CN112858979B - 基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法，包括以下步骤：首先建立雷暴云点电荷定位海拔校正模型，定义校正参数；然后利用三维大气电场仪，测得三维大气电场分量；最后推导出海拔校正后的点电荷坐标计算公式。基于间接测量误差理论，研究大气电场仪所在位置的海拔高度对雷暴云点电荷定位性能的影响，对校正前后的定位误差进行比较分析。本发明在雷暴监测领域可以显著降低了在单个大气电场仪下获取雷暴云方位数据的误差，通过数据证明，相比于校正前，该方法在实际应用中具有更好的性能，减少了海拔对雷暴云点电荷定位性能的负面影响，为雷暴云预报预警研究提供了一种新的误差补偿手段。

Description

基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法

技术领域

本发明涉及一种雷电探测方法，尤其涉及一种基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法。

背景技术

在日常生活中，避雷针可以有效减少了雷电灾害带来的经济损失，但这些属于被动防雷范畴，无法准确预报雷电发生的时间和位置。近些年雷电预警技术得到了快速发展，通过分析晴天和雷暴天气时三维大气电场的时域特征，为雷暴发生阶段追踪雷暴云运动轨迹提供了一种思路，然而，现有的研究在促进基于三维大气电场测量的雷暴云探测工作的同时，忽略了大气电场仪所在位置的海拔高度对雷暴云点电荷定位精度的负面影响，在预测精度上面难有显著的突破。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种显著降低雷暴云方位数据误差的基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法。

技术方案：本发明的基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法，包括以下步骤：

步骤一、建立雷暴云点电荷定位海拔校正模型，以N点为坐标原点，建立三维直角坐标系，其中，S(x,y,z)为海拔校正前雷暴云点电荷所在位置；N(0,0,0)为三维大气电场仪观测点所在位置；海拔校正点M(0,0,-h)为电场仪所在Z轴与海平面的交点；h表示大气电场仪自身高度与其所处位置的海拔之和，海拔校正前的雷暴云点电荷水平偏角和仰角分别为α，β；r为点电荷S到电场仪N的距离；

步骤二、大气电场仪在N处，测得S的电场强度为E，由大气电场仪测得x、y、z方向上校准前的电场分量分别为E_x、E_y、E_z；

步骤三、在测点M处，得到S的电场强度为E'；对电场分量E_x、E_y、E_z进行校准，校准后的电场分量分别为E_x'、E_y'、E_z'，校正后的点电荷水平偏角和仰角分别为α'，β'，r'为S到M的距离；

步骤四、海拔校正后的点电荷S的球坐标为S'(r',α',β')，根据三维直角坐标系的矢量关系得到校正后的点电荷直角坐标S'(x',y',z')；

步骤五、通过仿真对比分析海拔校正前后的测距误差。

进一步地，步骤一中，所述海拔校正前雷暴云点电荷所在位置S(x,y,z)与α、β、r的关系分别为：

其中，

进一步地，步骤三中，所述校正后的三维电场分量E_x'、E_y'、E_z'分别为：

由式(3)进一步得到：

其中，

进一步地，步骤四中，海拔校正后的点电荷球坐标S'(r',α',β')为：

其中，

进一步地，步骤四中，根据矢量关系，校正后的点电荷直角坐标S'(x',y',z')为：

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明提出了一种基于三维大气电场测量的点电荷定位海拔校正方法，在雷暴监测领域可以显著降低了在单个大气电场仪下获取雷暴云方位数据的误差，通过数据证明，相比于校正前，该方法在实际应用中具有更好的性能，减少了海拔对雷暴云点电荷定位性能的负面影响，为雷暴云预报预警研究提供了一种新的误差补偿手段。

附图说明

图1为本发明雷暴云点电荷定位海拔校正模型图；

图2为本发明雷暴云点电荷到校正点距离、校正高度与测距误差的关系图；

图3为本发明海拔校正前后雷暴云点电荷定位测距误差对比图；

图4为本发明雷暴云点电荷到校正点距离、校正高度与水平偏角测量误差的关系图；

图5为本发明海拔校正前后雷暴云点电荷定位水平偏角测量误差对比图；

图6为本发明雷暴云点电荷到校正点距离、校正高度与仰角测量误差的关系图；

图7为本发明海拔校正前后雷暴云点电荷定位仰角测量误差对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提供一种基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法，包括如下步骤：

一、建立雷暴云点电荷定位海拔校正模型，其具体为：

如图1所示，建立的雷暴云点电荷定位海拔校正模型中，以N点为坐标原点，建立三维直角坐标系，其中：S(x,y,z)为海拔校正前雷暴云点电荷所在位置；N(0,0,0)为三维大气电场仪观测点所在位置；海拔校正点M(0,0,-h)为电场仪所在Z轴与海平面的交点；h表示大气电场仪自身高度与其所处位置的海拔之和，记为校正高度h。海拔校正前的雷暴云点电荷水平偏角和仰角分别为α，β；r为点电荷S到电场仪N的距离；在大气电场仪N处，测得S的电场强度为E，由大气电场仪测得x、y、z方向上校准前的电场分量分别为E_x、E_y、E_z，校准后的电场分量分别为E_x'、E_y'、E_z'。校正后的点电荷水平偏角和仰角分别为α'，β'；r'为S到M的距离；在测点M处，得到S的电场强度为E'；海拔校正后的点电荷S的球坐标为S'(r',α',β')。

二、提出一种基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法，其具体为：

在建立雷暴云电场测量模型的基础上，利用镜像法得到了未进行海拔校正的三维大气电场分量与雷暴云点电荷球坐标(r,α,β)、直角坐标(x,y,z)的关系分别为：

其中，

基于图1所示模型，得到校正后的三维电场分量E_x'、E_y'、E_z'分别为：

由式(3)进一步得到：

其中，

利用式(4)，得到海拔校正后的点电荷球坐标S'(r',α',β')为：

根据图1所示矢量关系，校正后的点电荷直角坐标S'(x',y',z')为：

根据上述方法，以下对基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法从测距测向方面进行性能分析：

基于间接测量误差理论，分析大气电场仪所在位置的海拔高度对雷暴云点电荷定位测距测向精度的影响，进一步研究点电荷定位性能。另外，设大气电场分量测量标准偏差均为

利用雷暴云点电荷S与校正点M的距离r'，校正后的雷暴云水平偏角α'、仰角β'的计算公式，由电场分量测量误差

引起距离r'，水平偏角α'，仰角β'的测量误差σ_r，σ_α，σ_β为：

由式(7)可知，测距误差σ_r与距离r'、高度h、仰角β'和电场测量误差

均有关，仅与水平偏角α'无关；同样地，测向误差σ_α，σ_β也是如此，仅与水平偏角α'无关；雷暴云点电荷S到校正点M的距离r'、校正高度h和电场测量误差

越小，点电荷定位测距测向精度越高。对式(7)的分析，可初步判断，高度h与测距测向误差存在相关性，未考虑高度h进行定位性能分析是不准确的。特别地，结合式(7)，较大的高度h会对定位性能产生负面影响。

1、雷暴云点电荷定位测距性能分析

利用式(7)，研究距离，校正高度与测距误差的关系，仿真结果如图2所示。图2中，测距误差σ_r均随着距离r'和校正高度h的增大而增大；当距离r'在0到0.6km时，误差σ_r受高度h的影响较小，σ_r几乎为零；当距离r'大于0.6km时，误差σ_r随着高度h的增大而缓慢增大，最大达到0.061km。无论高度h取值如何，误差σ_r均会随着距离r'的增加而增大。

为研究高度对点电荷定位测距性能的影响，通过仿真对比分析海拔校正前后的测距误差，结果如图3所示。从图3看出，当校正高度一定时，测距误差σ_r随距离r'的增大而增大，特别是海拔校正前的测距误差变化地更为剧烈，最大误差达到0.053km。能够发现，虽然校正后的测距误差σ_r仍存在，但是其随距离r'的变化较为缓和，且相比于校正前，由间接测量带来的测距误差更小。特别是，当校正高度越小时，测距误差σ_r也越小，最大高度h为0.1km时的误差仅为0.038km。因此，在实际实验中，将三维大气电场仪置于较空旷的低海拔处进行雷暴云探测，会有更好的点电荷定位测距效果。

2、雷暴云点电荷定位测向性能分析

研究距离r'，校正高度h与水平偏角测量误差σ_α的关系，仿真结果如图4所示。图4中，随着距离r'和校正高度h的增大，水平偏角测量误差σ_α也随之增大。当距离r'在0到0.6km时，误差σ_α受高度h影响较小，误差σ_α小于0.005度；当距离r'大于0.6km时，误差σ_α随高度h的增加而缓慢增加，最大达到0.061度。当高度h处于0到0.05km时，误差σ_α几乎不受距离r'影响，σ_α小于0.038度；而当距离r'和高度h均较大时，误差σ_α随着两者的增大而骤升至0.061度。

为进一步研究高度h对水平偏角测量的影响，通过仿真对比分析海拔校正前后的水平偏角误差，结果如图5所示。图5中，海拔校正前后的水平偏角测量误差σ_α均随距离r'的增大而增大，特别是当距离r'大于1km时，海拔校正前的误差急剧增大，最大骤升至0.093度。相反地，随着距离r'的增大，校正后的误差增加的较缓，校正高度h为0.1km时的最大误差仅为0.038度。此外，不难发现，校正高度越小，海拔校正方法对测向性能的积极影响越大。

同样地，研究距离r'，校正高度h与仰角测量误差σ_β的关系，仿真结果如图6所示。图6中，仰角测量误差σ_β均随距离r'和校正高度h的增大而增大；当距离r'在0到1km时，误差σ_β受高度h影响较小，误差σ_β小于0.001度；而当距离r'大于1km时，随着高度h的增大，误差σ_β爬升速度随h的增大而变快，特别当h取到0.5km时，σ_β达到最大值0.0087度。此外，当高度h小于0.1km时，误差σ_β几乎不受距离r'影响，σ_β小于0.0013度，而当h大于0.1km时，随着距离r'的增大，误差σ_β也会增大，特别是h越大导致该变化越剧烈。

进一步地，通过仿真对比分析海拔校正前后的仰角误差，结果如图7所示。图7中，随着距离r'的不断增大，校正前的仰角测量误差σ_β增加的愈加剧烈，当r'增加至2km时，误差σ_β爬升至0.0425度。相比之下，海拔校正方法表现出了很好的校正效果。校正后的误差σ_β几乎不随r'的变化而变化。当r'大于1.2km时，相比于0.02km的校正高度，进一步增大高度h会引起误差σ_β的小幅增大，但最大误差仅为0.001度，仍处于较小的误差水平。

综上所述，海拔校正前后的水平偏角测量误差和仰角测量误差均存在，但校正后的误差得到了有效降低，特别是对减小仰角误差具有更好的效果。结合图1可知，海拔校正与否主要影响雷暴云点电荷到校正点距离和仰角的测量，引入海拔校正方法后，能较好地提升雷暴云点电荷定位测距测向性能。

Claims (1)

1.一种基于三维大气电场测量的雷暴云点电荷定位海拔校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立雷暴云点电荷定位海拔校正模型，以N点为坐标原点，建立三维直角坐标系，其中，S(x,y,z)为海拔校正前雷暴云点电荷所在位置；N(0,0,0)为三维大气电场仪观测点所在位置；海拔校正点M(0,0,-h)为大气电场仪所在Z轴与海平面的交点；h表示大气电场仪自身高度与其所处位置的海拔之和，海拔校正前的雷暴云点电荷水平偏角和仰角分别为α，β；r为点电荷S到大气电场仪N的距离；

步骤二、大气电场仪在N处，测得S的电场强度为E，由大气电场仪测得x、y、z方向上校正前的电场分量分别为E_x、E_y、E_z；

步骤三、在海拔校正点M处，得到S的电场强度为E'，对电场分量E_x、E_y、E_z进行校正，校正后的电场分量分别为E_x'、E_y'、E_z'，校正后的点电荷水平偏角和仰角分别为α'、β'，r'为S到M的距离；

步骤四、海拔校正后的点电荷在S处的球坐标为S'(r',α',β')，根据三维直角坐标系的矢量关系得到校正后的点电荷直角坐标S'(x',y',z')；

步骤五、通过仿真对比分析海拔校正前后的测距误差；

步骤一中，所述海拔校正前雷暴云点电荷所在位置S(x,y,z)与α、β、r的关系分别为：

其中，

步骤三中，所述校正后的三维电场分量E_x'、E_y'、E_z'分别为：

由式(3)进一步得到：

其中，

步骤四中，海拔校正后的点电荷球坐标S'(r',α',β')为：

其中，

根据矢量关系，校正后的点电荷直角坐标S'(x',y',z')为：

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