雷電定位算法和誤差分析理論研究.pdf

1、近年來,雷電定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)已成為雷電科學研究和防災減災的重要依據(jù)。針對不同的使用目的,世界各地建立了多種雷電探測網(wǎng),探測網(wǎng)由分布于不同位置的多個探測器組成。探測器能接收并記錄雷電輻射的電磁波的到達方向和到達時間,定位系統(tǒng)可利用這些觀測數(shù)據(jù)計算出雷電的發(fā)生位置和時間等參數(shù)?？焖俚亟馑愠隼纂娢粗獏?shù)并進行精度估計是雷電預警、防災減災及雷電科學研究中的重要問題,本文在綜述了各種雷電探測網(wǎng)特點的基礎上,歸納了雷電定位的數(shù)學原理,深入研究了

2、雷電目標的無源定位算法和誤差分析理論與方法,并評估了武漢雷電探測示范網(wǎng)的性能,主要研究內(nèi)容和成果包括:
　　(1)對各種雷電定位模型進行了一次全面總結(jié),分別討論了地閃、云閃定位的數(shù)學原理。列出了地閃二維平面定位、地閃橢球面定位、云閃三維時差定位、云閃三維方向定位的基本方程。給出了求算未知數(shù)的最大似然估計量的準則和點位誤差橢圓的融合方法。建立了雷電定位問題的數(shù)學框架,是后續(xù)研究的基礎。
　　(2)給出了基于泰勒級數(shù)展開的迭代算

3、法的計算公式,首次研究了雷電定位迭代算法收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)的分布,結(jié)果表明雷電定位對初始值的精度要求較寬松。若采用探測網(wǎng)內(nèi)任意一點作為初始位置,對發(fā)生于探測網(wǎng)內(nèi)外絕大部分區(qū)域的目標進行定位時,迭代算法都能收斂,但迭代計算發(fā)散的區(qū)域會一直存在,即“萬能”的初始值是不存在的。此外,把網(wǎng)格搜索算法和粒子群搜索算法引入到雷電定位領域。搜索算法具有較好的穩(wěn)定性,但計算量較大。進一步提出了采用粒子群算法和迭代算法進行聯(lián)合定位計算的策略。該聯(lián)合算法能保證

4、迭代算法的收斂,并大幅減少算法的計算量。
　　(3)采用假設檢驗的統(tǒng)計方法判斷并剔除雷電觀測數(shù)據(jù)中的含粗差數(shù)據(jù),以適應函數(shù)值作為評價指標,當觀測數(shù)據(jù)不含粗差時適應函數(shù)值服從卡方分布。分析了判斷粗差是否存在及進一步能否找出含粗差數(shù)據(jù)的條件,表明只有在雷電探測數(shù)據(jù)較多時才能進行粗差剔除。利用算例驗證了粗差剔除的可行性,通過不斷地組合探測數(shù)據(jù),對應適應函數(shù)值最小的組合通常不含粗差,結(jié)果表明剔除了粗差后定位精度大幅提高。
　　(4)

5、研究了不同定位模型對地閃定位誤差造成的影響。由于地球為扁橢球體,平面和球面定位模型只適用于覆蓋范圍較小的探測網(wǎng)。因而地閃定位只有采用橢球面定位模型方可保證精確定位。比較了兩套不同大地線長度和方位角計算公式的計算結(jié)果,證明公式計算結(jié)果對地閃定位應用足夠精確。
　　(5)給出了利用蒙特卡羅仿真結(jié)果、協(xié)方差矩陣或 CRB下限公式計算定位誤差參數(shù)的方法,用數(shù)值算例表明三種計算方法所得結(jié)果是等價的。利用上述誤差分析方法研究了地閃方向定位、到

6、達時間定位及三維云閃到達時間定位的誤差分布特征。針對到達時間法的特點,對二維和三維目標分別提出了利用單位圓內(nèi)接三角形的面積和單位球內(nèi)接四面體的體積估計點位誤差大小的幾何模型,這兩種誤差模型可用于評估目標定位誤差、解釋誤差分布特征并指導探測網(wǎng)站址的選擇。
　　(6)評估了武漢示范網(wǎng)的性能,性能指標包括定位誤差分布及有效探測范圍。研究了武漢示范網(wǎng)地閃定位誤差分布特征,誤差分布計算結(jié)果說明了方向觀測數(shù)據(jù)對該小型探測網(wǎng)的重要性。分析了不同