一种基于排除偏差的雷电定向定位优化方法

摘要

本发明涉及一种基于排除偏差的雷电定向定位优化方法，包括如下步骤：步骤1，采集直交环状磁场天线所输出的两组信号波形峰值及周围数据；步骤2，根据步骤1中采集的信号波形，获得多个的到来方向推定结果；步骤3，排除步骤2中到来方向推定结果中的偏差；步骤4，对步骤3中剩余的到来方向推定结果取平均值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于排除偏差的雷电定向定位优化方法。

背景技术

地闪所产生的辐射电磁波向空间传播的过程中，由于地表(大地、河流、海 洋等)的电导率不同导致了电磁波波形产生畸变。同时，由于通信电磁波以及噪 声的存在，致使雷电定位系统信号接收装置所采集的电磁波波形中包含了大量的 干扰成分。为了减小或避免这些干扰成分对雷击位置定位结果的影响，需要对采 集到的电磁波信号进行优化处理。

目前，雷电定位系统已经为雷电活动规律研究及输变电设备防雷设计提供了 大量数据，是电力系统研究雷电活动、电网主动防雷的一种非常有效手段。雷电 定位系统常用的定位算法是通过推算地闪产生电磁波的到达时间与推定到来方 向相结合的方式。雷电定位系统所用的天线由直交环状磁场天线与电场天线构成。 其中磁场天线是由东-西(EW)方向与南-北(NS)方向直交配置且垂直于地面 的环状天线构成，分别用来采集电磁波磁场成分在东西与南北方向的分量，磁场 天线输出信号的强度符合三角函数关系，因此，可以通过公式(1)与电场天线 采集到的电场波形综合判断，推定出电磁波的到来方向，其定向原理如图1所示。

$\theta ={\tan }^{-1}\frac{H_{ew}}{H_{ns}}---\left(1\right)$

式中，为到来方向；H_ew为直交磁场天线输出的东西方向分量的峰值；H_ns为直 交磁场天线输出的南北方向分量的峰值。

随着定位技术的发展，雷电定位系统引入了高精度的GPS系统，加入了时间 参数，利用各个探测站之间的到达时间与上述的到来方向相结合的方式定位，其 定位原理如图2与公式(2)所示。

$F=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left[\frac{{({\theta }_i-{\theta }_{0i})}^2}{{\sigma }_{\theta i}^2}\right]+\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left[\frac{{(t_i-t_{0i})}^2}{{\sigma }_{ti}^2}\right]---\left(2\right)$

式中：i为探测站序数(i＝1,2,…,N)；N为探测站总数；θ_0i为电磁波到来方向 的最适值；θ_i为电磁波到来方向的推定值；σ_θi为到来方向推定误差的偏差；t_0i为到达时间的最适值；t_i为到达时间的推算值；σ_ti为到达时间推算误差的偏差。

但是，在定向算法中一旦所用的信号峰值中包含了干扰成分，会致使定向精 度降低，进而影响了雷击定位的结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是提供一种基于排除偏差的雷电定向定位优化 方法，其主要用于雷电定位系统中的定向定位部分，可以降低或避免因信号峰值 包含干扰成分对雷击定位结果的影响，以获得高精度的定位结果。

为实现上述目的，本发明提供一种基于排除偏差的雷电定向定位优化方法，， 包括如下步骤：步骤1，采集直交环状磁场天线所输出的两组信号波形峰值及周 围数据；步骤2，根据步骤1中采集的信号波形，获得多个的到来方向推定结果 步骤3，排除步骤2中到来方向推定结果中的偏差；步骤4，对步骤3中剩余的 到来方向推定结果取平均值。

进一步的，采集电磁波波形信号数据的有效利用：本方法利用了雷电定位探 测站天线采集到的雷击电磁波信号波形峰值附近其他波形数据的情报，代替传统 的利用信号单一峰值的方法，求出大量的到来方向推定结果，如式(3)所示：

${\theta }_k={\tan }^{-1}\frac{H_{ew\_k}}{H_{ns\_k}}\left(3\right)$

式中，θ_k(k＝1,2,3,…K)为到来方向，K为所利用数据的个数(K小于信号总长 度，并集中于峰值附近)；H_{ew_k}为直交磁场天线输出的东西方向分量的峰值及其 附近的波形数据；H_{ns_k}为直交磁场天线输出的南北方向分量的峰值及其附近的 波形数据。

进一步的，基于排除偏差的优化处理：在得到大量的到来方向推定结果后， 利用预定的规则，找出其中的分散值并除去。重复这种处理，将会除去包含了误 差(干扰成分)的推定结果，直到剩余的到来方向推定结果的精度达到要求，求 解剩余的到来方向推定结果的平均值以作为最后的到来方向推定结果。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：提供一种新的雷电定向定位方法， 避免或降低了传统定向定位算法由于信号峰值中包含干扰成分而对定向精度的 影响，进而提高了雷击定位精度。

附图说明

图1是磁场天线的定向原理；

图2是到达时间与到来方向相结合的定位算法；

图3是本发明的基于排除偏差的雷电定向定位优化方法的流程图；

图4是图3所示的排除偏差示意图。

具体实施方法

结合附图3、4说明本发明的具体实施方法。

1、采集信号波形峰值及周围数据：

将直交环状磁场天线所输出的两组信号波形按照相同的频率采样。抽取两组 信号波形各自峰值附近的多组数据(比如大于五组以上的数据)，应当理解的是， 两组信号的峰值出现处一致。

直交磁场天线输出的东西方向分量的峰值及其附近的波形数据的数值，单位 为KA：215、213、209、205、195、186、164、135、128、113；

直交磁场天线输出的南北方向分量的峰值及其附近的波形数据的数值，单位 为KA：114、111、109、107、98、95、83、79、68、59。

2、获取大量的到来方向推定结果：

将步骤1中所记录的两个信号的峰值附近数据，按照下式分别求解到来方向，

${\theta }_k={\tan }^{-1}\frac{H_{ew\_k}}{H_{ns\_k}}$

式中，θ_k(k＝1,2,3,…K)为到来方向，K为所利用数据的个数(K小于信号 总长度，并集中于峰值附近)；H_{ew_k}为直交磁场天线输出的东西方向分量的峰值 及其附近的波形数据；H_{ns_k}为直交磁场天线输出的南北方向分量的峰值及其附 近的波形数据。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H_{ew_k}215 213 209 205 195 186 164 135 128 113 H_{ns_k}114 111 109 107 98 95 83 79 68 59 θ_k62 62 62 62 63 63 69 60 62 62

3、排除推定结果中的偏差值：

按照偏差值定义，求解步骤2中获得大量到来方向推定结果的偏差值并除去。 再次求解剩余推定结果中的偏差值并除去。如此循环几次后，剩余结果中将不再 出现偏差值。

具体为θ_k(k＝1,2,3,…K)的平均值(即算术平均值)为μ，即：μ为62.7。

σ为θ_k数据组的标准差，也被称为标准偏差，公式为：

$\sigma =\sqrt{\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{({\theta }_k-\mu )}^2},$σ为2.24。

标准差数值越大，代表数值越分散，标准差数值越小，代表数值越集中。

在一个实施例之中，定义具体数值与平均值小于两倍标准差的数值为未偏差 的数值，具体数值与平均值大于两倍标准差的数值为偏差值，因此，选择具体数 值与平均值小于两倍标准差的数值进入下一轮的计算，舍弃具体数值与平均值大 于两倍标准差的数值以阻止进去下一轮的计算，循环计算的次数依据需要的精度 而计算。那么，在第一轮计算之中，上述两倍标准差为4.48，θ₇数值与平均值 62.7的差为6.3，大于4.48，属于偏差的数值，θ₇应当排除。

当然，应当理解的是，在另一个实施例之中，也可以定义具体数值与平均值 小于一倍标准差的数值为未偏差的数值，具体数值与平均值大于一倍标准差的数 值为偏差的数值，因此，选择具体数值与平均值小于一倍标准差的数值进入下一 轮的计算，舍弃具体数值与平均值大于一倍标准差的数值以阻止进去下一轮的计 算，循环计算的次数依据需要的精度而计算。那么，在第一轮计算之中，上述一 倍标准差为2.24，θ₇数值为69，θ₇数值与平均值62.7的差为6.3，大于2.24， 属于偏差的数值，θ₇应当排除。

4、平均化处理：

将步骤3中剩余的到来方向推定结果取平均值，并作为到来方向的最后推定 结果。

如果将精度设置为：进行第一轮的偏差排除，已经达到精度要求。

那么上述计算之中，将θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₈、θ₉这八个剩余的到来 方向推定结果取平均值，结果为62，即到来方向的最后推定结果为62。

现有的雷电定位系统是通过推算到达时间与推定到来方向相结合的方式计 算雷击点的位置。本发明的方法适用于定位算法中的到来方向推定方法的优化， 本方法利用所采集到的电磁波信号峰值附近大量波形数据，代替传统的利用单一 信号峰值推定到来方向的原理，以通过大量波形数据获得大量到来方向推定结果， 然后利用排除偏差值的原理除去其中发散的数据(即干扰成分)，对剩余的稳定 值取平均值，以此作为最后的到来方向推定结果，从而改善雷击定位结果的精度。

应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护 范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明 技术方案的实质和范围。