CN108646218A - 一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，通过对比闪电定位网定位闪电的绝对时间，以及闪电信号到达移动式低频磁感应探测平台的时间，确定到达时间差，在假定移动平台空间位置连续定向均匀变化的前提下，通过相继的2次闪电就能够获得平台在每次闪电发生时的地理坐标，而移动平台由GPS实时授时定位，亦可得到收到闪电信号时的地理坐标，通过对比地理坐标的时间信息就可得知此次利用闪电信号定位的精度，进而反推出闪电定位网对闪电信号的定位精度，是一种有效检验定位网精度的方法，并且此方法中亦涉及利用闪电信号对移动平台进行定位导航的技术，为GPS无法提供定位信息的区域进行设备的定位提供了可能。

Description

一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法

技术领域

本发明属于定位和系统评价技术领域，尤其涉及一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法。

背景技术

近地空间闪电频发，对闪电的定位是研究全球闪电活动重要工作。目前，世界已经发展起来各种闪电探测手段和定位系统，基于雷电放电过程辐射出频谱范围很宽的电磁波，针对不同波段形成了几类探测技术如VHF辐射源定位技术，地基的VLF/LF雷电定位系统(全球闪电定位系统(WWLLN)，北京雷电探测网(BLNET)，美国国家雷电定位网(NLDN)，欧洲雷电探测网(LINET))，以及可见光波段的星载光学探测仪(LIS/OTD)，目前我国发射的风云4号气象卫星搭载的闪电成像仪能够实现闪电成像观测，获取观测覆盖区范围内的闪电分布图，中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室(LAGEO)在全国布设多站点低频磁场探测仪形成覆盖全国的闪电定位网络系统。

定位网的精度是评价闪电定位系统的重要参数，目前主要评价闪电定位网精度的方法有：基于某一次确定位置闪电的个例进行分析评估、基于人工引雷技术的定位网精度评估、基于另一定位网定位数据的评估和一些基于数值模拟方法的评估，然而，这些评价方法存在时间和空间的局限性，只能够确定定位系统在某一位置的精度，无法真实反映定位网的整体精度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种移动式低频磁感应探测平台定位方法来反推出定位网的定位精度，达到对闪电定位网定位精度的有效评估。

一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，包括以下步骤：

步骤1：由闪电定位网提供的闪电信号以及闪电信号到达移动式磁感应探测平台的时间来确定时间差，通过该时间差计算出移动式磁感应探测平台与闪电信号距离；

所述闪电信号包括闪电的绝对时间和闪电发生地所在的经纬度；

步骤2：已知移动式磁感应探测平台的移动速度和移动方向，连续二次有效闪电信号结合步骤一的计算结果即可唯一确定移动式磁感应探测平台运动的地理位置；

步骤3：利用计算得到的所述地理位置与移动式磁感应探测平台GPS提供的地理位置坐标信息进行比较，即可得出闪电信号对移动式磁感应探测平台的定位精度；

步骤4：利用步骤3中得到的定位精度反推出闪电定位网提供的闪电信号的精度，以达到对闪电定位网精度的评价。

进一步地，如上所述的基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，移动式磁感应探测平台包括：磁信号感应模块、数据采集模块、GPS授时定位模块、以及电源供电模块；

所述磁信号感应模块采样带宽为2KHz-30KHz，增益为0.4V/nT。

进一步地，如上所述的基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，所述GPS授时定位模块能够准确提供移动式低频磁感应探测平台的实时位置和精确时间。

有益效果：

本发明通过对比闪电定位网定位闪电的绝对时间，以及闪电信号到达移动式低频磁感应探测平台的时间，确定到达时间差，在假定移动平台空间位置连续定向均匀变化的前提下，通过相继的2次闪电就能够获得平台在每次闪电发生时的地理坐标，而移动平台由GPS实时授时定位，亦可得到收到闪电信号时的地理坐标，通过对比地理坐标的时间信息就可得知此次利用闪电信号定位的精度，进而反推出闪电定位网对闪电信号的定位精度，是一种有效检验定位网精度的方法，并且此方法中亦涉及利用闪电信号对移动平台进行定位导航的技术，为GPS无法提供定位信息的区域进行设备的定位提供了可能。

附图说明

图1为本发明基于动态测量的闪电定位网精度评估方法流程图；

图2为本发明基于动态测量评估闪电定位网精度模型；

图3为本发明计算的定位精度分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

地基的VLF/LF全球闪电定位系统(WWLLN)能够准确(时间精度1微秒)提供闪电发生的位置和绝对时间，本申请依据闪电定位网(WWLLN)可确定出闪电空间和时间信息；移动式磁感应探测平台是基于对闪电脉冲辐射出来的低频磁场信号的探测来确定闪电发生位置与探测平台之间的距离，移动式磁感应探测平台由磁感应模块、数据采集模块、电源模块、GPS模块、移动载体组成。磁感应模块由磁感应器和信号处理电路组成，具有特定响应频率带宽和增益(针对闪电脉冲辐射的低频信号，所以装置的响应频率在低频段，几千赫到数十千赫)；数据采集模块由高采样率设备将模拟信号转为数字信号进行存储；GPS模块在移动模式下能够连续准确提供平台位置接收到闪电信号的绝对时间。

具体地，所述移动式磁感应探测平台包括磁感应模块、数据采集模块、电源模块、GPS模块、移动载体；

所述移动载体由一台小汽车承担，磁天线盒安置在车后座的挡风玻璃下，实验证明，这种放置方式仍可有效地接收到低频闪电信号，说明在车体内部设置低频磁天线接收闪电信号时完全可行的，车辆金属框架结构的法拉第笼效应并不能完全屏蔽低频波段的闪电电磁信号。

所述磁感应模块采样带宽为2KHz-30KHz，增益为0.4V/nT；

所述的电源模块包括：一台金武士DK1000型UPS不间断电源提供电力，在电池充满电的情况下，汽车行驶过程中整套系统可连续运行50分钟左右；

所述GPS模块包括北京泰福特电子公司提供的GPS接收机的串口信号接入到移动工作站上采用串口信号读取软件(EagleCom)进行记录，作为行驶车辆经纬度位置坐标的标准参考结果；

移动式磁感应探测平台在运动过程接收到闪电信号，完成探测数据采集和记录。

本发明提供的一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：利用全球闪电定位网提供两次闪电信息，所述闪电信息包括：时间和经纬度；

S102：移动式磁感应探测平台接收到两次闪电信号的时间；

S103：利用两次闪电信息定位出移动式磁感应探测平台的位置，并由平台自身定位系统对比得出定位误差；

S104：由闪电信息对移动式磁感应探测平台的定位误差反向推算闪电定位网的定位精度。

具体地，所述磁感应探测平台能准确的接收到闪电信号，并对闪电发生的时间进行准确记录；

所述移动式磁感应探测平台记录的闪电信号能够被闪电定位网准确定位，并提供闪电发生的绝对时间；

由所述移动式磁感应探测平台记录的闪电信号发生时间与闪电定位网提供的闪电信号发生的绝对时间计算到达时间差，确定闪电发生时移动式低频磁感应探测平台的地理坐标位置；

所述移动式磁感应探测平台配有高精度GPS系统，能够准确提供移动式低频磁感应探测平台的实时位置和精确时间。

如图2、图3所示，当目标体的移动速度和移动方向是已知的，t₁时刻在P点(t₁,x_p,y_p)点发生一次闪电，发生绝对时间和位置由闪电定位网(WWLLN)提供，对于目标体经过了Δt₁接收到了此次闪电信号，Δt₁由移动平台接受到闪电信号的时间与闪电发生的时间来确定，此时移动平台的位置由移动平台自身的GPS提供，记作(t₁+Δt₁，x₁，y₁)；同样的经过Δt时间t₂时刻在Q点(t₂,x_q,y_q)发生了第二次闪电，发生绝对时间和位置由闪电定位网(WWLLN)提供，经过了Δt₂目标体接收到了此次闪电信号，Δt₂由移动平台接受到闪电信号的时间与闪电发生的时间来确定，此时移动平台的位置由移动平台自身的GPS提供，记作(t₂+Δt₂，x₂，y₂)；

对于闪电信号定位精度评价的基础是保证找到移动探测平台接收到的两次两次闪电信号(磁场脉冲)与闪电定位网(WWLLN)定位的两次闪电的脉冲时间一致。

以闪电为中心，S₁点一定在以P点为圆心，以R₁为半径的圆上，经过Δt+Δt₁后，移动平台沿特定方向移动了已知距离S到达S₂点，并且S₂点一定在以S₁点为圆心，以距离S为半径的圆上，并且接收到第二次闪电发生的信号，故S₂在以Q为圆心，以R₂为圆心的圆上。

按照数学几何分析，已知：

P点(t₁,x_p,y_p),Q点(t₂,x_q,y_q)S的大小和方向，R₁和R₂；

求：S₁和S₂；

思路：S向量已知方向和大小，点S2必为圆Q与圆P按照向量S经过平移以后得到新圆P’的交点，如此一来可分为两种情况讨论，圆Q与圆P’有1个交点，即为S₂唯一，按照S向量即可求出S₁，圆Q与圆P’有2个交点，即为S₂有两个解，按照S向量即可求出S₁(与S₂对应的两个解)；

按照上述所述的原理和思路，所述的P点的坐标为第一次闪电发生的位置，所述的第一次闪电发生的时间和空间位置由全球闪电定位网(WWLLN)提供；

所述的移动平台测得第一次闪电信号在t₁之后Δt₁时刻，所述的平台的精确位置为S₁’，坐标和时间由移动平台自身所携带的GPS系统提供；

所述的移动平台与第一次闪电发生的位置间的距离由大气中的光速c和时间Δt₁来计算；

所述的经过Δt时间的t₂时刻，Q点第二次闪电发生，所述的第二次闪电发生时间t₂和位置由闪电定位网(WWLLN)提供；

所述的在t₂之后经过Δt₂，移动平台接收到了第二次闪电的信号，此刻，移动平台的精确位置为S₂’，所述的S₂’的时间和坐标由移动平台自身所携带的GPS系统提供；

所述的，从t₁+Δt₁到t₂+Δt₂这段时间，移动平台沿一定方向运动了一定距离，所述的移动可用向量S₁’S₂’表示，所述的S₁’S₂’向量既有大小又有方向；

所述的向量S₁’S₂’可以表示为(x₂-x₁,y₂-y₁)；

所述的由两次闪电信号推算出移动平台接收到信号时平台的位置为S₁和S₂，所述的S₁为推算出的接收到第一次闪电时的移动平台的位置，所述的S₂为推算出的接收到第二次闪电时的移动平台的位置；

所述的利用闪电信号推算S₁和S₂的步骤如下：

将P点按照向量S₁’S₂’平移到P’点；

以P’为圆心，以cΔt₁做圆，以Q点为圆心，以cΔt₂为半径做圆，两个圆必有交点，所述的交点即为S₂(一个或者两个)；若交点唯一，则S₂为所求，若交点不唯一，按照向量S₁’S₂’的方向就能够排除其中一个，筛选出唯一点S₂；

交点问题转化为方程求解的问题，解下列方程组得到S₂点的坐标：

所述的S₂点的坐标由两次发生闪电的位置确定，所述的S₁的位置由S₂位置按照向量S₂’S₁’，所述的S₁的解与S₂相对应，所述的S₁的坐标和S₂的坐标都是由两次闪电发生的位置确定的；

所述的所有点的坐标均用经纬度表示，(1)式中Δx_b和Δy_b分别表示第一次闪电发生的实际位置与闪电定位网(WWLLN)给出位置的经度偏移量和纬度偏移量，Δx_q和Δy_q分别表示第二次闪电发生的实际位置与闪电定位网(WWLLN)给出位置的经度偏移量和纬度偏移量，并且满足如下关系：

[Δx_b]²+[Δy_b]²＝[Δx_q]²+[Δy_q]² (2)

所述的利用闪电信号定位的移动平台的位置误差距离可有下列方程计算，设S₁(x₁,y₁)，S₁’(x₁’,y₁’)，S₁与S₁’之间的距离误差为：

其中R为地球半径，6371km；对于θ有

d单位为km；

同样的，所述的S₂(x₂,y₂)与S₂’(x₂’,y₂’)之间的距离误差亦可以按照上述方法得到；

分析距离误差产生的原因，对于所述的S₂点的距离误差，主要来源于闪电定位网(WWLLN)两次闪电位置的定位误差和矢量S₁’S₂’的准确度，矢量S₁’S₂’的准确度主要取决于移动平台定位系统GPS的精度，闪电发生的时间(精度1微秒)和移动平台探测的闪电信号的时间(精度1微秒)，计算过程不考虑移动平台本身的定位误差，由方程组1能够解出S₂的解由两部分组成，表示为

所述的方程式(4)的第二部分表示由于闪电定位网的误差引起S₂点位置与真实位置的偏移量，通过解算上述方程组建立起S₂与S₂’之间的距离误差d与闪电定位网定位误差的关系。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：由闪电定位网提供的闪电信号以及闪电信号到达移动式磁感应探测平台的时间来确定时间差，通过该时间差计算出移动式磁感应探测平台与闪电信号距离；

所述闪电信号包括闪电的绝对时间和闪电发生地所在的经纬度；

步骤2：已知移动式磁感应探测平台的移动速度和移动方向，连续二次有效闪电信号结合步骤一的计算结果即可唯一确定移动式磁感应探测平台运动的地理位置；

步骤3：利用计算得到的所述地理位置与移动式磁感应探测平台GPS提供的地理位置坐标信息进行比较，即可得出闪电信号对移动式磁感应探测平台的定位精度；

步骤4：利用步骤3中得到的定位精度反推出闪电定位网提供的闪电信号的精度，以达到对闪电定位网精度的评价。

2.根据权利要求1所述的基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，其特征在于：移动式磁感应探测平台包括：磁信号感应模块、数据采集模块、GPS授时定位模块、以及电源供电模块；

所述磁信号感应模块采样带宽为2KHz-30KHz，增益为0.4V/nT。

3.根据权利要求2所述的基于动态测量的闪电定位网精度评估方法，其特征在于：所述GPS授时定位模块能够准确提供移动式低频磁感应探测平台的实时位置和精确时间。