[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

说明书

本发明公开了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，本方法采取由粗到细的分层搜索策略，逐层缩小搜索步长和搜索范围以实现对闪电的快速定位；采用距离空间投影算法将地理空间映射为距离空间，将观测站接收的闪电辐射电场值投影到距离空间中，从距离空间投影矩阵中提取闪电位置，利用距离空间分辨率不变的特性，克服了地理空间空变的缺点，实现了对闪电的高精度三维定位。

技术领域

本发明属于闪电定位技术领域，更具体地，涉及到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。

背景技术

闪电是一类发生在对流天气过程中的强放电现象，是自然界最常见的灾害性天气现象之一。随着微电子设备和电气设备的广泛应用，由雷电造成的直接和间接灾害日益严重，因此，对雷电的探测和预警成为了当前亟待解决的任务之一。

闪电三维定位技术不仅能对地闪进行很好地监测，也能对云闪等早期雷电电磁辐射发展过程进行观测，为雷电发生发展机理的研究和雷电的早期预警提供关键信息，因此，高精度的闪电三维定位技术成为了雷电探测研究领域的热点之一。现有闪电三维定位技术主要包括基于泰勒级数展开的迭代计算定位方法和最优搜索定位方法。基于泰勒级数展开的迭代计算定位方法根据多个观测站测量的一次闪电辐射电场所激发电磁信号的到达时间(TOA)/到达时间差(TDOA)，选择其中5个观测站数据联立解算非线性方程组，获得闪电的空间定位信息和时间信息。由于观测站高度接近平面但又不完全相等，该方法在高度上具有较大的定位误差。同时，由于无法确定哪5个站点联立能得到最合适的解，通常采用遍历所有可能组合的方法来判断，因此极大地增加了计算负荷。

美国雷电探测网采用在地球表面逐步搜索雷电位置最优解的算法，全球雷电探测网采用“下山法”搜索雷电位置，这两个探测系统使用的定位算法都属于最优位置搜索算法。网格搜索法也是一种典型的位置搜索算法。网格搜索法采用一定的步长将探测网覆盖区域划分为网格，将网格单元对应的地理空间位置X带入以闪电发生时刻为适应函数的公式中，计算适应函数值，以令适应函数取值最小的网格位置作为最优解。当探测网覆盖范围大，而要求的计算精度高时，为了减小计算负荷，通常采用多级网格划分的策略，如文献[胡志祥，雷电定位算法和误差分析理论研究，2012.5]所述。这种方法存在两点不足之处：第一，选取的适应函数仅利用了时间信息，丢弃了观测站测量的闪电辐射电场所激发的电场值；第二，由于地理空间分辨率随着网格单元到雷电探测网距离的不同而不同，网格单元离探测网越近分辨率越高，离探测网越远分辨率越低，这意味着：同一步长划分下，如果离探测网近的网格单元大小满足定位精度要求，则在远离探测网的区域，由于分辨率的降低，多个网格单元代表同一地理位置，导致地理空间位置的不唯一性。因此，当闪电发生在定位站网外时，直接在地理空间上的网格搜索法不论二维平面误差还是高度垂直误差均达到公里级以上。

发明内容

为了提高闪电三维定位精度，同时又能对闪电快速定位，本发明提供了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。该方法的基本思路是：采用由粗到细的分层搜索策略，逐层缩小搜索步长和搜索范围，将地理空间网格化后遍历网格单元，以实现对闪电的快速定位；采用距离空间投影算法将地理空间映射为距离空间，将观测站接收的闪电辐射电场值投影到距离空间中，从距离空间投影矩阵中提取闪电位置，利用距离空间分辨率不变的特性，实现对闪电的高精度三维定位。

该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，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2)：观测站记录闪电的闪电辐射电场值及其闪电触发时间；

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；