CN103278704A - 一种基于北斗的三维闪电探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗的三维闪电探测系统及方法，所述系统包括：时间同步系统，其用于以北斗卫星信号的双向授时方式来构建全网时间同步，得到高精度的时间同步信息，并将时间同步信息传输至数据监测中心；闪电探测站点，其用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，并将电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心；数据监测中心，其用于处理接收的时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息，实现对闪电的三维时空探测。本发明还涉及一种与上述系统的工作原理相同的基于北斗的三维闪电探测方法。本发明实现精确可靠的闪电时空信息探测，能够做到准实时级的闪电时间探测，同时多站联合提高探测可靠性，增大探测范围。

Description

一种基于北斗的三维闪电探测系统和方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星定位系统的应用领域，特别是一种基于北斗的三维闪电探测系统和方法。

背景技术

闪电是大气中脉冲式的放电现象，能够产生瞬时高电压、大电流和强电磁脉冲辐射，同时伴随强烈的发光和发声。闪电可以造成严重的灾害损失，尤其在电子电气技术广泛应用的今天，其危害程度也越来越大。据统计，全球每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地面（地闪）。准确地监测和预报闪电，日益成为人类急需解决的问题。

闪电的早期研究始于17世纪的欧美，并作为一门科学逐渐发展起来。现代闪电监测系统起源于1976年，美国科学家M.A.Uman和E.P.Krider等人成功地对原双阴极示波器闪电探测仪进行了改进，并在此基础上研制出了磁方向闪电定位系统。80年代初期发展了云地闪波形鉴别技术，之后国外的闪电监测技术发展的很快，相继引入了诸多新的技术和方法。随着技术进步，准实时级（几秒内）闪电探测已经成为可能。

目前比较成熟的闪电监测技术主要集中在基于地基探测的甚低频电磁信号二维定位方面，而这些技术在探测效率、探测定位的准确率以及成本等方面存在诸多不足之处，包括：

一、目前的闪电定位设备主要是基于甚低频电磁信号的二维定位，虽然也出现了基于甚高频电磁信号的三维定位系统，但是甚高频设备结构复杂、成本偏高，不具备甚低频监测范围大，易于推广的优点，再加上本身的技术缺陷，存在一定的局限性。

二、目前普遍使用的单一设备探测模式，不适用于在广大的地域范围内进行闪电探测，有效准备的监测闪电发生的总体状况。

三、对于多站联合探测机制，时间同步的精确性是重要的性能参数，对最终探测的精度有很大影响。使用导航卫星授时功能进行时间同步是一种重要的方法，但是如何应对卫星信号对地球大气电离层的延迟是一项需解决的问题。

针对上述问题，本发明提出了一种基于北斗的三维闪电探测系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于北斗的三维闪电探测系统及方法，用于解决现有闪电探测技术存在的局限性问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于北斗的三维闪电探测系统，包括时间同步系统、闪电探测站点和数据监测中心；

所述时间同步系统，其用于以北斗卫星信号的双向授时方式来构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息，并将时间同步信息传输至所述数据监测中心；

所述闪电探测站点，其用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息，并将电场变化信息和磁场变化信息传输至所述数据监测中心；

所述数据监测中心，其用于处理接收的时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息，实现对闪电的三维时空探测。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述时间同步系统在每一个闪电探测站点布设有一个探测点用户机，用于取得该闪电探测站点的时间同步信息，并将取得的时间同步信息实时传输给所述数据监测中心。所述探测点用户机属于所述时间同步系统和所述闪电探测站点的交叉部分。

进一步，所述时间同步系统包括安装有北斗双频接收机的RDSS（RadioDetermination Satellite Service，卫星无线电测定服务）双向授时站，且所述北斗双频接收机用于接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号。

进一步，所述闪电探测站点包括电场快变化天线和正交电磁场天线，分别用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化。电场快变化天线，即平板电容天线，通过电场的改变引起平板电容电荷改变从而探测电场，它负责记录电场的变化信号。正交电磁场天线由两个具有相同截面积和线圈匝数且垂直正交的环形导线圈，它负责探测闪电发生时的磁场变化信号。

本发明的技术方案还包括一种基于北斗的三维闪电探测方法，包括：

步骤1:以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息；

步骤2:捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息；

步骤3，将时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心进行处理，实现对闪电的三维时空探测。

进一步，所述步骤1中以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步是通过RDSS双向授时法实现的，具体包括以下步骤：

步骤11：在RDSS双向授时站采用北斗双频接收机接收北斗卫星信号，确定北斗卫星至RDSS双向授时站时延，更新卫星星历，并周期性地通过北斗卫星向布设在闪电探测站点的探测点用户机广播询问信号；

步骤12：探测点用户机接收RDSS双向授时站广播的询问信号，经固定时延后再通过广播导航电文的北斗卫星，向RDSS双向授时站发回带有用户标志的应答信号；

步骤13：RDSS双向授时站收到应答信号后，计算电波往返的时延值，并利用电波往返的路径的一致性抵消同模传播误差；

步骤14，RDSS双向授时站将电波往返的时延值通过导航电文告知探测点用户机，探测点用户机根据该时延值和导航电文中的时间信息及解调伪随机码获得的时间信号,实现与RDSS双向授时站的全网时间同步；

步骤15，全网时间同步完成后，RDSS双向授时站周期重复步骤11至步骤14，保持同步网络的更新状态。

进一步，所述步骤11还包括：使用北斗双频接收机接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号，并利用不同频率载波信号对电离层延迟的不一致性，通过对比减低延迟影响及双频观测来加速整周模糊度的解算。

进一步，所述步骤3中基于GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）的双向通讯控制通道将时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心。

进一步，所述步骤3中数据监测中心处理时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息具体包括：

步骤31：根据时间标记，同时考虑闪电探测站点覆盖范围，将不同站点的探测数据进行综合，将同一闪电由不同站点监测到的数据进行合并归类；

步骤32：根据电场变化信号，鉴别出云闪和地闪；

步骤33：若为云闪，将闪电发生大致区域和发生时间存入数据库，标记为‘云闪’；

步骤34，若为地闪，则根据磁场变化信号,利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，同时确定闪电信号到达不同站点的时间差，通过数学模型求解得到闪电的三维定位。

进一步，所述步骤32中采用闵可夫斯基距离模糊识别的方法鉴别出云闪和地闪；

进一步，所述步骤33中利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，利用到达时间法确定闪电信号到达不同站点的时间差。

本发明的有益效果是：本发明区别于已有方法，提供更高精度的时间同步信息，自动识别云闪与地闪，利用成本更低、利于推广的甚低频设备实现地闪的三维定位，建立完善的数据处理与存储机制，由此实现精确可靠的闪电时空信息探测，能够做到准实时级的闪电时间探测，同时多站联合提高探测可靠性，增大探测范围。

附图说明

图1为本发明所述的基于北斗的三维闪电探测系统的结构示意图；

图2为本发明所述的基于北斗的三维闪电探测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例所述的RDSS双向授时法的信号流向示意图；

图4为本发明实施例所述的数据监测中心进行数据处理的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例给出了一种基于北斗的三维闪电探测系统，包括时间同步系统、闪电探测站点和数据监测中心；

所述时间同步系统，其用于以北斗卫星信号的双向授时方式来构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息，并将时间同步信息传输至所述数据监测中心；

所述闪电探测站点，其用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息，并将电场变化信息和磁场变化信息传输至所述数据监测中心；

所述数据监测中心，其用于处理接收的时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息，实现对闪电的三维时空探测。

所述时间同步系统在每一个闪电探测站点布设有一个探测点用户机，用于取得该闪电探测站点的时间同步信息，并将取得的时间同步信息实时传输给所述数据监测中心。探测点用户机属于时间同步系统与闪电探测站点的交叉部分。

本实施例中，所述时间同步系统包括安装有北斗双频接收机的RDSS双向授时站（本领域中又称为北斗中心站、RDSS中心站或RDSS双向授时中心站），且所述北斗双频接收机用于接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号。所述闪电探测站点包括电场快变化天线和正交电磁场天线，分别用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化。

综上，本实施例的工作过程为：时间同步系统由配备北斗双频接收机的RDSS双向授时站和探测点用户机两部分构成，利用北斗双向授时法，得到高精度、可靠的时延信息，构建时间同步网络。闪电探测站点通过电场快变化天线，探测闪电发生时的电场变化信号，通过正交电磁场天线，探测闪电发生时的磁场变化信号，将探测数据实时汇总发送至数据监测中心。数据监测中心根据多站点位置、时间、电场变化、磁场变化数据进行计算，集中处理闪电探测数据，进行闪电判断、数据归类合并、地闪云闪识别、闪电三维定位和数据存储备份等工作，从而实现对闪电的三维时空探测。

如图2所示，本发明各主要组成部分的整体协调运作过程如下：

步骤1:以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息；

步骤2:捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息；

步骤3，基于GPRS的双向通讯控制通道将时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心进行处理，实现对闪电的三维时空探测。

其中，所述步骤1中以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步是通过RDSS双向授时法实现的，其信号流向如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤11：在RDSS双向授时站采用北斗双频接收机接收北斗卫星信号，确定北斗卫星至RDSS双向授时站时延，更新卫星星历，并周期性地通过北斗卫星向布设在闪电探测站点的探测点用户机广播询问信号；

步骤12：探测点用户机接收RDSS双向授时站广播的询问信号，经固定时延后再通过广播导航电文的北斗卫星，向RDSS双向授时站发回带有用户标志的应答信号；

步骤13：RDSS双向授时站收到应答信号后，计算电波往返的时延值，并利用电波往返的路径的一致性抵消同模传播误差；

步骤14，RDSS双向授时站将电波往返的时延值通过导航电文告知探测点用户机，探测点用户机根据该时延值和导航电文中的时间信息及解调伪随机码获得的时间信号,实现与RDSS双向授时站的全网时间同步；

步骤15，全网时间同步完成后，RDSS双向授时站周期重复步骤11至步骤14，保持同步网络的更新状态。

对于所述步骤11，其还包括：使用北斗双频接收机接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号，并利用不同频率载波信号对电离层延迟的不一致性，通过对比减低延迟影响及双频观测来加速整周模糊度的解算。

如图4所示，所述步骤3中数据监测中心处理时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息具体包括：

步骤31：根据时间标记，同时考虑闪电探测站点覆盖范围，将不同站点的探测数据进行综合，将同一闪电由不同站点监测到的数据进行合并归类；

步骤32：根据电场变化信号，鉴别出云闪和地闪；

步骤33：若为云闪，将闪电发生大致区域和发生时间存入数据库，标记为‘云闪’；

步骤34，若为地闪，则根据磁场变化信号,利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，同时确定闪电信号到达不同站点的时间差，通过数学模型求解得到闪电的三维定位。

本实施例中，所述步骤32中采用闵可夫斯基距离模糊识别的方法鉴别出云闪和地闪；所述步骤33中利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，利用到达时间法确定闪电信号到达不同站点的时间差。

本实施例中的时间同步系统是基于RDSS构建，特点是通过用户应答，在完成定位的同时，完成了向外部系统的用户位置报告，还可实现定位与通信的集成，保密性好。RDSS双向授时系统提供高精度的时间同步，性能好于普通的GPS授时机制。具体采用中国自主的北斗卫星导航系统的双向授时技术，获取高精度时间，免受GPS等国外系统的制约。

时间同步基本过程为：中心站接受卫星信号，计算传输时延，并更新星历；中心站通过北斗导航电文向用户机发送询问信号；用户机经过自身设备时延，将应答信号通过导航电文传输至中心站；中心站通过分析接受信号确定传输路径时延。所求得的用户时钟偏差值可由如下公式表示：

Δl=ε+nΔt+τ

式中，ε为用户钟与地面控制系统的钟差，nΔt为n帧传输所需要的时间。信号单向的传输时延τ可由如下公式表示：

τ=t_s+t_rs+t_ru

其中t_s为接收机设备单向零值，由接收机厂家提供。t_rs为信号自地面站点到卫星的传输时间，可由卫星星历中获取；t_ru为信号从卫星到用户机的传输时间，通过计算卫星和接收机之间的距离可得。由于GPRS双向传输线路的一致性，双向授时系统捕捉到单向传输两倍的时延，提高了时延测准精度。

闪电探测站点的天线捕捉部分由电场快变化天线与正交电磁场天线组成，它们利用小波分析法去除噪声，在信号的频谱和噪声频谱重叠时，考虑到两种频谱的幅度是不相同的，于是通过对小波变换的系数进行切削、阈值处理和缩小幅度范围等方法，进而实现信号的分离以及信号去噪。得到的天线捕捉信号，连同时间同步信息实时发送至数据监测中心。

本实施例的数据监测中心与闪电探测站点的通信控制通道，基于GPRS构建。GPRS是目前常用的探测网络通信方案，利用现有的移动网络覆盖，实现专用的通讯功能。本通讯控制网络采用无等级集中式结构，各探测站点统一直接与监测中心连接。通信为双向，由数据监测中心实现节点监测控制功能。

数据监测中心自动进行闪电时间关联，判断选取同一闪电在不同探测点捕捉的时间信号，并根据判断结果，将不同探测点获得的同一闪电信息关联合并，记录到达时间差，封装为数据包准备进一步处理。

根据电场变化数据，建立云闪和地闪两个标准模糊子集A1、A2，待识别闪电的模糊子集B，每个模糊子集包含信号开始时间差、到达峰值时间差、脉冲上升沿时间差、脉冲宽度时间差，4个特征量。之后采用闵可夫斯基距离的模糊识别方法，对云闪和地闪进行识别:

N(A_i,B)=1-μ·d(A_i,B)

式中，N(A_i,B)为识别结果，d(A_i,B)是B集中点到A集各点的距离，，A_i为所应用的模糊子集，μ为常数百万分之一（10^-6）。采用定向法，根据磁场变化数据，得到站点与闪电发生位置在平面坐标系上的夹角。根据两个探测站的坐标和方位角数据即可实现对闪电的定位。这里利用多站数据平差求得最优值，提高定位精度。方位角可由如下公式表示：

tanθ＝H_NS/H_WE

其中H_NS、H_WE分别为南北和东西方向的电磁场值，θ及为求得的方位角。

改进到达时间法，根据地闪到达不同探测站点的到达时间法以及对应的距离差，构造一条空间曲线。考虑当闪电发生时，探测站同时探测电磁脉冲峰值的到达时间t_i、闪电方位角θ_i和光速C有以下关系：

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²=C²·(t-t_i)²

(x-x_i)=tanθ_i·(y-y_i)

这里求出来的θ与通过正交天线求得的θ进行验证，根据多个站的数据即可剔出伪雷击点干扰，得到定位雷击点，通过对方程组平差求解可以算出方位角θ，以及到达时间t，可以求得这个时刻闪电相对于站点的位置。同时也可以解得闪电该时刻的空间坐标（x,y,z），这两个将这两个空间坐标进行对比验证，剔出错误数据。将多个时间的闪电位置进行智能匹配连线，即可还原闪电轨迹，即对闪电的三维定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于北斗的三维闪电探测系统，其特征在于，包括时间同步系统、闪电探测站点和数据监测中心；

所述时间同步系统，其用于以北斗卫星信号的双向授时方式来构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息，并将时间同步信息传输至所述数据监测中心；

所述闪电探测站点，其用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息，并将电场变化信息和磁场变化信息传输至所述数据监测中心；

所述数据监测中心，其用于处理接收的时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息，实现对闪电的三维时空探测。

2.根据权利要求1所述的三维闪电探测系统，其特征在于，所述时间同步系统在每一个闪电探测站点布设有一个探测点用户机，用于取得该闪电探测站点的时间同步信息，并将取得的时间同步信息实时传输给所述数据监测中心。

3.根据权利要求1所述的三维闪电探测系统，其特征在于，所述时间同步系统包括安装有北斗双频接收机的RDSS双向授时站，且所述北斗双频接收机用于接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号。

4.根据权利要求1所述的三维闪电探测系统，其特征在于，所述闪电探测站点包括电场快变化天线和正交电磁场天线，分别用于捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化。

5.一种基于北斗的三维闪电探测方法，其特征在于，包括：

步骤1:以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步，计算并更新全网时间和时差，得到高精度的时间同步信息；

步骤2:捕捉闪电发生引起的电场信号变化与磁场信号变化，得到相应的电场变化信息和磁场变化信息；

步骤3，将时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心进行处理，实现对闪电的三维时空探测。

6.根据权利要求5所述的三维闪电探测方法，其特征在于，所述步骤1中以北斗卫星信号的双向授时方式构建全网时间同步是通过RDSS双向授时法实现的，具体包括以下步骤：

步骤11：在RDSS双向授时站采用北斗双频接收机接收北斗卫星信号，确定北斗卫星至RDSS双向授时站时延，更新卫星星历，并周期性地通过北斗卫星向布设在闪电探测站点的探测点用户机广播询问信号；

步骤12：探测点用户机接收RDSS双向授时站广播的询问信号，经固定时延后再通过广播导航电文的北斗卫星，向RDSS双向授时站发回带有用户标志的应答信号；

步骤13：RDSS双向授时站收到应答信号后，计算电波往返的时延值，并利用电波往返的路径的一致性抵消同模传播误差；

步骤14，RDSS双向授时站将电波往返的时延值通过导航电文告知探测点用户机，探测点用户机根据该时延值和导航电文中的时间信息及解调伪随机码获得的时间信号,实现与RDSS双向授时站的全网时间同步；

步骤15，全网时间同步完成后，RDSS双向授时站周期重复步骤11至步骤14，保持同步网络的更新状态。

7.根据权利要求6所述的三维闪电探测方法，其特征在于，所述步骤11还包括：使用北斗双频接收机接收由两种不同频率载波信号调制的北斗卫星信号，并利用不同频率载波信号对电离层延迟的不一致性，通过对比减低延迟影响及双频观测来加速整周模糊度的解算。

8.根据权利要求5所述的三维闪电探测方法，其特征在于，所述步骤3中基于GPRS的双向通讯控制通道将时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息传输至数据监测中心。

9.根据权利要求5所述的三维闪电探测方法，其特征在于，所述步骤3中数据监测中心处理时间同步信息、电场变化信息和磁场变化信息具体包括：

步骤31：根据时间标记，同时考虑闪电探测站点覆盖范围，将不同站点的探测数据进行综合，将同一闪电由不同站点监测到的数据进行合并归类；

步骤32：根据电场变化信号，鉴别出云闪和地闪；

步骤33：若为云闪，将闪电发生大致区域和发生时间存入数据库，标记为‘云闪’；

步骤34，若为地闪，则根据磁场变化信号,利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，同时确定闪电信号到达不同站点的时间差，通过数学模型求解得到闪电的三维定位。

10.根据权利要求9所述的三维闪电探测方法，其特征在于，所述步骤32中采用闵可夫斯基距离模糊识别的方法鉴别出云闪和地闪；所述步骤33中利用定向法得到闪电相对于探测点的方位角，利用到达时间法确定闪电信号到达不同站点的时间差。

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