确定和播送，大大克服导航卫星系统在可靠性、可用性方面的脆弱性。

2.2北斗特高压变电站地基沉降监测实现方法

对于特高压变电站地基沉降变形趋势的监测，通过北斗高精度定位系统、数据无线传输系统和数据智能处理系统等，结合多频率双差解算模式，并基于分层置信的数据滤波算法，在优化载波相位差分数据处理方法的基础上，大幅度减少法方程求逆时大量的模糊度，提高解算效率，并同步处理基准站和观测站载波相位等数据，最终得到监测点相对于基准点的地基沉降的精确量，以实现特高压变电站地基沉降实时监测目的。为满足特高压变电站地基沉降监测的现实要求，必须保证关键区域高定位精度。一般情况下，利用RTK定位技术，采取两台或两台以上的北斗卫星双频接收机，将其中一台双频接收机安装在基准站上，其余的双频接收机则安装在需要监测的观测站上，同时采用双频信源，同步处理B1和B2载波信号。根据两个载波信号的不同频段，消除测点定位过程中电离层、对流层造成延迟的影响，并最大程度减少误差。通过无线数据传送模块将实时沉降观测数据发送给远程观测中心，继而通过观测中心数据处理软件解算出基准站和观测点设备的精确位置。

结束语

基于高精度北斗组合定位可以实时采集工程测量、监测、检测等项目需要用到的位置坐标，替代传统人工采集，极大地提高施工人员和大型设备的定位精度和准确性，能够实时对工务施工人员或大型设备远程监控。

参考文献：

[1]朱峰,孙长虹.北斗高精度定位技术与智能交通[J].信息技术与标准化,2017(10):24-27.

[2]于天泽.北斗卫星导航定位技术在我国铁路应用探讨[J].中国铁路,2017,(4):4-7.