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技术

本发明专利技术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。

High precision 3D lightning location method based on hierarchical search and distance space projection

The invention discloses a high-precision three-dimensional lightning positioning method based on hierarchical search and distance space projection. The method adopts a hierarchical search strategy from coarse to fine, and reduces the search step length and search range layer by layer to achieve rapid lightning positioning. The distance space projection method is used to map the geospatial space to the distance space, and the lightning radiation electric field received by the observation station is projected to the In the distance space, the location of lightning is extracted from the distance space projection matrix. Using the invariable resolution of the distance space, the shortcomings of the spatial variation of geographical space are overcome, and the high-precision 3D location of lightning is realized.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于闪电定位
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了提高闪电三维定位精度，同时又能对闪电快速定位，本专利技术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；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。其中，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rj＝[xj,yj,zj]T，j＝1,2,...,S为站点编号，[]T表示矩阵转置，其中，中心站位置坐标为r1＝[0,0,0]T。其中，所述步骤2)进一步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。其中，步骤2)中，所述到达时间差采用波形互相关法计算，过程为：观测站记录一次闪电辐射电场所激发的电磁场信号在第j个观测站的触发时间t'＝{t'j}及其对应的辐射电场波形E＝{E(t'j,j)}，其中E(t'j,j)为闪电辐射电场值，j＝1,2,...,S，S为观测站总数，j＝1表示观测站1即中心站，j＝2,3,4表示观测站2,3,4即辅助定位站；根据观测站2,3,...,S接收的闪电辐射电场值E＝{E(t'i,i)}，i＝2,3,...,S和中心站接收的辐射电场值E＝{E(t'1,1)}，采用波形互相关法分别计算观测站2,3,...,S和中心站的波形互相关，获得一次闪电到达观测站2,3,...,S和到达中心站的时间差，记为Δt＝{Δti1},i＝2,3,...,S；所述校正为：根据到达时间差校正观测站2,3,...,S接收闪电辐射电场的触发时间，获得校正后的闪电触发时间t＝{ti}，其中ti＝t'i-Δti1，及与校正后闪电触发时间对应的闪电辐射电场波形E＝{E(ti,i)}，其中E(ti,i)＝E(t'i-ti1,i)，i＝2,3,...,S。其中，所述步骤3)和步骤6)中地理空间网格单元的划分具体为：以KΔ为搜索步长、Rcen为三维地理空间中心点划分地理空间，生成Nx×Ny×Nz个地理空间网格单元，每个地理空间网格单元的坐标为R＝[nx-Nx/2,ny-Ny/2,nz-Nz/2]×KΔ+Rcen，其中K为地理空间分层搜索放大倍数，初始化K为设定值D，Δ为设定的闪电定位精度，nx＝1,2,...,Nx，ny＝1,2,...,Ny，nz＝1,2,...,Nz，Nx、Ny和Nz均为正整数；其中，如果K＝D，Rcen为闪电观测站网探测范围的中心位置坐标；如果K<D，Rcen为步骤6)获取的对闪电估计位置的坐标。其中，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Ri＝||R-ri||2-||R-r1||2，其中，i＝2,3,4，表示观测站2、3和4即辅助定位站的位置坐标，下角标1表示观测站即中心站的位置坐标，||||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KΔ为步长量化距离差R2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。...

【技术特征摘要】
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；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。2.根据权利要求1所述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，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rj＝[xj,yj,zj]T，j＝1,2,...,S为站点编号，[]T表示矩阵转置，其中，中心站位置坐标为r1＝[0,0,0]T。3.根据权利要求1所述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，所述步骤2)进一步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。4.根据权利要求3所述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，步骤2)中，所述到达时间差采用波形互相关法计算，过程为：观测站记录一次闪电辐射电场所激发的电磁场信号在第j个观测站的触发时间t'＝{t'j}及其对应的辐射电场波形E＝{E(t'j,j)}，其中E(t'j,j)为闪电辐射电场值，j＝1,2,...,S，S为观测站总数，j＝1表示观测站1即中心站，j＝2,3,4表示观测站2,3,4即辅助定位站；根据观测站2,3,...,S接收的闪电辐射电场值E＝{E(t'i,i)}，i＝2,3,...,S和中心站接收的辐射电场值E＝{E(t'1,1)}，采用波形互相关法分别计算观测站2,3,...,S和中心站的波形互相关，获得一次闪电到达观测站2,3,...,S和到达中心站的时间差，记为Δt＝{Δti1},i＝2,3,...,S；所述校正为：根据到达时间差校正观测站2,3,...,S接收闪电辐射电场的触发时间，获得校正后的闪电触发时间t＝{ti}，其中ti＝t'i-Δti1，及与校正后闪电触发时间对应的闪电辐射电场波形E＝{E(ti,i)}，其中E(ti,i)＝E(t'i-ti1,i)，i＝2,3,...,S。5.根据权利要求1所述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，所述步骤3)和步骤6)中地理空间网格单元的划分具体为：以KΔ为搜索步长、Rcen为三维地理空间中心点划分地理空间，生成Nx×Ny×Nz个地理空间网格单元，每个地理空间网格单元的坐标为R＝[nx-Nx/2,ny-Ny/2,nz-Nz/2]×KΔ+Rcen，其中K为地理空间分层搜索放大倍数，初始化K为设定值D，Δ为设定的闪电定位精度，nx＝1,2,...,Nx，ny＝1,2,...,Ny，nz＝1,2,...,Nz，Nx、Ny和Nz均为正整数；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊玲，周昌海，
申请(专利权)人：乐山师范学院，
类型：发明
国别省市：四川,51