[发明专利]基于分层搜索和距离空间投影的高精度闪电三维定位方法

权利要求书

1.一种基于分层搜索和距离空间投影的高精度闪电三维定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：观测站布站：设定一个观测站为中心站，3个最外围的观测站为辅助定位站，包括中心站的其他观测站位于辅助定位站之间连线构成的三角形内；

步骤1)中，观测站布站为：S个闪电观测站分散布置在不同地区，其中S≥5；以观测站1为中心站，辅助定位站选定观测站2、3、4，对观测站所在的地理空间建立三维笛卡尔直角坐标系，坐标原点位于中心站处，观测站的位置坐标已知，分别为r_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，i＝1,2,...,S为观测站的站点编号，[]^T表示矩阵转置，其中，中心站位置坐标为r₁＝[0,0,0]^T；

步骤2)：观测站记录闪电的闪电辐射电场值及其闪电触发时间；针对当前记录的一次闪电数据，计算该次闪电到达各观测站与到达中心站的到达时间差，利用该到达时间差校正各观测站的闪电触发时间；

步骤3)：利用初始搜索步长，对闪电观测站网探测范围进行地理空间网格单元的划分；

步骤4)：将地理空间网格单元转化到三维距离空间，获得距离空间网格单元；距离空间网格单元的三个坐标分量是将地理空间网格单元到三个辅助定位站和到中心站的距离差量化后所得值组成的单元；同时在三维距离空间上生成初值为零的距离空间投影矩阵；

步骤4)中所述将地理空间网格单元转化到三维距离空间为：

将划分得到的地理空间网格单元的坐标R代入距离差公式R_i＝||R-r_i||₂-||R-r₁||₂，其中，|| ||₂表示Euclidean范数；通过所述距离差公式计算得到每个地理空间网格单元到观测站2、3和4和到中心站的距离差R₂、R₃和R₄；以K△为步长量化距离差R₂、R₃和R₄，生成由观测站2、3、4决定的距离空间网格单元P＝{[n,m,l]}，其中，距离空间网格单元的三个坐标分量分别为K为地理空间分层搜索放大倍数，初始化K为设定值D，△为设定的闪电定位精度，ceil(·)表示对括号内数字向上求整；

步骤5)：根据步骤2)中获得的各观测站记录的闪电触发时间，将相应的闪电辐射电场值逐一投影到三维距离空间中，获得距离空间投影矩阵；

步骤5)中所述投影为：

根据步骤4)获得的距离空间网格单元P＝{[n,m,l]}和已知的观测站坐标r_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，采用牛顿迭代法解非线性方程组，

获得与每个距离空间网格单元对应的地理空间坐标x；

选取一个距离空间网格单元P1，针对观测站i＝2，将x代入到达时间差方程T_i1＝(||x-r_i||₂-||x-r₁||₂)/C，计算x到观测站2和到中心站的时间差T_i1，再将T_i1与步骤2)校正后的观测站2的触发时间t_i进行比较，如果|T_i1-t_i|ε，则不对三维距离空间网格单元[n,m,l]处的投影值I[n,m,l]做任何操作；如果|T_i1-t_i|≤ε，则令距离空间网格单元[n,m,l]处的投影值I[n,m,l]等于其自身的值加上与触发时间t_i对应的辐射电场值的绝对值|E(t_i,i)|；令i遍历3～S，S为观测站总数，完成对所有观测站的累加操作，从而得到距离空间网格单元P1的投影值；其中，ε为设定门限，C为电磁波传播速度；

针对每个距离空间网格单元计算地理空间坐标x并进行上述累加操作，完成对所有距离空间网格单元的投影；

步骤6)：将距离空间投影矩阵中投影值最大者对应的地理空间网格单元的位置，确定为闪电估计位置；缩小搜索步长，对以闪电估计位置为中心的区域重新进行地理空间网格单元的划分、转化和投影操作，获得新的闪电估计位置，重复多次，直到满足结束条件，最终获得闪电定位结果；

步骤7)：输出闪电定位结果及闪电发生时刻。