一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法

摘要

本申请涉及一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法，首先确定观测子站的不同特征参数导致其对地闪回击定位精度影响的等级；再根据确定的不同等级将观测子站定位精度分布进行网格化处理；接着根据复杂地形引起的地闪回击电磁场传播时间延迟性，确定不同的网格的定位误差；然后根据对地闪回击定位误差要求的不同，将定位误差大的网格中的闪电数据剔除；最后根据预设对比资料，确定闪电定位数据优化前后的差异，并评估闪电定位数据质量控制效果。本申请提供的方法是在观测子站硬件的固有时间偏差上，再增加地形传播路径带来的额外时间偏差，利用蒙特卡洛算法实现对观测子站的定位偏差问题进行实时优化和处理。

说明书

技术领域

本申请涉及强对流灾害天气过程的雷电探测与预警服务技术领域，尤其涉及一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法。

背景技术

基于GPS技术的多站时差(TOA)闪电定位技术定位算法是目前常用的一种定位算法，近年来随着GPS技术的发展，高精度的GPS时间使得TOA的定位精度有了较大的提高。对于长基线时间差闪电定位系统而言，其主要误差来源是时间测量的不确定性。闪电电磁波传播过程中复杂地形和不均匀电导率均对脉冲到达各观测子站的时间有一定的影响，对于长距离传播的闪电电磁波，其到达时间还将受地球曲率和大气折射率的影响；此外，观测子站间时间同步性越好，参与定位的观测子站数越多，定位精度越高；最后，观测子站所处的电磁环境，将与到达观测子站的电磁波相耦合，使观测子站记录到闪电电磁波产生畸变，从而影响脉冲波形的识别及定位。

在TOA定位技术中，观测子站间的距离是固定的，利用闪电信号到达两个观测子站的时间差可以构造出一条双曲线，多个观测子站构造出的多条双曲线必定相交于某一点，即为闪电辐射原点的位置。三站时间差可以通过双曲线法计算得到辐射源点的二维经纬坐标，四站时间差可以通过双曲面法计算得到辐射源点的三维空间坐标，对于五站时间差数据，通过求解非线性方程组计算得到辐射源点的三维空间坐标及发生时刻，更多的同步时间信息被用于定位结果的优化。TOA定位的准确性与时间测量的误差直接相关，地形或是环境干扰的影响可能导致TOA定位的米量级到千米量级的误差。

时间测量的误差主要有以下几个来源：(1)地形引起的电磁信号到达时间的延长；(2)GPS授时精度；(3)不同方法计算的到达时间/时间差。其中，地形引起的测时误差与地形的起伏程度有关，对于沿地表传播的长波信号，统计结果指出每100km由地形引起的测时误差约为1μs。同时，由于电磁波传播过程中的色散和干涉效应，波形会出现畸变，波形的上升沿参数及峰值时间出现不同程度的改变。GPS授时精度受安装的授时系统影响，测时误差可能从50ns到200ns不等。可知，地形引起的时间误差对定位结果的影响更大，这也导致了在地形较为崎岖的山区TOA定位结果往往存在较大的偏差。如Schulz和Diendorfer使用真实地形的传播路径替代了IMPACT算法中的直线路径，进行修正后的闪电定位点与作为参照的无线电塔的距离减小，时间偏差有了一定的下降。Li等人在此基础上进一步比较了terrain-envelope method和tight-terrain-fitmethod两种路径延长方法对二维TOA定位算法的修正效果，同样证明山区地形的闪电定位有必要考虑地形的粗糙程度和高低起伏特征的影响。

山体地形对基于理想假设条件，即假定信号以光速无损地沿直线路径向观测子站进行传播的TOA算法定位结果有较大的影响，可能为山区的雷电防护带来不利影响，因此有必要针对山体等崎岖地形对闪电定位的影响进行更加深入的研究，结合真实地形数据对闪电定位算法进行改进。

目前使用的地基闪电探测网，基于电磁场传播的相关理论定位辐射源点的位置，反演电流幅值等物理参数。雷电电磁波在传播过程中，受各种因素的影响，电磁信号到达远处观测子站时的波形参数，如上升沿时间、变化率、波形峰值等，与理论值可能出现不同程度的偏离，影响探测网的定位精度及反演结果的准确性。在较近的距离内，地闪回击通道产生的电磁辐射场主要以地波形式向观测子站传播，山体等崎岖地形对回击电磁场传播的影响往往不可忽略。定位算法中一般假定闪电产生的电磁信号以光速沿直线向观测子站进行传播，地表面光滑且电导率无限大，而雷电电磁场在真实环境的传播过程中会受到色散和衍射等效应的影响，使闪电定位的准确性下降，从而使闪电参数反演结果出现较大的误差。因此，有必要针对雷电电磁波在复杂地形中的传播这一问题进行深入的研究和讨论，对山体等起伏地形引起的波形变化进行修正，以提高真实环境下地基闪电探测网定位和反演结果的准确性。

但目前针对探测网定位精度的评估和虚假信号以及偏差大的数据的优化问题，通常仅仅是利用蒙特卡洛等常用的方法进行评估，而对实际的观测数据没有较好的优化方法。

但实际上，不同地区地形地貌不同，由于高大山体对地闪回击电磁脉冲信号传播的影响，最终导致地闪回击电磁脉冲到达观测子站时存在一定的滞后性。

发明内容

本申请提供了一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法，以解决传统方法不能对地闪回击定位数据进行较好的优化的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法，包括以下步骤：

确定观测子站的不同特征参数导致的所述观测子站对地闪回击定位精度影响的等级；

根据所述等级将探测区域内的观测子站定位精度分布进行网格化处理；

根据所述探测网区域内的复杂地形引起的地闪回击电磁场传播时间延迟性，确定不同的网格的定位误差；

根据对地闪回击定位误差要求的不同，将所述定位误差大于预设误差要求的所述网格中的闪电数据剔除；

根据预设对比资料，确定闪电定位数据优化之前和优化之后的差异，并评估闪电定位数据质量控制的效果。

进一步的，根据所述等级将探测区域内的观测子站定位精度分布进行网格化处理包括以下步骤：

根据预设范围，确定所述探测区域；

将所述探测区域以预设网格边长进行网格化处理；

将闪电辐射源点设置在每个网格的中心。

进一步的，确定不同的所述网格的定位误差包括以下步骤：

模拟计算所述闪电辐射源点的闪电电磁脉冲到达每个观测子站的时间，并确定所述闪电电磁脉冲到达每个观测子站的时间误差；

根据所述时间误差，计算所述闪电辐射源点的模拟位置；

确定所述闪电辐射源点的模拟位置和所述闪电辐射源点的真实位置的平面误差；

确定每个所述网格的均方根定位误差。

进一步的，确定不同的所述网格的定位误差还包括以下步骤：

确定所述闪电辐射源点的闪电电磁脉冲以光速传播过平坦地表到达每个观测子站的理想传播时间；

确定所述闪电辐射源点的闪电电磁脉冲以真实地形的等效路径传播到每个观测子站的等效传播时间；

将所述等效传播时间与所述理想传播时间的差值设定为补偿时间。

进一步的，所述平面误差包括水平方向误差和垂直方向误差，其中，

D

式中，D

进一步的，所述闪电电磁脉冲传播到观测子站的时间为所述理想传播时间和所述补偿时间之和。

进一步的，所述特征参数包括所述观测子站的经纬度、所述观测子站的数量、所述观测子站GPS固有的时间偏差。

进一步的，所述确定观测子站的不同特征参数导致的所述观测子站对地闪回击定位精度影响的等级是利用蒙特卡洛算法进行确定。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的一种考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法，首先确定观测子站的不同特征参数导致的观测子站对地闪回击定位精度影响的等级；再根据确定的不同等级将探测区域内的观测子站定位精度分布进行网格化处理；接着根据探测网区域内的复杂地形引起的地闪回击电磁场传播时间延迟性，确定不同的网格的定位误差；然后根据对地闪回击定位误差要求的不同，将定位误差大于预设误差要求的网格中的闪电数据剔除；最后根据预设对比资料，确定闪电定位数据优化之前和优化之后的差异，并评估闪电定位数据质量控制的效果。本申请提供的地闪回击定位数据的优化方法是在观测子站硬件的固有时间偏差上，再增加地形传播路径带来的额外时间偏差，利用蒙特卡洛算法实现对观测子站的定位偏差问题进行实时优化和处理。

附图说明

图1为本申请实施例提供的考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法的主要步骤流程图；

图2为本申请实施例提供的考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法的具体实施步骤流程图；

图3为本申请实施例提供的对真实地形的路径延长等效示意图。

具体实施方式

为便于对申请的技术方案进行描述和理解，以下结合附图及实施例对本申请的技术方案作进一步的说明。

参见图1，本申请实施例提供的考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法。该方法的主要实施步骤为：首先根据已有观测子站布局和观测子站GPS固有的时间偏差，以及地形引起的地闪回击时间到达的滞后，利用蒙特卡洛算法分析观测子站定位精度分布；然后根据不同行业、不同部门对地闪回击定位精度的不同要求，将上述利用蒙特卡洛算法分析得到的误差大的区域的闪电数据剔除，达到数据质量控制的效果；最后利用雷达组合反射率或者风四卫星的云顶亮温(CTT，Cloud Top Temperature)资料，对比分析闪电定位数据优化之前和之后的差异性，评估数据质量控制的效果。

具体的，参见图2，本申请实施例提供的考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法的具体实施步骤为：首先利用蒙特卡洛算法分析观测子站布局、观测子站数量和观测子站GPS时间的不一致性对地闪回击定位精度的影响，将探测区域内的观测子站定位精度分布进行格点化处理；然后利用蒙特卡洛算法分析探测网区域内的复杂地形引起的地闪回击电磁场传播时间延迟性对格点化定位精度的影响，并确定不同格点的定位偏差；根据不同行业、不同部门对地闪回击定位精度的不同要求，将上述利用蒙特卡洛算法分析得到的误差大的格点区域的闪电数据剔除，达到数据质量控制的效果；利用雷达组合反射率或者风四卫星的云顶亮温资料，对比分析闪电定位数据优化之前和之后的差异性，评估数据质量控制的效果。

以下以一个具体的实施例为例，对本申请实施例提供的考虑路径延长因素的地闪回击定位数据的优化方法进行说明。

利用蒙特卡洛算法对观测子站定位精度模拟分析时，主要可分为以下几个步骤：

S1:对探测区域进行网格化处理。模拟分析区域范围大小取200km×200km，模拟分析区域中心为7个观测子站位置的几何中心；将模拟分析区域空间进行网格化处理，闪电辐射源点位置为每个网格的中心，网格大小为5km×5km，辐射源分别处于0km、1km、5km和10km高度。

S2:模拟计算辐射源点到达各个观测子站的时间，并叠加时间误差。在计算到达时间时忽略复杂地形等因素对测时的影响，假定辐射源脉冲以光速直线传播；选取均值为0μs，标准差SD为100ns、200ns和300ns的随机测时误差，模拟真实闪电电磁脉冲的到达时间误差。

S3:计算叠加测时误差后的辐射源位置，并计算模拟定位的辐射源与真实的辐射源的位置间的平面误差D

D

式中，D

S4:重复步骤S1～S3100次，得到对应网格的100个定位误差，以此求得每一网格上的均方根定位误差。

考虑地形延迟效应的时间补偿。

忽略观测子站GPS计时精度的误差，信号从雷击点向观测子站传播的时间t，会因为地形、电导率等的影响而变化，与同等水平传播距离的理想平坦地表的传播时间t

t＝t

式中，t

参见图1，图1中给出了进行时间补偿的等效路径示意图。图中的崎岖地形的曲线为从雷击定位点到观测子站的地形剖面，包络近似的虚线为通过凸包函数得到的地形最大包络，直线路径的直线为雷电点和观测点连接直线。

进行时间补偿时，将信号以光速沿包络近似的虚线和直线路径的直线传播的时间差作为对上式中Δt估算，以此减少传播时间t与理想情况下的t

通过以上步骤，在观测子站硬件的固有时间偏差上，再增加地形传播路径带来的额外时间偏差。然后利用蒙特卡洛算法就可以对观测子站的定位偏差问题进行实时优化和处理。