发射场闪电定位精度与效能分析

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1、工程报告载人航天2010年第2期发射场闪电定位精度与效能分析杨道勇·周率2肖银萍-李钢2(1西昌卫星发射中心2北京航天飞行控制中心)摘要为了实现闪电定位中定位误差及探测效率评估的自动化，从时差法闪电定位原理出发，分析了闪电定位原理存在的问题以及其定位的误差来源。利用非线性最小二乘法进行优化计算，采用计算机模拟的方法，实现了对西昌卫星发射中心所使用的ADTD闪电定位系统的定位误差评估。研究成果不仅可以评估已设探测网络的定位误差，而且可为布设站点提供选址依据，提高探测精度。关键词闪电定位探测效率非线性最小二乘法评估分类号V555+．2献标识码A文章编号1674-5825(

2、2010)02--0053-05随着闪电灾害对航空航天带来的巨大威胁，闪电探测越来越受到人们的关注。目前西昌卫星发射中心使用的ADTD型闪电探测设备在气象观探测中扮演着十分重要的角色。闪电定位探测设备依靠闪电发生时产生的电磁波来对闪电进行定位。而闪电定位的误差问题和探测效率问题，往往依靠经验来判定，这对探测设备站点的位置选定有较大的影响。为了能够根据实际情况对闪电定位的误差和探测效率进行评估，制作有效的误差及效率评估工具是非常必要和紧迫的。1闪电定位原理目前的闪电定位方法主要有三种，分别为定向交汇法、视察法和定向时差联合法。而时差法是目前闪电定位的主要方法，即使是定向

3、时差联合办法，定位精度也主要取决于时差法定位。每对探测站测量的到达时间之差可以确定l条双曲线，2条双曲线的交点就是闪电的发生地点【11。时差定位有两种算法：当探测站为3站时，采用3站定位算法，当探测站多于3站时，采用三站以上的算法。3站定位时，3个探测站收到信号时，2条时差双曲线交于一点，此点即为雷击点。3站以上定位时，有3个以上的探测站收到信号，由于多种因素的作用，多站确定的多条球面双曲线不可能相交于同一点，因此采用最ds-"乘法进行优化计算，可以得出雷击点最有可能发生的地方。最ds-乘法算法原理归于利用广义逆求解无约束条件下的优化问题：Z(X0，髫l'．“，稚1)

4、=o，i=0，1，⋯m-I，m≥n(I)当mmn时，即为求解非线性方程组。其雅克比矩阵为：来稿日期：2009-12—26；修回日期：2010-01—15。作者简介：杨道勇(1977．02一)，男。本科，工程师，主要从事气象信息处理工作。只X)=晚a‰矾Oxo眈．。Oxo虢如l识以l稚。舐l(2)53％～‰斩一b～‰一吣●一载人航天2010年第2期工程报告计算非线性方程组最小二乘法的迭代公式为：∥¨软‘¨吨Z‘‘’(3)X=Ⅸ咆(3)其中z(I’为线性方程组A“’歹¨：，¨的最小二乘解。式中A“’为．

5、}次迭代值x“’的雅克比矩阵；广’为J

6、}次迭代值的左端函数值，即：

7、，¨：游’∥，⋯拦)7(4)／¨锈(髫?¨¨，⋯，算兰：)，i=O’l’．1,Xli--O．．m—l(5)．^瓢‘髫o，⋯，算plJ，，，⋯m—lL5J．m-I吼是使口的一元函数∑0“”)2达到极小值的i=0点，即为所求定位点。2闪电误差分析利用时差法进行闪电定位，其误差来源主要有两种，一种是闪电定位仪的测量误差，另一种是由于闪电定位仪的布站位置引起的定位误差。测量误差来源于所测闪电波到达不同站点的时间&的精确度。所测得的血精度越高，定位误差越小，反之越大。时间差血以定位仪GPS测时的精度为基础，目前采用的GPS测试的精度可以达到0．1灿8。又由于电磁波传播路径受环境

8、影响等原因，闪电波形会发生畸变，GPS所记录闪电波到达时间与闪电波沿直线到达时间之间还存在一个时间差&’。因此，所测得的&的误差为GPS测试误差与&’之和。由于时差法定位是采用双曲线交汇的方法对闪电进行定位，理论和实践都表明，布设站点的位置会直接影响闪电定位的精度。闪电在距离探测站较近时，尤其是在探测站中间的区域，定位的精度高；而离探测站较远的区域，定位的精度低；并且在相同距离的情况下，定位精度高低又与探测站的站点布设位置有关。合理地布设站点位置可以提高闪电定位的精度，并且通过评估不同布站方式下闪电定位的误差，可以尽量减小第二种误差。3闪电定位误差评估目前闪电定位误差

9、基本上是根据经验估计，或依据积累的探测资料来进行统计分析的，具有较大的主观性。定位仪站点位置的选定也存在较大的盲54目性，极少在布设前进行精度分析和技术评估。为了解决这些问题，可以根据闪电定位的原理及其误差来源，利用计算机模拟来对闪电定位误差进行定量评估。时差法闪电定位的误差评估是对评估区域内各点可能存在的定位误差进行定量估算。由时差法定位原理可知，进行定位的前提是知道闪电波到达各参与定位的探测站的时间。在实际探测中，该时间存在误差，因此可以将时间分解为两部分。一部分为误差情况下，电磁波从雷击点到达探测站的时间；另一部分为实际测量时间与无误差时间之间