雷电定位系统原理及影响定位结果的因素

1雷电定位系统原理及影响定位结果的因素摘要：在时间差闪电定位算法的基础上，采用蒙特卡罗模拟方法，实现了对闪电定位误差的定量评估。详细分析了闪电定位系统中测站数目、布站方式和站址基线长度3个因素对定位结果的影响。研究表明：定位误差与测站数目、布站方式和基线长度有密切关系。当测站数目一定时，矩形加中心站的布站方式定位结果较好；当布站方式一定时，测站数目越多定位误差越小；在仪器允许的探测范围内，基线越长，覆盖区域越大，定位误差越小。闪电定位误差的定量分析研究，为闪电监测网的站址选择、子站布设等实际工作提供了重要参考依据。关键词：到达时间；定位原理；定位误差1.引言据统计，无论那一时刻，世界上都约有2000个雷暴区在活动，这些雷暴区每秒钟产生1000个以上云地闪和云闪。雷电监测定位系统在雷电的研究、监测及防护领域中处于极其核心的位置。通过实时监测雷暴的发生、发展、成灾情况和移动方向及其它活动特性，对一些重点目标给出类似于台风的监测预报，使雷电造成的损失降到最低点。自然界中的闪电可以细分为:1）云闪：云对云、云内放电；2）地闪：云对地的放电；3)诱发闪电：人工引雷所形成的闪电；4）球闪:球状闪电，常常成为地滚闪。其中，云地闪电对地面上的目标危害最大，是电力、森林防火等领域研究的重点。云地闪电的放电过程如下：云层电荷形成电分布初始击穿梯级先导联接过程第一回击K过程、J过程直窜先导第二回击。闪电的放电过程中最重要的过程是回击过程，因为回击的电流大、时间短，辐射的电磁场强，是形成故障、造成危害的主要原因。每次闪电持续的时间主要由回击数决定，闪电持续的时间一般在1秒以内，平均在0.2秒。一个回击的持续时间一般小于0.1ms（毫秒），回击和回击之间的时间间隔一般为20-200ms之间，平均值为50-70ms。雷电定位系统所测定的回击放电时间是回击产生的电磁脉冲的第一个峰值到达监测站的时刻，精度大约为10-7秒，它等于回击发生的时刻加上传播时延。一次典型的云地闪的电波型[1]如图1-1所示。雷电定位系统原理及影响定位结果的因素图1-1典型的一次云地闪电波形2.到达时间（TOA）检测法的原理到达时间检测法，即TimeofArrival(TOA),是一种利用电磁波到达各个雷电探测站点的时间差对雷电定位的多站式雷电定位系统。通过采集雷电事件发生时产生的电磁波信号到达各个探测站点的时间，计算出站点之间的时间差，得到雷电事件发生的三维位置和发生时间。因此，各个站点之间的标准时间差，即站点的同步问题决定了整个系统的定位精度。同时，由于采集的信号是射频信号，在空气中传播时存在大量的无线电波干扰，所以在这种TOA定位的系统中，各站的时间同步性是最重要的。TOA检测法的示意图如图2-1所示。由图2-1可以看到，雷电脉冲发生时，其辐射的电磁波信号有四个未知因素，三维的位置（x，y，z）和发生的绝对时间t，由于事件到达各个站点的时间不同，首先传播到离雷电事件最近的站点,然后是较远的站点,电磁波的传播速度是一定的,必然有222iiittic（）（x-x）（y-y）（z-z）（2-1）根据上式可得i222iii1tt+c（x-x）（y-y）（z-z））(2-2)其中，c是信号的传播速度，而（xi，yi，zi；ti）表示第i个站点的三维位置和电磁波到达3第i个站点的时间。定义2222iiiiyzrx(2-3)2222yzrx（2-4）可以得到222222iiiiiicttrr2xxyyzzctt)（+）=（（2-5）把（2-5）式中i换成j，并减去（2-5）式，得222222()()2[()()()()]ijijijijijijcttrrxxxyyyzzzcttt（2-6）定义ijijttt，ijijxxx，ijijyyy，ijijzzz（2-7）从而有22222()()=2ijijijijijijrrcttxxxxxxcxx（2-8）令2222()()2ijijijrrcttq则有2q=ijijijijijxxxxxxcxx（2-9）由式(2-9)可以得到一组关于(,,;)xyzt的线性方程组。通过矩阵表示，得到.ijijijijijikikikikikilililililimimimimimqctxyzctctxyzxqctxyzyqctxyzzq(2-10)对这个矩阵方程求解可以得到到达时间的结果，即雷电事件的定位。雷电定位系统原理及影响定位结果的因素图2-1TOA的监测示意图3.定位结果的影响因素3.1测站数目对定位结果的影响在闪电定位系统中，探测子站的数目是系统定位精度的主要影响因素之一。为了分析测站数目对定位结果的影响，,选择环绕中心站的准对称布站方式，,对四站、五站、七站和九站4种相似结构的布站方式进行比较。为了排除站网覆盖区域不同而产生的定位结果差异，规定探测子站在经度和纬度上的最大站距均为200km，准对称布站方式下探测子站的经纬度坐标见表1。图3-1给出了4种布站方式下，不同测站数目定位系统的误差等值线图。从图3-1可以看出，在准对称布站方式下，九站定位系统的误差最小，研究区域内最大定位误差为5km,五站和七站系统的定位结果其次。四站三角形系统的定位误差最大,研究区域内出现了20km的高误差。从图3-1可以看出，定位误差与闪电到站网中心距离有密切关系。闪电距离探测网络中心越远，其定位误差越大。此外，在布站方式相同的条件下，测站数目越多，定位误差小于1km的区域面积越大。5表1准对称布站方式下探测子站经纬度坐标图3-1准对称布站方式下不同测站数目的误差等值线（单位:km；三角形表示探测子站）（a）四站三角形网络(b)五站矩形网络(c)七站矩形网络(d)九站矩形网络雷电定位系统原理及影响定位结果的因素3.2布站方式对定位结果的影响在闪电定位系统中，不同的站点布设方式可以达到不同的定位效果。合理的站点布局不仅可以充分利用站点资源，而且对提高定位精度、扩大探测区域具有十分重要的作用。在观测条件确定的前提下，如何使辐射源在受控区域内具有较高的定位精度，关键是选择最优的站址布局方案。以五站定位系统为例，分析了矩形、菱形、星形、三角形4种布站方式对定位结果的影响。为了消除站距不同而造成的定位结果差异，规定所有子站到达探测网络中心的距离均为1002km。从图3-2可以看出，在五站定位系统中矩形站网分布的定位误差最小，研究区域最大定位误差为5km。其次是菱形和星形站网布局，,研究区域内出现15km的最大误差。因此，在五站定位系统的几种布局中，矩形、菱形、星形、三角形布站方式的定位误差依次增大，矩形站网在整体上具有相对较好的定位结果。图3-2五站定位系统中不同布站方式的定位误差等值线（单位：km；三角形表示探测子站）(a)矩形网络，(b)菱形网络，(c)星形网络，(d)三角形网络3.3基线长度对定位结果的影响TOA闪电定位系统根据其基线长度可分为3种基本类型：①超短基线系统（几十到几百米）；②短基线系统（几十公里)；③长基线系统（几百到几千公里）[2]。超短基线系统7设备简单且不存在多站同步问题，但由于定位精度较差、有效探测距离短而未被广泛使用。目前，TOA闪电定位系统大多采用短基线和长基线多站观测，基线长度为几十到几百公里，可以对脉冲类波形进行很好的定位。随着GPS系统的广泛应用，TOA闪电辐射源定位系统的定位精度将得到较大提高。为了检验基线长度对定位结果的影响，以五站定位系统为例，采取正方形加中心站的布站方式，随机时间误差设为1μs，分析基线长度（正方形边长）分别为20，50，100，150，200，250，300km7种情况下的定位误差。从3-3可以看出，在测站数目、布站方式和随机时间误差不变的情况下，误差小于1km区域等效半径随基线长度的增加而增大，二者呈线性正相关。在仪器有效探测范围内，基线长度越长，探测子站之间的距离越大，探测网所覆盖的区域越大。由于网络覆盖区域内的定位精度较高，因此整个研究范围内定位误差小于1km的区域面积增大。以上给出的只是理想情况下的理论分析结果，在实际站网确定基线长度时，应对仪器的探测性能、GPS测时精度、地形地貌、探测网的具体用途等多种因素进行综合考虑。图3-3误差小于1km等效半径随基线长度的变化4.结论利用蒙特卡罗模拟方法，实现了对TOA闪电定位误差的计算机模拟，探讨了测站数雷电定位系统原理及影响定位结果的因素目、布站方式和站址基线长度对定位结果的影响，主要得出以下结论：1）闪电定位系统中，定位误差不是简单地随测站数目的增多而减小，定位误差与子站的布设方式紧密相关。就矩形、菱形、星形和三角形4种几何布局来看，矩形加中心站布局具有相对较高的定位精度。2）闪电定位系统中，探测网络覆盖区域外的定位误差大于区域内的定位误差，且误差随着与网络中心距离的增加而增大。当定位系统的子站布设方式一定时，子站数目越多，定位误差越小。3）在仪器允许的探测范围内，站址基线越长，站网覆盖区域越大，定位误差越小。在实际站网布设中，应当综合考虑仪器探测性能、GPS测时精度、地形地貌、站网用途等多种因素来确定站址基线长度。参考文献：[1]TimothyDouglasHamlin，TheNewMexicoTechLightningMappingArray，NewMexicoInstituteofMiningandTechnology，2004[2]VladimirARakov,MartinAUman.LightningPhysicsandEffects.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2003:555-587.