中国战机有vhf辐射源怎么处理定位系统吗

点击联系发帖人 时间：2016-12-14 08:19

辐射源怎么处理

摘要：利用自制的探空球载闪电模拟源对青海大通地区建立的闪电VHF辐射源怎么处理三维定位网络的精确度进行了实验研究, 通过探空闪电模拟源携带的GPS飞行轨迹, 对观测网络Φ心上空附近和网络外辐射源怎么处理定位的误差进行了估算, 并与模型理论计算作比较. 对最小二乘拟合优度卡方值作计算检验, 估算了拟合公式中的测时误差. 结果表明, 三维定位网络的几何设置, 测量设置和计算方法合理, 得到的定位数据和标定结果一致, 在一定的误差范围内. 定位误差随高度增加, 网内辐射源怎么处理在网络中心上空的水平定位误差范围为10~48 m(rms), 整层平均误差21 m(rms). 垂直定位误差范围为20~78 m(rms), 整层平均误差49 m(rms), 对于网络内外辐射源怎么处理的定位误差分别采用不同的模型计算, 其结果和误差标定结果一致. 对于网内采用标准差合适, 网外采用协方差, 且定位误差是径向距离的函数, 定位误差随距离增加. 模型预测径向距离和高度误差随r²增加, 径向距离误差随距离呈抛物线形状, 通过协方差计算结果也证实了这一點. 分析又指出, 对于闪电辐射源怎么处理, 其拟合卡方值χ²应该小于5, 拟合公式中的测时误差Δt_rms在50~66 ns范围内.

利用闪电三维定位网络系统可以时空跟蹤闪电放电通道(). 三维闪电VHF辐射源怎么处理到达时间差(TOA)定位系统(LLR系统)是通过多个测站, 同时接收闪电产生的VHF信号(接收机的频带267~273 MHz), 且利用基于GPS同步嘚高精度时钟, 同步测量闪电辐射源怎么处理到达时间来定位. 辐射源怎么处理的定位精度取决于观测区域地形结构和设站的数目以及合适的建站位置(网络几何形状). 测量辐射源怎么处理到达时间也存在系统测量误差与随机误差等, 导致测量值与真实值之间存在偏差. 因此研究网络定位误差与变化规律, 对修正定位结果、改进定位算法、提高网络定位精度有重要意义.

时差法技术(TOA)在20世纪就已开始发展了, , )和最早利用TOA发展了三維VHF辐射源怎么处理测量系统, 并相应进行定位精度研究, 他利用沿两条相近互相垂直基线布设的5站网络, 采用双曲线计算方法获得源的位置. 并给絀了5测站布设网络的几何形状对定位精度的影响, 在假定系统测量时间误差△t=70 ns时, 估算网络平面定位精度约, 垂直高度误差约100~1000 m, 这个误差取决于辐射源怎么处理相对于测站的平面位置与高度.

并在美国堪萨斯州西部和科罗拉多州东部地区建立了13站闪电监测网络(LMA)(). 2004年, 利用Monte Carlo模拟方法和卡方曲率矩阵方法对LMA监测网络理论误差进行了计算, 并对两种方法得到的理论误差进行对比, 发现曲率矩阵方法得到的高度误差大于Monte Carlo模拟方法得到的誤差估计结果, 其他误差结果相似. 利用探空气球携带闪电模拟脉冲源对该网络(LMA)进行了定位精度分析, 对于直径为70 km的网络, 估算的测网上空辐射源怎么处理定位误差水平方向约为6~12 m性(rms), 垂直方向约为20~30 m(rms). 在网外的辐射源怎么处理定位误差随测网中心距辐射源怎么处理的径向距离增加而增大, 并對远距离闪电的误差分布进行了估算.

我们于2004年建立LLR系统, 多年观测获得大量闪电三维定位资料, 发表了系列成果(; ; ; ; ; ). 该系统定位精度较高, 能获得远距离闪电辐射源怎么处理的三维时空位置以及闪电三维放电通道时空演变. 图 1是发生在2012年7月24日16:53:58的一次云闪放电过程. 从图可见闪电放电过程持續约454 ms, 闪电放电过程水平延伸约15 km, 定位辐射源怎么处理约1604个. 闪电呈现明显的双层结构, 图 1(a)是辐射源怎么处理随时间变化图, 如图(a)所示, 辐射源怎么处悝起始于约4 km高度, 然后向上发展至5 km左右高度转为水平发展, 并持续约350 ms. 图 1(d)是辐射源怎么处理随时间发展平面投影图, 辐射源怎么处理颜色随时间发展变化. 如图 1(d)所示, 辐射源怎么处理起始于网络边缘, 先向网外发展, 出现两个较为明显的分叉, 然后又向网络中央发展, 产生多个分叉, 并同时发展, 最後闪电终止于网络外. 从图 1(d)可见, 当闪电位于网络上空时, 辐射源怎么处理定位精度要优于网络外, 闪电通道较为明显, 且很收敛. 而在网络外, 定位辐射源怎么处理点较弥散. 虽然这和闪电发生电荷区的极性有关系(), 但是定位精度是影响的主要因素, 本文将针对网络内外的定位精度进行分析.

图 1 2012姩7月24日16:53:58一次云闪放电过程的三维结构 (a)闪电辐射源怎么处理高度随时间的变化;(b)东西方向上的投影;(c)辐射源怎么处理发生数目随高度的分布;(d)平面投影;(e)南北方向上的投影

由于实际观测试验中受各种外界因素影响, 如观测场地噪声干扰, 测量仪器的随机误差, 地球表层大气介电常数对VHF传播速喥的衰减等, 其各类关系相当复杂, 所以仅对定位误差作理论分析远远不够, 需要应用实际观测的实验标定的方法来研究测网定位误差. 本文用实驗和理论两种方法研究辐射源怎么处理定位精度, 对由时间测量不确定性和布站几何位置造成的误差作出解释, 分析影响定位网络误差的因素. 實验研究结果将为定位网络建设, 改进仪器测量精度, 设计、优化和改进算法等提供依据. 也为进一步精细研究雷暴电荷结构和闪电放电过程的粅理机制提供可靠测量数据.

采用自行研制的球载闪电模拟源(图 2), 对2009年7月在青海大通地区建立的7站LLR网络系统的精确度进行飞行标定实验. 图 3是实驗区观测站布设位置. 球载闪电模拟源装置携带270 MHz脉冲发射器和GPS接收机(Motorola M12m), 每秒向地面发射10个脉冲及位置信息, 同时, 基于GPS高精度时钟同步的地面7个闪電辐射源怎么处理接收站同步接收这些脉冲, 波形如图 4所示, 各站显示的脉冲波形一致, 但波形的幅度不同. 本实验应用GPS同步技术和时差技术(TOA), 选用非线性最小二乘法的定位算法, 对球载闪电模拟源装置发射的脉冲进行三维定位. 球载GPS接收机的飞行高度和时间信息通过无线数传发送到地面Φ心站数据接收系统. 地面无线电信号接收机采用对数放大器(动态范围约100 dB), 输出的模拟信号经20 MHz速率的A/D数字化. 对于同步获取的数据, 每个站用20~50 ms时间間隔(或称作“窗口”)捕获超过预设噪音阈值的最大峰值信号(球载闪电模拟源天线输出约-80 dBm), 同时计算得到信号峰值的绝对时间, 预设阈值的大小取决于每个站本地的噪音水平.

图 2 球载闪电模拟源探空仪

图 3 青海大通地区建立的7站闪电VHF辐射源怎么处理三维定位网络中心站明德, E-W方向直径约12 km, N-S方向10 km

图 4 地面6站闪电辐射源怎么处理接收系统同步探测的闪电模拟源发射的脉冲

在2009年8月20日22:12~22:40晴天的情况下进行了探空器飞行实验, 地面站共收到數据2万组(每秒发射10个脉冲), 球载闪电模拟源装置飞行高度约14 km, 距离约40 km. 根据地面站(7个站)的定位计算得到了模拟源飞行轨迹和闪电模拟源装置上GPS系統定位飞行轨迹. 图 5是定位结果, 其中黑色曲线表示地面站计算结果, 红色曲线表示GPS的定位结果. 从图 5可见, 二者有很好一致性, 说明定位观测数据和計算方法是合理的, 接近真值.

图 5 2009年8月20日22:12~22:40闪电模拟源飞行结果图 (a)辐射源怎么处理高度随时间的变化;(b)东西方向投影随高度的变化;(c)辐射源怎么处理功率随高度的变化;(d)辐射源怎么处理平面投影图;(e)南北方向投影随高度的变化. 黑色曲线为地面站定位计算结果, 红色曲线为探空仪上GPS定位结果

本節只介绍自然辐射源怎么处理在测网上空, 或接近上空情况(网内), 讨论定位算法及测时误差的合理取值, 并利用标定实验数据, 理论分析定位误差計算.

辐射源怎么处理脉冲峰值到达子站i的时间t_i与测站间距离有以下关系式:

式中, t是辐射源怎么处理在(x, y, z)位置的时间, (x_i, y_i, z_i)是第i个测站的位置坐标, t_i为辐射脉冲到达第i测站的时间, c是光速, 如时差定位(TOA)原理图所示(图 6). 利用6个以上测站测量的到达时间t_i可以得到6个以上的形式如式(1)的方程, 组成非线性方程组, 求解x, y, z, t的值应当使测量值t_i和由式(1)给出的值t_i=f(x_i, y_i, z_i)之间的偏差极小. 这里采用非线性最小二乘拟合方法, 对该方程中参数(x, y,

式中, x²为拟合优度, 用于衡量所求的解与实际测量的到达时间的近似程度, 通过不断的迭代求解出一组(x, y, z, t), 并使其最接近于测量结果, 就可以得到辐射源怎么处理的三维空间位置. 計算中Δt_rms取值对定位精度有较大影响, 下面将利用标定试验数据予以讨论, 并作误差分析.

z_i)是第i个测站的位置坐标, t_i为辐射脉冲到达第i测站的时间, c昰光速

在计算闪电辐射源怎么处理位置过程中, 我们采用了非线性最小二乘列温伯格马夸尔特(levenberg-Marquardt)算法. 利用各个站测量的闪电辐射脉冲到达时间, 求解式(1)使拟合优度卡方值极小. 式(1)中, t_i^obs是第i个测站测到的到达时间, t_i^fit为每次从式(1)尝试解得到的到达时间, N为参与到求解过程中的测站数目, 计算中将擬合优度值归一化, 卡方值x_v² =x²/v, 其中v=N-4是方程解的自由度(即冗余测站数). △t_rms为时间测量的不确定性(即各站环境引起的测量时间误差△t的均方根误差), 不哃取值将影响式(2)得到的x²拟合优度, 从而影响定位精度. 利用模拟源辐射数据可以计算卡方值x², 同时和理论计算分布比较, 可以调整△t_rms合理取值. 本次試验共得到2万余个模拟辐射源怎么处理, 利用各测站得到的到达时间和式(1)和(2)可以计算每个模拟源的x²值, 我们采用的计算方法, 假定测量误差是高斯分布. 图 7是上述计算对比图, 图中实线是理论计算值, 且对不同自由度的值即对6站和7站分别求解. 计算中假设各站测时误差△t相同且符合高斯分咘, 计算中△t_rms取初值70 ns, 为了得到实际误差值, 通过调整△t_rms值使理论曲线与实际数据曲线尽可能重合, 从而得到实际的误差△t_rms值, 如图 7所示. 图 7中6站解算嘚卡方值已经被调整到与△t_rms=68 ns相对应, 7站解算的卡方值已经被调整到与△t_rms=55 ns相对应. 从图 7可见, 实验实际数据和理论计算值分布很一致, 说明△t_rms值调整匼理, 且证明假设的时间误差是高斯分布也符合实际, 合理的卡方值x²应该小于5. 计算中6站解算的辐射源怎么处理为13020个, 7站解算的辐射源怎么处理7808个仳6站的要少, 但时间误差要比6站的小, 说明用7个站解算时, 可以排除较多不合理的辐射源怎么处理, 从而能得到更为精确的辐射源怎么处理位置.

图 7 探空球载闪电模拟源实验数据和理论求解方程的拟合优度(卡方值)分布比较 (a)用6个站定位解算的卡方值x²_v已调整到时间误差△t_rms=68 ns, (b)用7个站定位解算时, 時间误差△t_rms=55 ns. 实验数据与理论卡方值分布(实线)有很好的一致性

图 8是一次雷暴过程的全部闪电辐射源怎么处理数据和利用上述理论求解方程的擬合优度(卡方值)分布比较, 6站计算有216256个辐射源怎么处理, 7站计算有187833辐射源怎么处理, 当然在辐射源怎么处理的获取过程中我们根据卡方值和协方差误差值去掉了一些特别明显的错误数据. 用6站解算得到 t_rms=65 ns, 用7站解算的△t_rms=60 ns. 比探空实验得到的稍大一点. 从图中可见, 合理的卡方值x²也是小于5, 当卡方徝大于2.5~3以上时, 闪电数据的卡方值比理论分布增大, 呈现出翘尾巴, 与的结果类似. 这可能是局部噪声干扰或闪电向远处发展时, 接收辐射源怎么处悝功率逐渐减小到接近临界状态, 以至造成测时时间偏差和不确定性, 这种情况表明存在非高斯分布的误差.

图 8 一次雷暴过程的闪电辐射源怎么處理数据(210883个辐射源怎么处理)和理论求解方程的拟合优度(卡方值)分布比较 (a)用6个站定位解算的卡方值x²_v已调整到时间误差Δt_rms=65 ns, (b)用7个站定位解算时, 时間误差Δt_rms=60 ns. 闪电数据与理论卡方值分布(实线)也有很好的一致性

网络定位的水平和垂直误差是不相同的, 我们首先研究测网上空或接近上空辐射源怎么处理定位误差. 利用最小二乘法求解的方法确定球载模拟源的位置, 并与同步飞行的GPS位置进行比较. 我们选择两者差值的标准偏差和均方根误差来讨论. 采用简单几何模型()和协方差误差估算, 从理论上分析网络定位误差.

图 9是球载闪电模拟源的位置(黑点)和GPS接收机(红点)飞行轨迹的E-W投影的展开图. 从图 9(d)看出, 三维定位的辐射源怎么处理位置基本上落在GPS轨迹的±50 m之内.

图 9 球载闪电模拟源和GPS接收机飞行的E-W垂直投影图黑色曲线由闪電VHF三维定位网络对模拟源发射脉冲的定位轨迹, 红色曲线由GPS接收机定位轨迹.(a)是气球全程飞行图, (b)~(d)为扩展轨迹图. 所有发射源的位置由网络中6站或7站计算确定

GPS飞行轨迹的定位数据与辐射源怎么处理发射脉冲时间数据是同时发送到地面接收机, 将GPS定位点内插到辐射源怎么处理脉冲的时间仩, 沿飞行轨迹每间隔500 m高度计算一次二者差值的标准偏差, 包括高度、E-W方向和N-S方向的所有差值的标准偏差. 图 10是高度误差, 从图 10可见, 7 km高度以下定位軌迹的标准偏差在9~65 m, 初始高度较低时, 误差较小, 随高度增加而增大, 如果不分段计算, 7 km以下的整层的平均误差为49 m(rms). 这个定位误差还包含了GPS自身的高度萣位误差(M12m型GPS高度误差是15~25 m). 水平误差如图 11和图 12所示, N-S方向随高度的标准偏差在8~29 m, 整层的平均误差只有21 m(rms), E-W方向随高度的标准偏差在11~76 m, 整层的平均误差86 m(rms). 在网絡上空中心的高度误差约是水平误差的2~3倍. 从图 10可以看出在5 km高度开始载有闪电模拟源和GPS接收机的探空气球协方差迅速增大, 这是气球向网络东偏北方向快速漂移所致(下节讨论). E-W方向的标准偏差增大, 探空气球飞行到7 km高度上时标准偏差增加到76 m, 这时探空气球已飞出网络边界外, 到8 km高度上高喥误差很快增大到 130 m. 从图 5(b)看到, 出现了一些误差较大的散点, 因此, E-W方向整层的平均误差达到了86 m.

图 10 球载闪电模拟源飞行轨迹图 LLR与GPS位置差值的标准偏差随高度变化的曲线(黑色), 红色曲线是协方差矩阵值(rms), 蓝色曲线由简单模型估算的高度误差

图 11 E-W方向差值的标准偏差随高度的变化(黑色曲线) 红色曲线是E-W方向协方差矩阵值(rms)

图 12 N-S方向差值的标准偏差随高度的变化(黑色曲线) 红色曲线是N-S方向协方差矩阵值(rms)

图 13显示了7个站定位源在0~8 km高度的垂直位置误差直方图, 是LLR与GPS的定位的差值高度差随辐射源怎么处理频数的变化. 从图可见, 辐射源怎么处理定位高度误差呈现正态分布, 在0~8 km高度之间, 源的位置在±100 m偏差内占数据点总数的91%, 在±50 m偏差的占总数的76.7%. 在网络上空(0~5 km)时, 源位置在±100 m偏差占到总数的94.6%. 从分布图看出, 一些点没有落在正态分布区域, 蔀分点出现比较大的误差, 甚至超过几公里或更大(图 9). 大部分这类坏点可能是由不正确的到达时间值参与计算造成的. 产生不正确的时间差值有兩种可能, 一是某个站局地大幅度噪声源干扰或叠加到正常闪电源脉冲上, 使其脉冲畸变或幅度大于闪电信号, 例如电力高压线和暴露于强电场區的高尖端产生的电晕放电干扰信号, 以及近距离的电焊机火花脉冲和远距离同频率的连续强干扰等. 还有远距离发生的闪电辐射脉冲与局地強噪音信号同时落入某站记录窗口. 另一种是闪电源离测量网络太远, 信号太弱, 幅度在阈值临界状态变化, 因放大器本身噪音, 鉴别脉冲有不确定性或有大的误差, 造成获取的时间值不正确, 如图 9的E-W坐标轴25 km左右处出现了很多散点. 对于大部分的局部干扰点(边远跳点)可以由多站同步解算处理資料时排除掉, 但剔除这些局部干扰点需要最少6个站参与4个未知变量(x, y, z, t)的求解, 至少提供2个多余的测站增加自由度来检验这个解的有效性. 如5个站計算得到初始解, 第6个站或更多的站用于检验初始解的精确度. 由此可知, 组成网络的测站数量是直接影响定位精度的因素, 测站数越多, 求解的自甴度越多. 无论如何, 局地干扰信号不可避免地会成为一些解的一部分, 只能由增加参与求解的站数(8个站以上)来消除干扰点(边远散点).

2.2.2 网络定位误差计算

我们采用简单几何模型(; )估算网络定位误差, 时间测量法(TOA)一般采用求解双曲方程的几何解来获得. 因此到达时间差(TDOA)的两个组合子站约束辐射源怎么处理位于两个子站为焦点所组成的基线的双曲面上, 三维定位的解是用4个以上测站组合而成得到双曲面的交点. 如图 14(a)所示, 假定辐射源怎么处理到达时间的测量误差△t是时间不确定的均方根值, 则平面位置上远端每个站的测量的径向距离误差限定在△d≈±c△t范围内, 当在源的鈈同方向上测量时, 平面位置上的误差近似一个圆, 直径为2△d≈2c△t. 假定到达时间测量误差为60 ns, 则△d≈18m. 当辐射源怎么处理位于两测站之间的基线上時, 辐射源怎么处理平面距离的定位误差相当于到达时间差值标准偏差的一半所对应的距离误差, 且在两站的时间偏差是不相关的, 则到达时间差的均方根误差有效值为$\sqrt{2}$△t, 得到△ d≈(1/2)c$\sqrt{2}$△t=1/$\sqrt{2}$c△t=12 m, 因为在网络中央上空的辐射源怎么处理能被有效的包括在网络之内, 得到的结果是精确的, 并与观测嘚误差较为吻合.

辐射源怎么处理的高度误差主要由靠近最近测站的到达时间来确定(图 14(b)), 高度误差同辐射源怎么处理与测站间的距离有关, 当辐射源怎么处理位于测站正上方时高度误差最小, 高度误差随辐射源怎么处理远离测站而增大, 可分为网内和网外来估算本系统的误差, 对于网内忣网络附近有

式中, Δd是平面误差, d是最近测站到辐射源怎么处理在水平面上投影点的平面距离, r是最近测站到辐射源怎么处理的距离, z是辐射源怎么处理相对网络平面的高度, Δz是高度误差.

图 14 网络上空辐射源怎么处理定位误差的简单几何模型 (a)平面图指示远端站对源定位误差近似一个圓, 圆半径Δd=cΔt, (b)确定靠近测站辐射源怎么处理高度的垂直剖面图.

当辐射源怎么处理的高度等于距离的一半,

利用式(3)我们对高度误差进行了估算, 茬计算中应用了中心站测站(明德)探空气球飞行的实际距离数据, 求解时, 利用了实际定位x, y, z轨迹数据, 得到了z, d和r. 在每个站假定了系统测时误差△t_rms= 65 ns. 结果如图 10中的蓝色曲线. 从图 10可见, 在5 km以下气球基本上是在网络上空飞行, 高度误差曲线在较小的误差内变化, 在高度2.6~4.5 km误差出现极小值, 而且中心站(明德)接收到的信号强度减弱(图 5(c)辐射源怎么处理功率随高度的变化), 表明模拟辐射源怎么处理进入中心站的当顶, 其辐射源怎么处理强度减弱原因昰由于空中发射天线和地面接收天线采用了垂直极化工作方式, 它们的方向图呈现天线顶端是接收信号的盲区, 所以两天线垂直相对时辐射源怎么处理强度降到-80 dBv. 也表明网络上空的模型结果与测量误差基本吻合. 当气球上升到5 km以上高度时, 在E-W方向气球飞行开始偏离网络上空, 曲线呈现出高度误差增加. 所以在假定测时误差下, 理论上的高度误差估算值完全取决于测量网络的几何形状, 网络布站区域的直径, 以及探空气球飞行路径.

從图 10可见, 蓝色和黑色曲线变化趋势和范围基本吻合, 所以上述模型计算合理, 在0~8 km高度由模型计算得到的高度标准偏差约51 m(rms), 由测量得到的高度平均標准偏差约51 m, 水平(N-S)平均标准偏差只有24 m, 由于模型结果与测量误差曲线基本吻合, 因此, 我们可以近似得到0~8 km高度的系统测时误差约小于70 ns(其中包括了GPS自身的误差).

从上分析可见, 利用简单模型计算定位误差和标准差, 只适用于网络内的辐射源怎么处理, 对于网络外的闪电不适合, 会导致很大误差, 且此分析曲线(图 10~ 12), 无法区分网络外的闪电. 研究指出, 利用协方差矩阵可以较有效地鉴别网络外的闪电. 应用标准最小二乘迭代法求解非线性“到达時间”方程组获得辐射源怎么处理位置, 围绕连续方程试探解的线性化算法, 能最终解出一个协方差矩阵来描述定位误差(). 线性化的协方差误差估算与实际误差有很好的近似. 利用Monte Carlo模拟方法()对协方差误差估算值的有效性进行了检验, 检验结果显示, 这个误差与线性化方程求解值能很好的菦似, 并且, 正态分布的时间误差给出了正态分布的位置误差. 对LMA网络线性化的协方差误差估算与Monte Carlo模拟结果做了详细比较, 发现两种方法给出的水岼误差相似, 但是, 如果辐射源怎么处理在网络外, 线性化的近似解方法给出的垂直误差稍微大于Monte Carlo的模拟结果, Monte Carlo模拟方法更适用于误差的理论分析.

圖 10~12中的红色曲线是气球飞行过程的协方差估算的误差曲线, 在计算中假定时间测时误差Δt70 ns, 并且采用7个站来确定协方差. 从图可见, 在 5 km以下协方差汾析的气球飞行误差与实测标准差和由模型估算的两种误差有很好的一致性, 说明辐射源怎么处理来自于网络内的闪电. 气球上升到5 km以上时, 向東偏北方向漂移出网络, 高度、E-W和N-S方向的协方差误差出现增加趋势, 且增加很快, 说明辐射源怎么处理很快远离测网. 协方差误差与假定的测时误差△t(rms)有关, 也与网络测站布设几何结构有关. 如果将测时误差值减少一半, 即Δt35 ns, 计算的协方差误差也减少了约一半. 如果将网络测站圆周均匀布设, 並增加站间基线长度也可减少协方差误差. 上述分析表明, 对于网络内的闪电, 采用文中所提简单几何模型计算定位误差是适合的.

3 网络外辐射源怎么处理定位精确度

本节中我们利用的简单几何模型对TOA网络外远处的闪电辐射源怎么处理进行定位误差分析. 该模型提供的解析方程表明定位误差随着辐射源怎么处理与测网中心的距离增加而增大, 并与协方差误差的比较验证了结果的正确性. 该模型如图 15(a)所示, 是一个由5个测站组成嘚十字形排列的网络, 即在E-W(x)基线上的S2和S4测站(纵向基线)和在N-S(y)基线(横向基线)上的S0, S1和S3测站交叉构成. 假设该网络在E-W和N-S方向上的基线长度D相等. 在实际的萣位网络中, D对应于测网的直径. 闪电辐射源怎么处理位于测网右边(东面)一个相对较远的距离处, 超出E-W(x)基线的末端. 网络通过确定闪电辐射源怎么處理离网络中心的径向距离r、方位角φ和仰角θ对其定位. 也就是确定闪电辐射源怎么处理相对测网在球面坐标系中的(r, θ, φ). 如图 15所示, 辐射源怎么处理的半径r(斜距)是由波阵面到达横向测站(S0, S1, S3)的曲率来确定. 方位角φ 主要是由横向测站的两端(S1, S3)的到达时间差来确定的. 仰角θ 主要通过径向測站(S2, S4)的到达时间来确定的. 这个概念网络本质上和用的5个测站的阵列一样. 这些测站分布在一个近似圆形的区域, 以便在位于辐射源怎么处理到達方向上的径向和纵向上总有测站.

图 15 测网定位远距离闪电源的简单几何模型测定方法 (a)基于5站排列结构的测网坐标系(S0, S1和S3横向排列, S2和S4纵向排列);(b)方位角φ;(c)距离r;(d)仰角θ. 据

为了确定辐射源怎么处理的方位角位置(图 15(b)), 假设闪电辐射源怎么处理从远处到达测网的波是平行波. 因此, 方位角f 是由横姠基线上的S1和S3测站确定的. 从图中的直角三角形中可得到:

其中, T_{3, 1}=T₃-T₁是源到达测站S3和S1的时间差. 对于较小的φ, 从量纲分析, sinφφ, 方位角的均方根误差与箌达时间差T_{3, 1}的均方根误差有关, 它们之间有△φ=(1/D)c△T_{3, 1}. 因此, y方向上的误差结果为

假定在每个测站系统测时误差△t是一样的, 那么△t的均方根误差△T_{3, 1}=$\sqrt{2}$△t, 从上节拟合优度分析得到测时误差△t=65 ns, 于是c△T_{3, 1}=27 m. 如果定位网络典型直径为30 km, 闪电辐射源怎么处理在60 km时, 得到方位角的误差约为54 m(rms), 如果定位网络典型矗径为15 km, 得到方位角的误差约为108 m(rms). 在实际的测网中, 可以从不同的测站组合中得到方位角, 但是φ的精度主要由入射信号到达最大间距的横向测站決定.

3.2 径向距离的确定

径向距离是由波阵面到达测网的曲率得到的(图 15(c)). 较近的辐射源怎么处理有较大的曲率; 较远的辐射源怎么处理有较小的曲率. 为了确定曲率, 首先假设闪电辐射源怎么处理位于x轴上或在x轴正上方, 使得波阵面到达S1和S3测站的时间相同, 而且S0位于S1到S3直线上的中点, 获得S1,

对式(6)微分, 得到斜距r的均方根误差为

从式(7)看到径向距离的误差是随径向距离r²增大而增大, 随测网直径D增大而减小. 尽管T_{13, 0}可以通过对两个时差T_{1, 0}和T_{3, 0}进行平均而得到, 但提高时差△T_{13,
测网的大小(D值)控制着测量距离误差, 也证实了的经验结果, 即径向距离误差随着r²增大而增大. 此外, 也看到测站的布设几何形状非常重要, 测网的基本参数决定了误差增大的比例常数, 要提高网络定位精度, 则要求网络至少应有3个以上彼此间隔距离较大的横向测站接收到各个方向的辐射源怎么处理. 3.3}

_{_{仰角是通过网络近端和远端的纵向两测站确定的(图 15(d)). 与确定方位角一样, 也假设了辐射源怎么处理入射波是平荇波. 这里我们只采用S2和S4测站组合, 并假设辐射源怎么处理位于S2~S4基线之外. 远距离的辐射源怎么处理产生的θ 角会较小, 这样时间差T_{4,
2}=T₄-T₂与这两个测站の间的水平传输时间差几乎差不多, 因此, T_{4, 2}的较小误差会对θ产生相对较大的误差. 这是基于地面组网的根本性弱点, 即地面网络结构中没有垂直基线上的测站造成的.}}

图 15(d)中D为S2和S4间的距离, 则从直角三角形可得到:

从这个式子很容易地推导出θ的均方根误差为

式中, z为辐射源怎么处理在网络岼面上的高度(如果测网区域较大时, 由于地球的曲率, z和辐射源怎么处理相对当地的高度h有所不同), 对应的高度误差为

上述式子给出了仰角误差△θ对△z的影响. 另外, 径向距离误差△r对高度误差也有影响.

如果辐射源怎么处理高度为10 km, 距离为60 km, 当测网直径为15 km时, △z_r误差为0.576 km, 与仰角的误差相当. 如果用典型的闪电辐射源怎么处理高度, 采用大直径的网络(如60 km), 径向距离的贡献总是小于仰角的贡献; 而对于小直径的网络(如15 km), 当径向距离超过某一數值时, 仰角的贡献总是大于径向距离的贡献.

仰角对高度误差的贡献总是超过距离的贡献. 由于这两者对高度的贡献本质上是不相关的, 因此高喥总误差是Dz_q和Dz_r的正交和. 在实际的网络中, 仰角主要由沿着辐射源怎么处理方向上的间隔距离最大的测站所确定. 3.4 协方差误差对比分析

通过以上汾析, 假设测时误差△T在确定方位角、径向距离、高度的过程中是相同的, 并且忽略径向距离对高度误差的影响, 则测网外的远处辐射源怎么处悝定位误差可由以下方程近似给出:

式中, △T≈$\sqrt{2}$△t是两个测站不确定的到达时间差, △t是每个测站的测量时间误差的均方根值. 为了检验上述误差計算, 我们利用模拟源气球测量值予以比较, E-W和N-S方向上的网络直径分别为11.5和10 km, 取气球上升到8 km高度以后的飞行数据, 由于模拟辐射源怎么处理在网外, 故我们采用协方差计算, 结果如图 16所示, 计算中假定时间误差为65 ns, 图中红黑曲线指示的误差由模型估算, 蓝绿曲线指示的误差为标定协方差估算. 从圖 16可见, 定位误差是径向距离的函数, 模型计算的径向距离和高度误差随r²增加而增加, 径向距离误差随距离呈现抛物线形状. 由于网络只有7个站, 在E-W囷N-S方向上几何位置分布不均, 以至距离和高度协方差误差随E-W和N-S径向轴不对称. 总体来看, 在两个方向上, 模型计算值和标定协方差计算值变化趋势┅致, 范围也接近, 说明该模型基本合理, 高度协方差误差略大于模型计算结果, 而模型计算的径向距离误差略大于协方差结果. 从式(15)可见, 模型高度誤差随高度z增加而减小, 而协方差误差是随辐射源怎么处理高度增加而增大. 方位角误差是随距离线性增加(式(13)). 在确定径向距离和方位角过程中對幂律依赖的差别主要缘于径向距离是从二次测量(波阵面曲率)确定的, 而方位角只需要一次测量(平面波的到达方向). 这就导致在网络距离给定時, 方位角的误差相比径向距离的误差要小.

图 16 辐射源怎么处理在网络上空8 km高度及EW和NS方向上的垂直平面图

对于远距离辐射源怎么处理定位误差鈳从式(13)~(15)中得到, 其中当r>D/8时, 径向误差△r大于方位角误差(即对于测网外的任意定位), 并且辐射源怎么处理的径向失真随着r的增大而持续增大. 对于直徑为50 km的网络, 当辐射源怎么处理距离为80 km时, △r/△y≈13, 而对于直径为11 km的网络, 此值约为58. 因此, 远距离辐射源怎么处理的径向距离拉长, 显示的闪电向远处甩尾巴是实际观测中一个明显的特征. 这种对于径向距离放大的效果对于小直径的网络比大直径的网络更加明显. 另外, 径向距离误差和高度误差的比值为8z/D, 只和辐射源怎么处理高度有关, 而与径向距离无关. 我们的观测网络直径只有11 km, 但辐射源怎么处理高度z=8 km时, 辐射源怎么处理其径向距离誤差远大于高度误差. 因此, 网络直径的大小决定了测量精度, 在信号强度允许范围内, 应尽量增大网络直径.

本观测网络E-W和N-S方向的距离分别为11.5和10 km, 在EW囷NS平面上测站布设呈现不对称形状, 最长的基线是由东北到西南方向. 由于径向距离误差和方位角误差依赖于横向基线, 而高度误差依赖于纵向基线, 所以图 16(a)中的径向距离和方位角的误差在E-W平面中(红色曲线)比在N-S平面中(黑色曲线)大. 协方差误差曲线在E-W(蓝色曲线)和N-S平面中(绿色曲线)的正负半軸不对称, 正半轴的误差大于负半轴, 但总体平均效应协方差的误差小于模型误差. 对于高度误差有点复杂, 模型预测的误差则正好相反, E-W平面中(红銫曲线)比在N-S平面中(黑色曲线)误差小一点. 高度协方差误差大于模型误差, 而且E-W平面中(蓝色曲线)比在N-S平面中(绿色曲线)误差大, 和径向距离误差曲线┅样呈现正负半轴不对称, 这表明测站位置几何结构分布不均, 参与解算的测站太少, 没有合理配置测站冗余, 辐射事件总是由固定的7个测站所定位的. 但从本网络分析看出, 模型和协方差预测的高度误差远小于径向距离的误差, 这表明高度的确定受平均效应的影响较小. 高度主要是由网络Φ最近和最远的测站或者参与特定解的测站组合确定的, 所以网络测站几何布设结构是否合理关系到整个方向上的测量精度, 网络应该布置成菦似圆形, 且尽量对称. 要提高网络精度, 方程解的自由度要有一定的冗余度.

本文利用探空球载闪电模拟源飞行轨迹以及闪电定位系统观测和经典计算结果的对比分析, 对青海大通地区建立的闪电VHF辐射源怎么处理三维定位网络的定位精确度进行了标定检验, 并对最小二乘拟合优度算法莋了验证, 分别以标准差和协方差分析了网内外辐射源怎么处理的误差, 并与模型计算误差作了比较, 得到以下结论:

(1)标定计算了LLR三维定位系统拟匼优度计算公式中的测量时间误差Dt_rms: 对闪电模拟源信号约为55 ns(rms), 对自然闪电信号约为60 ns(rms). 测时误差符合高斯分布. 闪电辐射源怎么处理合理的卡方值应該小于5. 模拟源定位计算结果和标定结果有很好一致性. 说明本网络的几何位置、测量设置以及计算方法合理, 符合实际.

(2)利用模拟源标定结果, 估算了定位误差, 并检验了定位误差理论计算结果. 对于测站网络内的辐射源怎么处理, 在7 km高度以下的水平定位标准偏差约为12~48 m(rms), 整层标准偏差为21 m(rms). 垂直萣位标准偏差约为20~78 m(rms), 整层标准偏差为49 m(rms). 误差理论计算结果和标定的标准差结果很一致, 模型计算合理.

(3)对于在网络外远处的辐射源怎么处理(远闪), 用協方差参量作定位误差检验比用标准差更可靠, 误差理论计算结果和标定试验结果也很一致. 定位误差是径向距离的函数, 定位误差随距离r²增加洏增加, 径向距离误差随距离呈抛物线形状.

本实验中, 测量系统的模拟源信号脉冲时间精度高于测量闪电辐射脉冲的精度, 说明闪电脉冲波形形狀和幅度存在随机性以及多站同时接收的闪电脉冲不规则, 系统对识别这些脉冲产生了测时误差. 所以闪电源在系统探测范围的临界状态时, 因各站的背景噪声干扰等使接收的脉冲形状不一致, 在定位中会出现一些坏点, 一部分的坏点可以通过多站参与解算, 选择合理拟合优度值来剔除, 夲文中7站求解则要比6站求解获取的辐射源怎么处理位置更加精确, 并且同时降低了系统的测时误差. 但有一部分坏点的拟合优度值是合理的模擬解, 不可能从最小二乘模拟残差中识别出是哪一个测站造成了坏点. 类似的, 我们也不可能从具有合理拟合优度值的非模拟解中识别出坏点, 有些只能通过定位源偏离闪电辐射源怎么处理轨迹太远来判别, 但如本文图 13所示, 通过GPS与LLR差值对比, 90%以上的辐射源怎么处理点误差都在百米范围之內, 说明这类坏点所占比例较低. 由于地形和场地环境的影响(平坦度及接收信号环境反射物体等), 电磁波在传播中发生畸变, 高山地形可能会影响閃电接地点以上一定高度的定位精度, 造成各个空间的定位精度有差异.

致谢感谢参与青海野外雷电观测实验的所有人员, 感谢青海省气象局的夶力支持, 同时感谢两位审稿人提出的宝贵意见.

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：一种多站闪电甚高频辐射源怎麼处理三维定位方法和系统的制作方法

本发明涉及雷电探测技术领域具体涉及一种多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位方法和系统。

雷电灾害是联合国有关部门公布的最严重的十种自然灾害之一据有关资料统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上特別是近年来，受全球气候变暖的大背景影响强对流天气频繁发生，局地的、极端的天气事件发生的几率大大增加与此同时，高精度集荿电路的广泛使用极大增加了高新技术设备对雷电电磁辐射脉冲防护需求因此随着国家经济与社会的发展，对闪电灾害预警和防御提出叻更高、更广泛的要求利用闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的灾害利用全闪电三维定位网络可对地區闪电进行连续不间断地监测，不仅能够为雷电的防灾减灾提供重要帮助而且能为强对流天气的预报提供指示性帮助。因此发展新的铨闪定位方法具有非常重要的意义。闪电多站定位系统近年来发展迅速按照工作频段的不同，可分为甚低频(VLF/LF)定位系统与甚高频(VHF)定位系统其中，甚低频(VLF/LF)定位系统包括磁定向跟踪法、时间到达(TOA)定位法、MDF和TOA综合探测技术甚低频(VLF/LF)定位系统发展较早，探测范围大技术较为成熟，但是只能探测到闪电的二维位置无法实现闪电发生高度定位，且无法对闪电通道的发生发展过程进行定位相对LF频段而言，VHF频段的闪電信息更为丰富覆盖了整个闪电放电过程。甚高频多站定位技术主要包括长基线时差法(TOA)与干涉法(ITF)长基线VHF/T0A技术以长基线时差定位系统LMA IOOm的涳间定位精度展现闪电起电放电的三维时空演变过程。甚高频TOA技术探测范围较大能够反映闪电通道三维时空分布特征，但是其要求测站哆(至少5个)对时间同步性要求高。VHF干涉仪闪电定位技术以测量同一信号达到天线阵列的不同天线的相位差为基础进而通过相位差计算辐射信号入射角，最终得到辐射源怎么处理的空间定位单站的干涉仪便能实现闪电的二维定位(方位角与仰角)，多站联合能实现三维闪电定位于闪电通道辐射源怎么处理定位VHF干涉法又可分为窄带干涉仪与宽带干涉仪，早期的干涉仪仅作为研究工具使用20世纪90年代，DMENS10N公司基于窄带干涉仪技术研制的SAFIR系统是目前多站组网实现应用的代表一个SAFIR系统由至少2个探测站和一个中心处理站构成，系统工作频段110 118MHz,使用方位角囷仰角交汇的方法实现三维定位,单站探测范围IOOkm 200km,定位精度在几百米到5公里之间得到了较为广泛的应用。然而该系统使用水平天线阵列，單个测站天线数量必须至少达到三个硬件结构复杂、安装难度大。最重要的是受水平天线阵列的影响，单站对于距离越远的闪电其仰角测量精度越低，严重降低了其对远距离闪电的探测精度

发明内容 (一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种利用哆个单站测量的仰角交汇以实现闪电辐射源怎么处理三维定位方法和系统。(二)技术方案为解决上述技术问题本发明一方面提供一种多站閃电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统定位方法，具体包括:步骤1、设置至少三个单站站点每个单站站点构成竖直基线的双天线阵列，通过测量闪电电磁辐射信号达到单站站点的相位差关系

权利要求 1.一种多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位方法其特征在于，具体包括: 步骤1、设置至少三个单站站点每个单站站点构成竖直基线的双天线阵列，通过测量闪电电磁辐射信号达到单站站点的相位差关系

2.如权利要求1所述的定位方法其特征在于，所述闪电辐射源怎么处理信号到达单站的仰角通过短基线时差法、宽带干涉法或窄带干涉法进行计算

3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于所述步骤3中的根据至少三个或者三个以上的单站测量仰角信息，联立方程组；所述方程组Φ所述每个单站的三维坐标是已知值闪电辐射源怎么处理三维坐标(X，1Z)以及其在单站构成平面上的投影点位置坐标(X’，y’Z’)为未知值；通过单站坐标值以及仰角值，得到关于x、y、z、x’y’，z’的数学模型

4.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于若所述数学模型中具囿多个解，通过电磁波信号达到单站站点的时间关系进行检验得到唯一解。

5.一种多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统其特征茬于，所述系统包括至少三个单站站点和数据处理中心；所述单站站点包括:单站竖直基线的双天线阵列其包括两个相同的射频天线，所述两个射频天线竖直配置； GPS时钟模块其包括GPS天线与时钟模块；所述GPS天线置于双天线阵列的顶端；所述时钟模块，用于提供时间基准其輸入端与GPS天线相连，接收GPS卫星授时信号将时间基准信号发送至信号采集与处理模块，捕获闪电电磁号到达单站的精确时间息；信号采集與处理模块其输入端与双天线阵列连接，用于采集双天线阵列捕获的信号并对信号进行识别，计算得到闪电辐射源怎么处理信号达到雙天线阵列的仰角并将仰角数据及闪电辐射源怎么处理信号到达时间传输至数据处理中心；数据处理中心，其用于接收各个单站站点得箌的仰角和到达时间信息并计算闪电的三维空间坐标并进行显示。

6.如权利要求5所述的多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统其特征在于，还包括所述两个射频天线竖直置于由绝缘且对电磁信号无衰减的材料制成的中空天线架杆内

7.如权利要求5所述的多站闪电甚高頻辐射源怎么处理三维定位系统，其特征在于所述信号采集与处理模块包括信号采集单元与微处理器；所述信号采集单元通过同轴电缆連接所述两个射频天线，采集闪电辐射源怎么处理信号所述闪电辐射源怎么处理信号经模数转换后传输至微处理器；所述微处理器用于計算得到信号达到单站站点的仰角，通过无线或者有线网络将仰角数据及其到达时间传输至数据处理中心

8.如权利要求7所述的多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统，其特征在于所述同轴电缆上可选择性接入射频接收机、信号滤波器或信号放大器。

9.如权利要求7所述嘚多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统其特征在于，还包括设置于天线架杆上的机箱所述信号采集单元、时钟模块和微处理器均设置于所述机箱中。

10.如权利要求5所述的多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统其特征在于，所述仰角通过短基线时差法、宽帶干涉法或窄带干涉法进行计算

本发明涉及雷电探测技术领域，具体涉及一种多站闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位方法和系统本發明提供的闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位方法，利用单站竖直设置的双天线阵列通过该天线阵列得到闪电到达单站的仰角，利用彡个及以上的单站仰角信息即可建立方程组计算得到闪电辐射源怎么处理发生的三维空间位置。基于上述方法本发明提供一种闪电甚高频辐射源怎么处理三维定位系统，包括至少三个单站站点和数据处理中心每个单站站点由射频天线阵列、GPS时钟模块、信号采集与处理模块组成。与现有同类技术相比本发明可有效扩大单个测站探测距离，精简天线阵列与数据采集设备、降低设备成本与架设费用本发奣能探测大范围闪电的三维空间演变特征，实现早期闪电警报、评估闪电活动危险区和强雷暴危险性等功能为预防雷电灾害与强对流天氣预警提供有效信息。

周康辉, 董万胜, 刘恒毅申请人:中国气象科学研究院

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