DE102004000024B4

DE102004000024B4 - System und Verfahren zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch elektromagnetische Strahlung anfallenden Daten und Informationen

Info

Publication number: DE102004000024B4
Application number: DE102004000024.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Oettinger Wolf Peter
Original assignee: NOWCAST GmbH
Current assignee: NOWCAST GMBH, DE
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: DE102004000024A1

Abstract

Verwendung eines Antennenkörpers (30) für eine Messstation (20) zum Einsatz bei der Blitzortung aufweisend: – einen mechanisch selbsttragenden Kupferring geeignet in mechanisch stabiler Weise zur Aufstellung im Freien ohne bewegliche Komponenten und ohne wetterempfindliche Teile, – einen Stromwandler, der als Störspannungssonde dient und als passives Bauteil ausgestaltet ist, – wobei der Primärkreis des Antennenkörpers (30) vom Sekundärkreis des Antennenkörpers (30) galvanisch getrennt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung eines Antennenkörpers für eine Messstation zum Einsatz bei der Blitzortung mit einen mechanisch selbsttragenden Kupferring geeignet in mechanisch stabiler Weise zur Aufstellung im Freien ohne bewegliche Komponenten und ohne wetterempfindliche Teile.
Aus der Druckschrift EP 0 120 991 A2 ist ein Verfahren zur Vorwarnung von Patienten mit klimatisch beeinflussten Krankheiten, wie zum Beispiel Epilepsie oder Herzinfarkt, und eine Schaltungsanordnung hierzu bekannt.
Zur Vorwarnung derartiger Patienten vor anfallsbegünstigenden Bedingungen werden gemäß der Druckschrift EP 0 120 991 A2 die sinoidalen Sphärikimpulse einer Frequenz von 28 Kilohertz und die sinoidalen Sphärikimpulse einer Frequenz von zehn Kilohertz mittels eines Sphärikselektors gemessen, die Impulsrate dieser Sphärikimpulse über einen vorbestimmten Zeitraum ermittelt und die Differenz der Impulsraten der Sphärikimpulse von 28 Kilohertz und der Sphärikimpulse von zehn Kilohertz gebildet. Bei Überwiegen der Sphärikimpulse von 28 Kilohertz werden Kommunikationseinrichtungen zur Vorwarnung von Patienten betätigt.
In der Druckschrift EP 0 128 572 A2 sind ein Verfahren zum Überwachen des Wettergeschehens mittels Analyse der Bewegungen von Luftmassen sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens offenbart.
Gemäß der Druckschrift EP 0 128 572 A2 werden die Bewegungen von Luftmassen bestimmt, indem in der Atmosphäre entstehende elektromagnetische Strahlung mittels richtungsselektiver VLF-Empfangsanlagen empfangen wird und die in verschiedenen Frequenzbändern auftretenden Ereignishäufigkeiten bestimmt, verglichen und angezeigt werden.
Aus der Druckschrift DE 41 33 209 A1 ist ein Verfahren zur Verwertung der durch elektromagnetische Strahlen natürlichen Ursprungs anfallenden Daten zur Lokalisation und Vorhersage meteorologischer Prozesse und zur Gewinnung biometeorologischer Informationen bekannt.
Mittels mindestens zweier rechtwinklig angeordneter Spulen, die im Kurzschluss betrieben ein frequenzunabhängiges Maß für die Stärke der jeweiligen Magnetfeldkomponenten liefern, und mittels der gleichzeitigen Messung des elektrischen Felds wird gemäß der Druckschrift DE 41 33 209 A1 die Empfangsrichtung derartiger Signale ermittelt, wobei der Ursprungsort dieser Signale durch Kreuzpeilung mittels mindestens zweier weiterer, in hinreichend großem Abstand betriebener Messstationen bestimmt wird.
In der Druckschrift DE 195 14 465 A1 ist ein Analysator für Sphericssignale offenbart, der einen Signaleingang und eine Verarbeitungs-/Aufbereitungseinrichtung für eingehende Sphericssignale sowie einen Ergebnissignalausgang enthält; die Verarbeitungs-/Aufbereitungseinrichtung ist mit einer Fuzzy-Logik-Einheit versehen.
Aus der Druckschrift WO 98/58279 A1 ist ein elektromagnetisches Messsystem für die Meteorologie bekannt, das eine Mehrzahl von Messstationen enthält, die räumlich verteilt in einem vorgegebenen Raumgebiet angeordnet sind.
Jede Messstation enthält zumindest einen Sphäricsempfänger zum Empfangen eines Sphäricssignals und eine Übertragungseinrichtung zum Übermitteln von in den Messstationen vorliegenden und aus den Sphäricssignalen abgeleiteten Messdaten an eine den Messstationen zugeordnete zentrale Auswerteeinheit, wobei der mittlere Abstand jeweils benachbarter Messstationen zur flächendeckenden Erfassung kurzreichweitiger Sphäricssignale gemäß der Druckschrift WO 98/58279 A1 weniger als fünfzig Kilometer beträgt.
Ein Verfahren zur Erkennung eines Gewitterherds und zu dessen Analyse mittels schon vorhandener Daten bzw. mittels Daten aus vorhandenen Messeinrichtungen (sogenanntes Stormscope) ist aus der Druckschrift DE 695 24 355 T2 bekannt. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch nicht die Vorhersage und die Früherkennung von klimatologischen und/oder meteorologischen Vorgängen, sondern dient lediglich zur Erkennung und Lokalisierung eines bereits bestehenden Gewitterherds.
Aus der Druckschrift US 4 841 304 ist ein Blitzmesssystem bekannt, das eine Echtzeitbestimmung von Blitzen ermöglicht. Bei diesem bekannten System wird die Technik der Interferometrie angewendet. Mittels Interferometrie wird eine Strahlungsquelle, zum Beispiel ein Blitz, mit mehreren unabhängigen Teleskopen simultan beobachtet und aus der Überlagerung der Einzelbeobachtungen die räumliche Struktur der Quelle rekonstruiert. Zu diesem Zweck sind beim beschriebenen Blitzmesssystem pro Sensorstation mindestens drei Einzelantennen vorgesehen, die in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge versetzt sind. Diese Anordnung ist nur bei Messungen im V[ery]H[igh]F[requency]-Bereich möglich. Des Weiteren werden die Berechnung von Peilwinkeln aus interferometrischen Informationen sowie die beschriebene Methode der Zeitmarkierung als aufwändig angesehen.
Im Speziellen wird beim in der Druckschrift US 4 841 304 beschriebenen Blitzmesssystem eine untere Signalschwelle definiert, die von ein ankommenden Signal überschritten werden muss, um in die Analysekette zu gelangen. Diese Schwelle kann auf eine gewünschte Höhe fest voreingestellt werden. Zudem kann sich die Schwelle automatisch von der Standard-Voreinstellung nach oben und zurück regeln, je nach Menge des Datenanfalls oder nach Stärke der gemessenen Signale. Wenn mehr Signale ankommen als verarbeitet werden können bzw. wenn die ankommenden Signale sehr stark sind, dann erhöht sich die Schwelle. In einer solchen Situation entsteht Datenverlust.
Aus der (einen früheren Zeitrang aufweisenden, jedoch nach dem vorliegend in Anspruch genommenen Zeitrang veröffentlichten) Druckschrift DE 102 17 412 A1 ist ein System bekannt, das zur Vorhersage von Erdbeben und von Vulkanausbrüchen sowie zur Ortung von Epizentren mittels Sferics-Spektrumanalyse dient. Mittels dieses Systems wird das ständig vorhandene allgemeine Rauschen kontinuierlich gemessen, wobei keine Unterscheidung zwischen dem allgemeinen Rauschen und diskreten einzelnen Impulsen, die von speziellen einzelnen Ladungsereignissen herrühren und nur gelegentlich auftreten, möglich. Der Messbereich dieses bekannten Systems liegt bei etwa zwanzig Hertz bis etwa zwanzig Kilohertz.
Die US 5 771 020 A zeigt ferner ein Blitz-Erfassungssystem zum Erfassen und Lokalisieren einer anfänglichen Entladung eines anfänglichen ersten Blitzschlags eines Blitzes. Eine anfängliche Entladung eines Blitzes erzeugt einen Impuls, welcher dazu verwendet werden kann, um den Blitz, und insbesondere den Ort der anfänglichen Blitz-Entladung, präzise zu erfassen. Dazu erfassen und bestimmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der US 5 771 020 A mindestens drei Sensoren den Ort der ersten Impulse ausgehend von anfänglichen Blitz-Entladungen durch die Verwendung der Zeitdifferenz der Informationsankunft der Impulse an jedem der drei Sensoren.
Zudem offenbart PARMIGIANI, Roberto; PARMIGIANI, Claudio; SELERI, Gabriele: VLF antenna „BIKELOOP”. URL: http://www.vlf.it/bikeloop/bykeloop.htm einen durch zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Spulen ausgebildeten Antennenkörper, welcher dazu eingerichtet ist VLF-Wellen (englisch very low frequency) ausgehend von natürlichem und/oder nicht natürlichem Ursprung zu empfangen.
Aufgabenstellung
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines Antennenkörpers für eine Messstation zum Einsatz bei der Blitzortung so weiterzuentwickeln, dass die Sensitivität zur Erfassung der elektromagnetischen Strahlung möglichst hoch ist und gleichzeitig möglichst wenige Störsignale erfasst werden. Dies soll insbesondere dem Ziel dienen, sowohl das allgemeine Wettergeschehen als auch besondere klimatologische und/oder meteorologische Ereignisse mit größtmöglicher Präzision insbesondere kurzfristig oder mittelfristig zu prognostizieren, wobei es optionalerweise möglich sein soll, auch klimatologische und/oder meteorologische Daten und Informationen aus der Vergangenheit heranzuziehen.
Darstellung der Erfindung: Lösung, Vorteile
Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines Antennenkörpers für eine Messstation zum Einsatz bei der Blitzortung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Offenbarungsgemäß weist das System also mindestens eine selbstregulierende, insbesondere automatisch operierende, Schwelle auf, mittels derer die Sensitivität der Stationselektronik, insbesondere der Filtereinheit, in Abhängigkeit vom auftretenden Rauschen, insbesondere vom statistischen Rauschpegel, eingestellt, insbesondere optimiert, werden kann.
Offenbart wird weiter ein System sowie ein Verfahren zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch, insbesondere niedrigfrequente, elektromagnetische Strahlung natürlichen und/oder nicht natürlichen Ursprungs anfallenden Daten und Informationen, wobei insbesondere fortlaufend der jeweils vorhandene Rauschpegel ermittelt und demzufolge die Signalschwelle automatisch auf den geringstmöglichen Wert eingeregelt wird (noch tiefere Schwellwerte würden zu ständiger Signalanalyse Anlass geben; höhere Schwellwerte würden signifikanten Datenverlust bedeuten).
Es wird somit vorzugsweise ständig das insbesondere statistische Rauschen gemessen und die Registrierschwelle für echte Signale möglichst gering eingestellt. Dies ermöglicht eine optimale Erfassung schwacher echter Signale.
Demgegenüber verfügen herkömmliche Systeme aus dem Stand der Technik über einen ganz anderen Automatismus, der die Schwelle hochfährt, wenn die Signalrate zu sehr ansteigt; eine derartige konventionelle Vorgehensweise kann jedoch allenfalls als Notlösung angesehen werden, um Systemüberlastungen zu vermeiden; hierbei gehen jedoch alle Signaldaten verloren, die dann noch unter die erhöhte Schwelle fallen, obwohl derartige Signaldaten noch deutlich über dem Rauschen liegen und somit eigentlich gemessen werden könnten.
Das System weist eine Mehr- oder Vielzahl von zum Beispiel gemäß einem Raster oder Schema auf der Erdoberfläche angeordneten, das heißt in der Landschaft verteilten Messstationen sowie mindestens eine Zentrale oder Zentralstation auf, die mit den Messstationen in jeweils vorzugsweise bidirektionaler, insbesondere drahtgebundener und/oder drahtloser Verbindung steht.
Offenbarungsgemäß werden zunächst der elektromagnetischen Strahlung zuordbare Signale mittels mindestens eines insbesondere breitbandigen, der Messstation zugeordneten Antennenkörpers erfasst, wobei die elektromagnetische Strahlung aus mindestens einer Impulsquelle natürlichen und/oder nicht natürlichen Ursprungs, insbesondere aus mindestens einer atmosphärischen Entladung bzw. von mindestens einem Sender, stammt.
Die mittels des Antennenkörpers erfassten Signale werden von mindestens einer separat vom Antennenkörper angeordneten, der Messstation zugeordneten Stationselektronik zu den Daten und Informationen verarbeitet.
Hierzu ist die Stationselektronik der einzelnen Messstationen

– mit mindestens einer Verstärkereinheit zum rauscharmen Verstärken der mittels des jeweiligen Antennenkörpers erfassten Signale,
– mit mindestens einer Filtereinheit zum Filtern der mittels der Verstärkereinheit verstärkten Signale, insbesondere im Hinblick auf zum Beispiel von Radiosendern stammende technische Störsignale, sowie
– mit mindestens einer A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit zum Wandeln der mittels der Filtereinheit gefilterten Signale in digitale Ausgangssignale ausgerüstet.

Optionalerweise ist in der Stationselektronik mindestens eine Blockpuffereinheit vorgesehen, die mit den Signalen, insbesondere mit den digitalen Ausgangssignalen der A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit, beaufschlagbar ist und erforderlichenfalls für ein Zwischenspeichern dieser Signale, insbesondere dieser digitalen Ausgangssignale, für den Fall ausgelegt ist, dass – zum Beispiel bei einem heftigen Gewitter – ein besonders starker Signaldatenstrom anfällt und mithin von der Stationselektronik zu verwerten ist.
Mittels mindestens eines der Stationselektronik ebenfalls zugeordneten Auslesemittels können die den Blockpuffer durchlaufenden und/oder (im Falle einer die Analysekapazität momentan übersteigenden Signaldatenmenge) zwischengespeicherten Signale insbesondere fortlaufend abgerufen werden.
Vorteilhafterweise ist die Stationselektronik mit mindestens einem dem Auslesemittel nachgeschalteten Signalanalysemittel

– zum Analysieren und/oder zum Weiterverarbeiten der vom Auslesemittel ausgelesenen Ausgangssignale des Blockpuffers sowie
– zum insbesondere fortlaufenden Ermitteln des Rauschpegels ausgestattet.

Zum Ermitteln zumindest eines in Abhängigkeit vom ermittelten Rauschpegel optimalen Schwellwertes für die selbstregulierende Schwelle ist vorteilhafterweise mindestens ein Schwellenermittlungsmittel vorgesehen. In diesem Fall wird die selbstregulierende Schwelle mit diesem ermittelten optimalen Schwellenwert beaufschlagt.
Die von der Stationselektronik verarbeiteten Daten und Informationen können sodann optionalerweise in mindestens einer der Messstation zugeordneten Speichereinheit gespeichert werden.
Zumindest ein Teil, insbesondere mindestens ein ausgewählter Parameter, der von der jeweiligen Messstation erfassten, verarbeiteten und gespeicherten Daten und Informationen wird an die Zentralstation übermittelt.
Um ein Einordnen und Bewerten der aktuell ermittelten klimatologischen und/oder meteorologischen Daten und Informationen in einen ”historischen Kontext”, das heißt einen Rückgriff auf klimatologische und/oder meteorologische Erfahrungswerte aus der Vergangenheit zu ermöglichen, können in der Zentralstation die übermittelten Daten und Informationen zu historischen, insbesondere mittels Langzeitmessung gewonnenen Daten und Informationen in Bezug gesetzt werden, wobei die übermittelten Daten und Informationen zum Beispiel mittels M[odel]O[utput]S[tatistics] bewertet werden (die Technik der M[odel]O[utput]S[tatistics] wird zum Beispiel in der Veröffentlichung von Gil Ross, ”Forecasters consult this MOS rather than seaweed!” in nwp gazette, September 1994, allgemein beschrieben; vgl. http://www.metoffice.gov.uk/research/nwp/publications/nwp_gazette/sept94/mos.html).
In diesem Zusammenhang liegt dem Prinzip der M[odel]O[utput]S[tatistics], das heißt statistischen Postprozessoren der Gedanke zugrunde, statistische Beziehungen zwischen Zeitreihen von Modellvorhersagen und örtlichen Beobachtungen zu finden. Auf diese Weise können systematische Vorhersagefehler des Modells ausgeglichen werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass für die Durchführung von M[odel]O[utput] S[tatistics] zunächst für einen bestimmten Ort und für eine bestimmte vorherzusagende Größe aus einem möglichst großen und repräsentativen Datenkollektiv an Vorhersagedaten und Messwerten der interessierenden Größe am Ort eine multiple lineare Regression, also eine Vorhersagegleichung der Form Y = a₀ + a₁·X₁ + a₂·X₂ + ... + a_k·X_k entwickelt wird.
Hierbei ist

– Y der Prädiktand, das heißt die vorherzusagende Größe,
– die a_i (mit index i = 0, 1, 2, ..., k) sind die Regressionskoeffizienten bzw. Regressionskonstanten und
– die X (mit Index i = 0, 1, 2, ..., k) sind die Prädiktoren, das heißt die bekannten Modellgrößen.

In diesem Zusammenhang soll die Zeitreihe der M[odel]O[utput]S[tatistics]-Prognosen die Zeitreihe der Beobachtungen möglichst gut approximieren.
In einem zweiten M[odel]O[utput]S[tatistics]-Schritt wird diese aus einem Basiskollektiv von Daten ermittelte Gleichung auf ein unabhängiges Kollektiv angewandt.
Die ermittelten Regressionsgleichungen hängen unmittelbar mit einem sinnvollen Angebot an Prädiktoren zusammen; je besser die den Verlauf bzw. die Intensität der vorherzusagenden Größe bestimmenden physikalischen Prozesse durch die verwendeten Prädiktoren wiedergegeben werden, desto größere Erfolge werden erzielt.
Durch die Anwendung von M[odel]O[utput]S[tatistics] wird ein Abgleich der vorhergesagten Daten und Informationen mit den gemessenen Daten und Informationen vorgenommen. Hierdurch wird der systematische Fehler der Vorhersage verringert, während Fluktuationen durch dieses Prinzip nicht vermindert werden.
Der Anwendung von M[odel]O[utput]S[tatistics] liegt eine im Idealfall mehrjährige Daten-/Informationsbasis von Messungen, zumindest aber Daten und Informationen aus einem Jahr zugrunde. Die Verifizierung erfolgt zweckmäßigerweise an einem anderen Zeitabschnitt, als bei der Erstellung verwendet worden ist.
Die Anwendung der M[odel]O[utput]S[tatistics]-Technik auf Blitzdaten (Sferics) ist dann besonders effizient und zielführend, wenn sehr große Datenmengen an Eingangssignalen vorliegen.
Zudem ist vorstellbar, dass anstelle eines einfachen M[odel]O[utput]S[tatistics]-Prinzips (sogenannte ”MOS nullter Ordnung”) unter anderem auch folgende kompliziertere Postprozessoren eingesetzt werden können:

– bei Einsatz eines oder mehrerer neuronaler Netze als statistischer Postprozessor, zum Beispiel für die Leistungsvorhersage von Windkraftanlagen, dient die Zeitreihe der gemessenen Windgeschwindigkeit und der gemessenen Windrichtung als Trainingsmenge, um als Ausgabe eine Vorhersage des Winds, zum Beispiel in 48 Stunden, liefern zu können; alternativ kann anstelle der Winddaten auch mit gemessenen und vorhergesagten Leistungsdaten trainiert werden; allerdings erscheint hier eine lineare Abhängigkeit zwischen Messwerten und Vorhersagen ausreichend;
– bei Einsatz adaptiver M[odel]O[utput]S[tatistics]-Verfahren ist in Anbetracht der nicht-stationären Natur der Atmosphäre zu erwarten, dass die für M[odel]O[utput]S[tatistics] verwendeten Parameter zeitlich variieren; aus diesem Grunde kommen für M[odel]O[utput]S[tatistics] auch adaptive Verfahren wie insbesondere erweiterte Kaiman-Filter und die Methode der rekursiven kleinsten Quadrate in Betracht, bei denen die MOS-Parameter entwickelt werden; der Grundgedanke bei diesen Methoden ist, dass nur Daten und Informationen innerhalb des Zeitfensters einer festgelegten Breite in die Berechnung der Regressionsparameter einfließen; auf diese Weise werden jeweils die neuesten verfügbaren Daten verwendet, während alte Daten, die aufgrund von neuen Vorhersagemodellen nicht mehr gelten, nicht berücksichtigt werden.

Wenn es sich bei der Nutzung von M[odel]O[utput]S[tatistics] zur Datenveredlung um ein zweitrangiges Verfahren handelt, so wird primär zunächst eine breite Datenbasis bereitgestellt, die sich anschließend für die Einspeisung in M[odel]O[utput]S[tatistics]-Verfahren eignet, auch im quasi Online-Betrieb.
Im Übrigen kann insbesondere der Zentralstation mindestens eine Schnittstelle zugeordnet sein, mittels derer mindestens eine weitere klimatologische und/oder meteorologische Daten- und Informationsquelle eingebunden werden kann, um die insbesondere mittels M[odel]O[utput]S[tatistics] bewertbare Gesamtwettersituation zu charakterisieren.
Nicht zuletzt aufgrund des bevorzugten Einsatzes des vorbeschriebenen einfachen oder erweiterten M[odel]O[utput]S[tatistics]-Prinzips und der hierdurch verbesserten Auswertung der erfassten Signale können die Messstationen des vorliegenden Systems wie auch des vorliegenden Verfahrens in einem Abstand von etwa einhundert Kilometern zueinander angeordnet sein.
Dieser im Vergleich zur eingangs diskutierten Offenbarung gemäß der Druckschrift WO 98/58279 A1 relativ hohe mittlere Abstand der Messstationen zueinander wird insofern als erfreulich sowie vorteilhaft empfunden, als der Aufbau bzw. die Einrichtung sowie die laufende Wartung derartiger Messstationen relativ aufwändig sowie kostspielig ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des vorliegenden Systems ist der der Messstation zugeordnete Antennenkörper in mechanisch selbsttragender Form ohne bewegliche und/oder witterungssensitive Komponenten zum Aufstellen im Freien ausgelegt, wobei der Primärkreis des Antennenkörpers vom Sekundärkreis des Antennenkörpers galvanisch getrennt sein kann.
Darüber hinaus ist vorstellbar, dass der Sensor passiv und ohne Stromversorgung arbeitet. Dies spart im Vergleich zu bekannten System Fehlerquellen ein. Zudem kann der Sensor, wenn er passiv und ohne Stromversorgung arbeitet, deutlich höhere Datenraten verarbeiten, als dies bei früher beschriebenen oder existierenden Systemen aus dem Stand der Technik der Fall ist.
Da bei einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltung deutlich höhere Datenraten verarbeitet werden können, können Signale zeitlich früher gemessen werden, wodurch eine zuverlässige Gewitter-Frühwarnung ermöglicht wird.
Des Weiteren wird bei einer passiven Ausgestaltung des Sensors die Form von Gewitterzellen wesentlich besser sichtbar, weil aufgrund der hohen Empfindlichkeit um etwa eine Größenordnung (= um etwa Faktor 10) mehr Signale erfasst werden als in Systemen gemäß dem Stand der Technik. Damit werden die Zellenkonturen besser sichtbar, und eine neuartige meteorologische Nutzung der Daten wird ermöglicht. Insbesondere eignen sich diese Daten wegen ihrer großen Anzahl zur Einspeisung in andere meteorologische Anwendungen, wie zum Beispiel für eine Veredlung und Vorhersagenutzung mittels der M[odel]O[utput]S[tatistics]-Technik.
Die Erfassung der zum Beispiel

– zur Blitzmessung, zur Blitzortung und/oder zur Blitzwarnung bzw.
– zur Gewittermessung, zur Gewitterortung und/oder zur Gewitterwarnung oder allgemeiner
– zum insbesondere mobilen ForeCasting oder zum insbesondere mobilen NowCasting (= Wettervorhersage in Echtzeit bzw. in Realzeit mit prinzipiell beliebig vielen verschiedenen Datenquellen) erforderlichen Daten und Informationen der elektromagnetischen Strahlungen erfolgt erfindungsgemäß mit geringstmöglichem Verlust an Informationsgehalt und zu diesem Zweck hinreichend breitbandig, das heißt die elektromagnetischen Felder sind in vorteilhafter Weise breitbandig und rauscharm auskoppelbar und damit zeitgetreu messbar.

Die Peilgenauigkeit des Systems sowie des Verfahrens ist konventionellen Systemen auch hinsichtlich der Ortungsgenauigkeit überlegen. Die spezielle Art und Weise, wie die Einzelsignale erfasst, markiert und in Gruppen zueinander zugeordnet werden, produziert keine oder nur extrem wenige Fehlpeilungen, das heißt es werden keine Impulsquellen, insbesondere keine Blitzorte, angegeben in deren kilometerweiten Umgebung tatsächlich keine Impulse, insbesondere keine Blitze, aufgetreten sind. Bei konventionellen Systemen hingegen treten solche Fehlpeilungen regelmäßig auf.
Mithin kann bzw. können mittels der Stationselektronik zum Beispiel

– die typischerweise in einzelnen Wellenzügen auftretende elektromagnetische Strahlung in Bezug auf ihre spektralen Eigenschaften mittels F[ast]F[ourier]T[ransformation] analysiert werden (F[ast]F[ourier]T[ransformation] im Sensorsystem → Extraktion der relevanten Parameter),
– der jeweilige zeitliche Verlauf der Signale bei variablen Pulsformen vollständig erfasst werden,
– insbesondere auf Basis mindestens eines Algorithmus signalspezifische Parameter zum Klassifizieren sowie Zuordnen der Signale zu bestimmten, insbesondere atmosphärischen, Vorgängen ermittelt werden und/oder
– auch bei hohen Signalraten sämtliche Signale totzeitfrei erfasst werden.

Hingegen können bekannte Systeme nicht ohne Totzeit messen, denn bei den Sensoren gemäß dem Stand der Technik kann das System nach einer Signalerkennung für eine bestimmte (Verarbeitungs-)Zeit nicht auf weitere Signale reagieren. Daher tritt bei Systemen gemäß dem Stand der Technik bei hohen Signalraten Datenverlust ein. Dieser Mangel wird gemäß des vorliegenden Systems und des zugeordneten Verfahrens durch kontinuierliches Abtasten der, insbesondere den Blockpuffer durchlaufenden oder erforderlichenfalls im Blockpuffer gespeicherten, Signale behoben.
In Verbindung hiermit oder unabhängig hiervon können zudem eine totzeitfreie Sensormessung und/oder eine totzeitfreie Signalverarbeitung durch dieses kontinuierliche Abtasten bzw. durch die Nutzung eines oder mehrerer paralleler Verarbeitungskreise erreicht werden.
Dies bietet den Vorteil, dass das System etwa einhundert Signale pro Sekunde verarbeiten kann, wobei die totzeitfreie Erfassung im wesentlichen softwarebasiert erfolgen kann, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung der Pufferspeicherung; die anschließende Triggerung erfolgt über einen Erkennungsalgorithmus.
Hierbei kann vorteilhafterweise das Prinzip des präemptiven Multitaskings eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass zwei oder mehr Auswertungsprogramme parallel ausgeführt werden, wobei die Systemressourcen vom Betriebssystem kontrolliert und nach dem sogenannten Zeitscheiben-Verfahren auf die laufenden Anwendungen verteilt werden (beim Zeitscheiben-Verfahren wird die zur Verfügung stehende Leistung des Prozessors in einem Kreislauf-Verfahren verteilt; wie groß der jeweilige Anteil an dieser ”Scheibe” ist, hängt von den eingestellten Prioritäten ab; das Programm im Vordergrund erhält den größten Anteil).
Zur eigentlichen Verarbeitung der empfangenen Signale kommt pro Messstation, vorzugsweise jedoch aus Effizienz-, Kosten- und Wartungsgründen nur in der Zentralstation

– mindestens eine Auswerteeinheit, mittels derer die von den jeweiligen Messstationen übermittelten Daten und Informationen, insbesondere auch in hohen Raten und/oder insbesondere auch ohne zeitlichen Verlust, auswertbar sind, und
– mindestens eine Warneinheit zum Ausgeben abgestufter und/oder vollautomatischer Warnungen vor klimatologischen und/oder meteorologischen Vorgängen, insbesondere vor Gewittern, zum Einsatz.

Hierbei kann die Auswerteeinheit zum Beispiel durch mindestens einen Rechner gebildet sein, dessen Funktionen unter anderem

– in F[ast]F[ourier]T[ransformation],
– in der Ermittlung von Maxima im Spektrum sowie in der Ermittlung von deren jeweiliger Güte,
– in der Aufsummierung von Spektren,
– in der Lokalisation der meteorologischen Prozesse,
– in der Erstellung von speziellen Wetterprognosen für bestimmte Ortsbereiche,
– in der Erstellung einer Aktivitätslandkarte auf dem Bildschirm und/oder
– in der Erstellung von biometeorologischen Daten und dergleichen bestehen;
insbesondere kann auch eine objektive Differenzierung atmosphärischer Wolke-Wolke-Blitze/-Entladungen bzw. atmosphärischer Wolke-Erde-Blitze/-Entladungen vorgenommen werden.

Gemäß besonders vorteilhafter kombinierbarer oder unabhängig voneinander anordbarer Ausgestaltungen des Gesamtsystems sind zu dessen Eigenschaften

– die Möglichkeit zur Einstellung der Empfindlichkeit der Einzelstationen und der gewählten Dichte des Messnetzes zur Optimierung der Gewitterfrüherkennung,
– die Möglichkeit zur objektiven Differenzierung von Wolke-Wolke- und Wolke-Erde-Entladungen sowie
– mindestens eine Schnittstelle zur Einbindung anderer meteorologischer Daten und Informationen zur Charakterisierung von Gesamt-Wettersituationen zu zählen.

Zusammenfassend lassen sich die Vorteile des vorliegenden Systems und des zugeordneten Verfahrens wie folgt benennen:

(i) Optimale Erfassung schwacher echter Signale, denn die Signalschwelle wird automatisch in Abhängigkeit vom vorhandenen Rauschen auf den geringstmöglichen Wert eingeregelt. Die selbstregulierende Signalschwelle, die funktionell und/oder technisch von der totzeitfreien Erfassung und/oder vom parallelen Verarbeitungskreis unabhängig sein kann, ist hierbei üblicherweise nur bei zu hohem Datenanfall aktiv.

Eine wesentliche Funktion der Komponenten der selbstregulierenden Schwelle beinhaltet das adaptive Herausfinden der Rauschgrenze, was aufgrund statistischer Rauscheffekte, die beispielsweise durch die Unterschiede zwischen Tag- und Nachtgang und/oder durch Wettereffekte verursacht sind, erschwert wird. Hierbei ist zu konstatieren, dass bei der Vorgehensweise gemäß dem Stand der Technik die Triggergrenze angepasst wird, wohingegen gemäß des vorliegenden Systems und des zugeordneten Verfahrens eine Anpassung der Rauschschwelle erfolgt.

(ii) Die Geschwindigkeit des Transfers der Daten und Informationen ist gewährleistet, das heißt das vorliegende System wie auch das vorliegende Verfahren arbeitet nicht mit veralteten Daten und Informationen.
(iii) Sowohl das System als auch das Verfahren funktioniert mit beliebig vielen verschiedenen Datenquellen, wobei eine Bewertung durch das M[odel]O[utput]S[tatistics]-Prinzip und/oder durch andere Prinzipien vorgenommen wird.

Vorteilhafterweise werden das vorliegende System und das zugeordnete Verfahren insbesondere für die Messung von elektromagnetischer Strahlung im V[ery]L[ow]F[requency]-Bereich, zum Beispiel zur Messung von Wellenlängen von etwa zehn Kilometer bis etwa einhundert Kilometer eingesetzt. Der Messbereich des vorliegenden Systems und des zugeordneten Verfahrens liegt insbesondere im Frequenzbereich von etwa fünf Kilohertz bis etwa fünfhundert Kilohertz.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Unteransprüche 2 und 3 verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand des durch die 1 bis 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung eines Antennenkörpers für eine Messstation eines Systems zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch elektromagnetische Strahlung anfallenden Daten und Informationen;
2A in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Messstation des Systems aus 1;
2B in schematischer Darstellung eine detaillierte Ansicht der Stationselektronik der Messstation aus 2A;
3 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Zentralstation des Systems aus 1; und
4 in diagrammatischer Darstellung die innerhalb eines auf der Rechtsachse aufgetragenen Längengradbereichs sowie innerhalb eines auf der Hochachse aufgetragenen Breitengradbereichs erfolgenden Signale von nach einem Verfahren zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch elektromagnetische Strahlung anfallenden Daten und Informationen ausgewerteten atmosphärischen Entladungen.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in den 1 bis 4 mit identischen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsbeispiel
In den 1 bis 4 ist ein System 100 dargestellt, das

– sowohl zur Charakterisierung von nichtnatürlicher Strahlung, zum Beispiel von mittels eines Senders eines Flugzeugs gesendeten Signalen,
– als auch zur Charakterisierung von natürlicher Strahlung, zum Beispiel von Blitzentladungen, eingesetzt werden kann.

Insbesondere ist in 1 und 2A zudem eine erfindungsgemäße Verwendung eines Antennenkörpers 30 für eine Messstation 20 (zum Einsatz bei der Blitzortung) eines Systems 10 zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch elektromagnetische Strahlung anfallenden Daten und Informationen, insbesondere zu Blitzen, gezeigt.
Da die der Messung derartiger Impulsabgaben bzw. Ladungsaussendungen (Ladungsabgaben) zugrunde liegenden Verfahrensprinzipien für die aus Impulsquellen nichtnatürlichen Ursprungs stammende elektromagnetische Strahlung und für die aus Impulsquellen natürlichen Ursprungs stammende elektromagnetische Strahlung gleich bzw. zumindest analog sind, wird das System 100 im Folgenden beispielhaft beim Einsatz in der Blitzmessung beschrieben.
Das anhand der 1 bis 4 veranschaulichte System 100 dient zum Erfassen, Übermitteln und Auswerten von durch atmosphärische elektromagnetische Strahlung natürlichen Ursprungs anfallenden Daten und Informationen D. Hierzu weist das im speziellen als Sferics-/Blitzmessungsanordnung ausgebildete System 100 konzeptionell mehrere, nämlich bis zu einhundert Einzel-Messstationen 20 (in 1 sind exemplarisch vier derartige Messstationen 20 dargestellt) sowie eine Zentraleinrichtung oder Zentralstation 10 auf.
Hinsichtlich der Eigenschaften der in 2A schematisch im Detail gezeigten Messstationen 20 ist deren Sensoreigenschaft hervorzuheben, durch die ein Frequenzbereich von beispielsweise etwa einem Kilohertz bis beispielsweise etwa einem Megahertz, insbesondere von beispielsweise etwa neun Kilohertz bis beispielsweise etwa einhundert Kilohertz, bedienbar ist.
Die einzelnen Messstationen 20 weisen einen Abstand d von etwa einhundert Kilometern zueinander auf, so dass der maximale Abstand zwischen einem Blitzschlag und einer Messstation 20 etwa fünfzig Kilometer beträgt; von der meteorologischen Ausrichtung her lässt dies zum Beispiel Mitteleuropa als geeignete Region zum Einsatz des Systems 100 erscheinen.
Wie der Darstellung der 1 und 2A entnehmbar ist, ist jeder Messstation 20 eine Antenne bzw. ein Antennenkörper 30 zugeordnet, der für die Messung niederfrequenter magnetischer Felder ausgelegt ist (Dauer dieser Sfericssignale bzw. Sphäricssignale S: etwa einhundert Mikrosekunden bis etwa eine Millisekunde). Diese (elektro)magnetischen Felder stammen aus atmosphärischen Entladungen.
Dieser Antennenkörper 30 ist in kompakter, selbsttragender sowie mechanisch stabiler Weise zur Aufstellung im Freien ausgeführt und weist im speziellen weder bewegliche Komponenten noch wetterempfindliche Teile auf. Der Primärkreis des Antennenkörpers 30 und der Sekundärkreis des Antennenkörpers 30 sind galvanisch getrennt.
Auf diese Weise ermöglicht die Antenne 30 eine spezielle breitbandige und rauscharme Auskopplung des magnetischen Feldes zur zeitgetreuen Messung des magnetischen Felds, das heißt es entsteht keine Verzerrung des Felds, und es wird auch nicht auf eine Zeitableitung des Felds zurückgegriffen.
Ein weiterer integraler Bestandteil des Antennenkörpers 30 ist mindestens ein Stromwandler, der als Störspannungssonde für E[lektro]M[agnetische]V[erträglichkeit]-Messungen (Frequenzbereich) dient und als passives Bauteil ausgestaltet ist. Auch ist mindestens ein selbsttragender Kupferring bzw. mindestens ein selbsttragendes Kupferrohr in einer Funktion als Stromzange vorgesehen, wobei keine aktiven Teile im Freien angeordnet sind, sondern nur in einem innerhalb der Messstation 20 angeordneten P[ersonal]C[omputer] 22.
Wie der Darstellung der 1 und 2A entnehmbar ist, ist die Stationselektronik 40 vom Antennenkörper 30 separat angeordnet.
Die im Gehäuse der Messstation 20 angeordnete Stationselektronik 40 weist zunächst einen Verstärker 42 zur rauscharmen Verstärkung der vom Antennenkörper 30 kommenden Signale S auf. Dem Verstärker 42 nachgeschaltet ist eine Filterstufe 44, zum Beispiel in Form mindestens eines Re-Glieds,

– dessen Eingang mit den mittels der Verstärkereinheit 42 verstärkten Signalen S' beaufschlagt wird,
– das als Tiefpass(filter) steil in der Flanke fungiert und
– das zur Filterung von sich im Frequenzband befindlichen technischen Störsignalen, zum Beispiel von Radiosendern, wie etwa Bayern 1 auf 801 Kilohertz, dient.

Allerdings ist S[ignal]N[oise], insbesondere in Form von weißem Rauschen, stets ein Problem, so dass die Funktion des Filters 44 in erster Linie darin besteht, das systembedingte Rauschen zu minimieren. Im bzw. am Filter 44 der Stationselektronik 40 ist eine selbstregulierende Schwelle 44s angeordnet, mittels derer die Empfindlichkeit der Filtereinheit 44 in Abhängigkeit vom statistischen Rauschpegel automatisch optimiert wird. Das mittels der Filtereinheit 44 gefilterte Signal S'' wird sodann in der Einheit 46 einer Signaldigitalisierung unterzogen und als Signal S''' weitergeleitet.
Die hier vorgeschlagene Lösung ist so konzipiert, dass kein Datenverlust entsteht und möglichst viele schwache Signale analysiert werden. Dazu dienen folgende Maßnahmen:
Alle die jeweils automatisch eingestellte Schwelle überschritten habenden Signale S'' werden in einen der Signaldigitalisierungseinheit 46 nachgeschalteten Analyse- oder Blockpuffer 220 transferiert (vgl. 2B). Eine dem Analysepuffer 220 nachgeschaltete Ausleseeinheit 222 holt fortlaufend die im Puffer 220 zwischengespeicherten Signale S''' und beaufschlagt mit diesen Signalen S''' eine Analyseeinheit 224, die zur Analyse und Weiterverarbeitung der Signale S''' vorgesehen ist. In der Signalanalyseeinheit 224 wird fortlaufend der jeweils vorhandene Rauschpegel ermittelt.
Wenn die ankommende Signalrate unterhalb der Verarbeitungsgeschwindigkeit liegt, enthält der Puffer 220 nur das jeweils momentan vorliegende Signal. Bei extrem hohen Raten füllt sich der Puffer 220 vor der Analyse; da in der Regel extrem hohe Raten nicht permanent vorkommen, sichert eine entsprechende Puffergröße gegen Datenverlust ab. Die dabei entstehenden Zeitverzögerungen zur Signalanalyse sind gering und tolerabel.
Alternativ zum kontinuierlichen Auslesen der den Blockpuffer 220 durchlaufenden Signale S''' können die getriggerten Signalpakete S''' auch routinemäßig permanent gespeichert und dann zu prinzipiell beliebiger Zeit der Analyse zugeführt werden.
Der Signalanalyseeinheit 224 nachgeschaltet ist eine Schwellenermittlungseinheit 226, die in Abhängigkeit vom ermittelten Rauschpegel die geringstmögliche Signalschwelle ermittelt.
Die selbstregulierende Schwelle 44s der Filtereinheit 44 wird mit dieser ermittelten geringstmöglichen Signalschwelle beaufschlagt (→ Bezugszeichen R in den 2A und 2B), und die Signalschwelle 44s der Filtereinheit 44 wird automatisch auf den geringstmöglichen Wert eingeregelt (noch tiefere Schwellwerte würden zu ständiger Signalanalyse Anlass geben; höhere Schwellwerte würden hingegen Datenverlust bedeuten).
Im Hinblick auf die Stationselektronik 40 ist zu bemerken, dass diese mittels des Betriebs des zwischen die Digitalisierungseinheit 46 und eine Speichereinheit 50 geschalteten P[ersonal]C[ompu-ter]s 22

– mit einer vollständigen Erfassung des Zeitverlaufs der Signale S bei variablen Impulsformen,
– mit einer Einrichtung zur totzeitfreien Erfassung aller Signale S, auch bei hohen Signal- bzw. Datenraten, zur Vermeidung von Daten-/Informationsverlust bei hohen Signalraten sowie
– mit einem Algorithmus zur Ermittlung – von signalspezifischen Parametern zur Klassifizierung von Signalen S und
– von Zuordnungen zu atmosphärischen Vorgängen ausgestattet ist.

Des Weiteren besteht eine Option für einen Betriebsmodus des Systems 100, bei dem lokale Magnetfeldbelastungen für biometeorologische Auswertungen erfasst werden können.
Innerhalb des Gehäuses der Messstation 20 ist die der Einheit 46 sowie der Datenverarbeitungsanlage 22 nachgeschaltete Anordnung 50 zur Speicherung der gesamten erfassten Daten und Informationen D vorgesehen.
Ausgehend von dieser Speicheranordnung 50 kann über eine grundsätzlich bidirektional ausgestaltete Verbindung 60, zum Beispiel mittels D[igital]S[ubscriber]L[ine], eine Übertragung, insbesondere eine Online-Übertragung, ausgewählter Parameter der Signale S an die Zentralstation 10 vorgenommen werden, wobei eine Korrektur der Winkelabweichung über mindestens ein systematisches Korrekturschema vorgenommen werden kann.
Die Eigenschaften und Funktionen der Zentrale 10 (vgl. 3), der bis zu einhundert Sensoren 20 zugeordnet sein können, bestehen unter anderem

– in der Signalspeicherung,
– in der Durchführung eines Verfahrens zur Ortung von Entladungsquellen, zum Beispiel von Blitzen, für klimatologische und/oder meteorologische Zwecke unter Einbeziehung extrem schwacher Signale aus schwachen atmosphärischen Entladungen (stille Entladung ↔ blitzartiges Ereignis) zur Optimierung der Früherkennung von Gewitterzellen,
– in der Implementierung von Modulen zur Online-Verarbeitung hoher Daten-/Informationsraten, wobei ein Paket aus Daten und Informationen D eintrifft, und zwar in Einzelpakete zerlegt über fünfzehn Sekunden (Timestamp); eine logische Ringstruktur (vgl. 3) geht zu einer in der Zentraleinheit 10 implementierten Auswerteeinheit 12 (→ Software für Zentralstation 10 zur Ortung und Auswertung von Blitzen), wodurch eine Peilung sowie Bewertung entsprechend einer zeitlichen Sortierung nach Stärke erfolgt (optimierte Anzahl von fünf bis sechs Sensoren),
– in der Durchführung eines Verfahrens zur Erkennung von Signalherden zur Früherkennung von Gewitterzellen,
– in der Durchführung eines Verfahrens zur Analyse
– von Typen von Signalen S bzw.
– von Gruppen von Daten und Informationen D zur Charakterisierung meteorologischer Klassen und demzufolge zur Erstellung von Blitzkarten,
– in der Durchführung eines Verfahrens zur dynamischen Extrapolation von räumlichen Zugbahnen erkannter Gewitterherde sowie
– in einem Modul 14 zur vollautomatischen und gestuften Gewitterwarnung in Form von Text- und Warnmeldungen sowie deren Versand an Nutzer mittels einer Sendeeinheit 16.

Wie aus der Darstellung gemäß 3 des Weiteren hervorgeht, ist der Auswerteeinheit 12 eine externe Schnittstelle 18 vorgeschaltet, mittels derer andere klimatologische und/oder meteorologische Daten und Informationen zur Charakterisierung von Gesamt-Wettersituationen eingespeist werden können.
Mithin können mittels des Systems 100 und des zugeordneten Verfahrens verschiedene Wetterdatenquellen zusammengeführt werden, wobei nicht nur historische, insbesondere mittels Langzeitmessung gewonnene Daten und Informationen H (vgl. 3), sondern über die Schnittstelleneinheit 18 auch alle verfügbaren Sorten von Wetter-Rohdaten Q (vgl. 3) in die Auswerteeinheit 12 eingehen können.
Auch

– diese historischen, insbesondere mittels Langzeitmessung gewonnenen Daten und Informationen H und/oder
– diese weiteren eingehenden klimatologischen und/oder meteorologischen Daten und Informationen Q können mittels des M[odel]O[utput]S[tatistics]-Prinzips bewertet und in die ForeCast- bzw. NowCast-Prognose eingebunden werden.

Die Vorteile des vorliegenden Systems 100 zur Blitzmessung sowie des diesem System 100 zugeordneten Verfahrens sind in erster Linie darin zu sehen, dass dieses System 100 wie auch das Verfahren den etablierten Methoden (vgl. etwa BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] unter http://www.blids.de/ oder ”Impact ESD” unter http://www.lightningstorm.com/) im Hinblick auf meteorologische Anwendungen, insbesondere im Hinblick auf die Früherkennung von Gewittern, überlegen ist.
Dies wird durch folgende Eigenschaften sowie Funktionsprinzipien erreicht:

(i) Messung sämtlicher Blitzereignisse, das heißt keine (angebliche) Eliminierung von Wolke-Wolke-Blitzen; es werden lediglich technische Störsignale eliminiert (↔ Prüfung des Signalverlaufs) und die rauschbedingte maximale Empfindlichkeit automatisch eingestellt; BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] eliminiert angeblich schwache Wolke-Wolke-Blitze, um sich auf mögliche Schäden am Boden zu konzentrieren, und verliert damit meteorologisch wichtige Daten und Informationen; des Weiteren verwertet BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] nicht die speziellen Eigenschaften der Signalformen;
(ii) Einsatz geeignet optimiert ermittelter Abstände d der Messstationen 20; diese Abstände d sind zwar möglichst groß, um Messstationen 20 einzusparen, jedoch nicht zu groß, um keine schwachen Signale S zu verlieren; hieraus resultiert eine möglichst effiziente Erfassung schwacher Signale 5, wodurch eine Früherkennung ermöglicht wird; dies bedeutet zwar mehr Messstationen 20 je Fläche als bei BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens], ist aber wirtschaftlich möglich, weil die Kosten einer einzelnen Messstation 20 niedriger als bei BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] sind;
(iii) die Ereignisauswertung erfasst auch schwache Signale, die nur an einem Sensor 20 oder nur an zwei Sensoren 20 gemessen werden; konventionelle Systeme benötigen zur Ortung im allgemeinen Ereignisse an vier oder mehr Sensoren;
(iv) hohe Datenraten sind möglich, ohne dass Ereignisse wegen Totzeit verloren gehen; BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] erhöht die Schwelle, wenn hohe Datenraten anfallen, und verliert durch dieses Erhöhen der Schwelle Ereignisse.

Hinsichtlich der (Grob-)Zuweisung von Signalzeiten führt die Behandlung der an den Sensorstationen 20 eintreffenden Signale S und deren gruppenspezifische Zuordnung zu einem Blitz in der Zentralstation 10 zu einem weiteren Vorteil, der sich mit konventionellen Marktlösungen nicht realisieren lässt.
Die Wahrscheinlichkeit für gravierende Fehlpeilungen bei der Blitzortung ist somit erheblich reduziert. Die Genauigkeit der Peilungen liegt beim System 100 sowie dessen zugeordnetem Verfahren in der Regel im Kilometerbereich, in günstigen Fällen auch darunter, jedoch zum Beispiel nicht im Zehn-Kilometer-Bereich oder darüber.
Die bekannten Ergebnisse marktgängiger Blitzortungssysteme führen dementgegen regelmäßig zu Fehlpeilungen in Zehn-Kilometer-Bereichen oder darüber. Zwar liefern diese Marktsysteme bei günstiger Signalkonstellation durchaus Ortungsgenauigkeiten im 500 Meter-Bereich; dies gilt jedoch nicht für einen nicht unerheblichen Anteil der insgesamt gepeilten Blitze. Es werden häufig Blitzorte angegeben, die zehn Kilometer und mehr vom tatsächlichen Blitzort abweichen. Dies ist die Folge von Signalbehandlungen, die nicht über die hier vorgetragenen Vorteile verfügen.
Der geschilderte Befund für den Vorteil des Systems 100 und des zugeordneten Verfahrens wird beispielhaft anhand von 4 aufgezeigt, die die über einen gesamten Gewittertag aufgezeichneten Blitzorte in einem Ortsbereich zeigt. Es sind zwei von Westen nach Osten und leicht nach Norden verlaufende parallele Gewitterbahnen mit starken Zellenfokussierungen erkennbar. Zwischen diesen beiden Zugbahnen findet sich ein nahezu blitzfreier Streifen mit nur vereinzelten Blitzorten.
Das im gleichen Gebiet operierende Blitzortungssystem BL[itz]I[nformations]D[ienst]S[iemens] zeigt mehr Streuungen und weist im genannten Zwischenraum hunderte von angeblichen Blitzorten auf, die offensichtlich Fehlpeilungen darstellen. Dieser Fehler ist auch insofern plausibel, als die Blitzdatenmenge des Systems 100 sowie des zugeordneten Verfahrens wesentlich höher als die Blitzdatenmenge des Vergleichssystems liegt und demzufolge die geringere Streuung umso mehr für die bessere Peilqualität spricht.
Die zuverlässigere Blitzortung ist auch insofern ein entscheidendes Qualitätsmerkmal des Systems 100 sowie des zugeordneten Verfahrens, als zum Beispiel Blitzschadensversicherungen den Umkreis eines von Blitzortungssystemen gemeldeten Blitzes als Schadenskreis ansehen; falsche Ortsangaben führen daher zu falschen Schadensbeurteilungen.
Was nun die durch die Sendeeinheit 16 der Zentralstation 10 vermittelte Möglichkeit anbelangt, die ausgewerteten sowie in Kundenprodukte umgesetzten Daten und Informationen D an Nutzer zu versenden bzw. von Nutzern abrufen zu lassen, so erfüllt das auch mobil empfangbare NowCast-Prinzip die folgenden Eigenschaften und Vorteile:

– Nutzung der Gewitterdaten und Verknüpfung der Gewitterdaten/-informationen mit anderen klimatologischen und/oder meteorologischen Daten und Informationen zur örtlichen und zeitlichen vollautomatisierten Kurzfrist-Vorhersage von extremen Wettersituationen;
– räumliche Erhöhung der Auflösung von Wettermeldungen aus mehreren Datenquellen;
– zeitliche Erhöhung der Auflösung von Wettermeldungen aus mehreren Datenquellen (Echtzeit-Meldungen);
– Rückkopplung von Wetter- und Umweltinformationen mobiler vernetzter Einheiten in das Modell
– zur flächendeckenden Beschreibung (↔ Satellitenbilder) sowie
– zur punktförmigen Vorhersage (↔ synoptische 10 Daten: Wetterstation) von Wetter- und Umweltzuständen.

Der volle Nutzen des Sferics- bzw. Sphäricssystems 100 kann sich auch durch Kombination mit mindestens einer weiteren Datenquelle, zum Beispiel mit einer Radardatenquelle, entfalten. In diesem Falle werden auch Niederschläge einbezogen und Extremwettersituationen erkannt: Zunächst wird der Ist-Zustand messtechnisch erfasst; sodann werden die Blitz- und Radardaten in einen Algorithmus eingegeben, der eine Prognoserechnung erzeugt. Die Auflösung kann auf Zellen einer durchschnittlichen Größe von etwa fünf Kilometern auf etwa fünf Kilometer gesteigert werden, wobei für die Fläche der Bundesrepublik Deutschland die Rechenzeit mit aktuellen P[ersonal]C[omputer]n im Bereich von Minuten liegt.
In der nächsten Stufe werden alle relevanten klimatologischen und/oder meteorologischen Daten in ein und dieselbe Software eingespeist; sodann wird der Ist-Zustand durch Extrapolation im Kurzfristbereich auf die Gitterpunkte von etwa fünf Kilometer auf etwa fünf Kilometer ermittelt; wenn ausreichend viele aktuelle Daten und Informationen eingelaufen sind, wird eine neue Prognoserechnung für die zeitlich zukünftige Entwicklung ausgeführt.
Die Ergebnisse werden in mindestens einer Datenbank hinterlegt, und zwar im allgemeinen in Form von Wahrscheinlichkeiten für die diversen Wetterparameter.
Eine weitere Software greift auf die Daten in dieser Datenbank zu und erzeugt Wetterkarten sowie Textmeldungen für gewünschte Bereiche und/oder für gewünschte Zeiträume. Diese Informationen werden an Kunden versandt und/oder können von diesen selbst abgerufen werden.
Eine Voreinstellung von Bedingungen für bestimmte Wetterverhältnisse ist möglich, zum Beispiel in Form einer automatischen Mitteilung oder Warnung, wenn vorgegebene Bedingungen erfüllt sind oder sein werden.
Bei der Nutzung für mobile Fahrzeuge (Straßenwetter) kann eine Rückkopplung der in Fahrzeugen gemessenen und rückübertragenen Daten zur Verbesserung der Ausgangsdaten benutzt werden (→ Optimierung durch Rückkanal).
Bezugszeichenliste

100: System
10: Zentralstation oder Zentrale
12: Auswerteeinheit der Zentralstation
14: Warneinheit der Zentralstation
16: Sendeeinheit der Zentralstation
18: Schnittstelle der Zentralstation
20: Messstation oder Sensor
22: Datenverarbeitungsanlage, insbesondere P[ersonal]C[omputer]
220: Analyse- oder Blockpuffereinheit oder Analyse- oder Blockpuffermittel der Datenverarbeitungsanlage
222: Ausleseeinheit oder Auslesemittel der Datenverarbeitungsanlage
224: Signalanalyseeinheit oder Signalanalysemittel der Datenverarbeitungsanlage
226: Schwellenermittlungseinheit oder Schwellenermittlungsmittel der Datenverarbeitungsanlage
30: Antenne oder Antennenkörper, insbesondere breitbandiger Antennenkörper
40: Stationselektronik der Messstation
42: Verstärkereinheit der Stationselektronik
44: Filtereinheit der Stationselektronik
44s: selbstregulierende Schwelle der Stationselektronik
46: A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit der Stationselektronik
50: Speichereinheit der Messstation
60: Verbindung zwischen der Zentralstation und der Messstation
d: Abstand der Messstationen zueinander
D: Daten und Informationen
H: historische, insbesondere mittels Langzeitmessung gewonnene Daten und Informationen
Q: weitere klimatologische und/oder meteorologische Daten- und Informationsquelle
R: Schwellenwerteinstellung oder Schwellenregulierung, insbesondere Schwellwertoptimierung
S: Signal
S': mittels der Verstärkereinheit verstärktes Signal
S'': mittels der Filtereinheit gefiltertes Signal
S''': digitales Ausgangssignal der A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit

Claims

Verwendung eines Antennenkörpers (30) für eine Messstation (20) zum Einsatz bei der Blitzortung aufweisend: – einen mechanisch selbsttragenden Kupferring geeignet in mechanisch stabiler Weise zur Aufstellung im Freien ohne bewegliche Komponenten und ohne wetterempfindliche Teile, – einen Stromwandler, der als Störspannungssonde dient und als passives Bauteil ausgestaltet ist, – wobei der Primärkreis des Antennenkörpers (30) vom Sekundärkreis des Antennenkörpers (30) galvanisch getrennt ist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 1, wobei die Messstation einen Antennenkörper (30) und mindestens eine separat vom Antennenkörper (30) angeordnete Stationselektronik (40) zum Verarbeiten der mittels des Antennenkörpers (30) erfassten Signale (S) zu Daten und Informationen (D) aufweist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 2, wobei die Stationselektronik (40) – mit mindestens einer Verstärkereinheit (42) zum rauscharmen Verstärken der mittels des jeweiligen Antennenkörpers (30) erfassten Signale – mit mindestens einer Filtereinheit (44) zum Filtern der mittels der Verstärkereinheit (42) verstärkten Signale, insbesondere im Hinblick auf zum Beispiel von Radiosendern stammende technische Störsignale, sowie – mit mindestens einer A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit (46) zum Wandeln der mittels der Filtereinheit (44) gefilterten Signale in digitale Ausgangssignale ausgerüstet ist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei in der Stationselektronik (40) mindestens eine Blockpuffereinheit (220) vorgesehen ist, die mit den Signalen, insbesondere mit den digitalen Ausgangssignalen der A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit (46), beaufschlagbar ist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 4, wobei Blockpuffereinheit (220) für ein Zwischenspeichern dieser Signale, insbesondere dieser digitalen Ausgangssignale, für den Fall ausgelegt ist, dass – zum Beispiel bei einem heftigen Gewitter – ein besonders starker Signaldatenstrom anfällt und mithin von der Stationselektronik (40) zu verwerten ist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei mittels mindestens eines der Stationselektronik (40) ebenfalls zugeordneten Auslesemittels (222) die die mindestens eine Blockpuffereinheit (220) durchlaufenden und/oder, insbesondere im Falle einer die Analysekapazität momentan übersteigenden Signaldatenmenge, zwischengespeicherten Signale, insbesondere fortlaufend, abgerufen werden können.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 6, wobei die Stationselektronik (40) mit mindestens einem dem Auslesemittel (222) nachgeschalteten Signalanalysemittel (224) – zum Analysieren und/oder zum Weiterverarbeiten der vom Auslesemittel (222) ausgelesenen Ausgangssignale der mindestens einen Blockpuffereinheit (220) sowie – zum insbesondere fortlaufenden Ermitteln des Rauschpegels ausgestattet ist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach Anspruch 7, wobei zum Ermitteln zumindest eines in Abhängigkeit vom ermittelten Rauschpegel optimalen Schwellwertes für die selbstregulierende Schwelle (44s) ist vorteilhafterweise mindestens ein Schwellenermittlungsmittel (226) vorgesehen ist, und wobei vorzugsweise die selbstregulierende Schwelle (44s) mit diesem ermittelten optimalen Schwellenwert beaufschlagt wird.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Messstation (20) mindestens eine Speichereinheit (50) zum Speichern der von der Stationselektronik (40) verarbeiteten Daten und Informationen (D) aufweist.
Verwendung des Antennenkörpers (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Messstation (40) passiv und ohne Stromversorgung arbeitet.