一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，属于气象灾害防灾减灾技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法


[0001]本专利技术属于气象灾害防灾减灾
，具体涉及一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法
。

技术介绍

[0002]雷电灾害是一种非常严重的气象灾害，每年都会造成大量的人员伤亡以及高达数亿元的经济损失
。
随着社会的发展，气象
、
电力
、
民航
、
农林业等部门都对雷电定位提出了更高的要求
。
长通道地闪回击和云闪过程产生的电磁辐射主要集中在低频
(LF)
和甚低频段
(VLF)
，因此该频段的雷电电磁波被广泛应用于雷电定位中
。
[0003]随着测量技术的发展和高速计算机的应用，世界各地都布置了高性能的雷电探测网，利用多个传感器提供的信号到达时间和到达方向信息，可计算出雷击的发生位置和时间，同时还可以估计雷电的强度
、
判断其极性
。
雷电定位需要快速并精确地解算出雷电辐射源的相关信息，未知量包括辐射源的位置和发生时间，其定位属于无源定位
。
常用的雷电定位算法包括迭代法与非迭代法
。
迭代法是通过雷电到达测站的时间
、
方向信息构建非线性方程组，迭代算法通常利用泰勒级数公式将非线性观测方程在一初始值展开，略去高阶项，形成关于未知数的线性方程组，利用该线性方程的解计算下一次迭代的初始值
。
迭代算法的收敛性在于初始值的选取，当初始值与未知数真实取值接近时，则迭代算法收敛较快，否则迭算有可能发散
。
随着计算机运算速度的提升，非迭代的方法智能搜索算法越来越适合用来进行无源定位计算，其中粒子群优化方法及改进果蝇优化算法，用来提升定位精度
。
这些改进算法受观测误差的影响较大，对于实际复杂的站网分布并不完全适用
。
定位的准确性与观测误差直接相关，地形或是环境干扰的影响可能导致米量级到千米量级的误差
。
观测误差中的时间测量的误差主要有以下4个来源：
(1)
地形引起的电磁信号到达时间的增长；
(2)
电磁信号沿有耗地表的传播速度小于真空中的光速；
(3)GPS
授时精度；
(4)
不同方法计算的到达时间
。
其中，地形引起的测时误差与地形的起伏程度有关，对于沿地表传播的长波信号，统计结果指出每
100km
由地形引起的测时误差约为1μ
s。
地形引起的时间误差对定位结果存在较大的影响，这也导致了在地形较为崎岖的山区采用常规的定位算法其定位结果往往存在较大的偏差，特别是在在云贵滇藏高原山区，雷电波传播与在平原地区差异大，进而导致定位不准确
。
因此如何克服现有技术的不足是目前气象灾害防灾减灾
亟需解决的问题
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，包括如下步骤：
[0007]步骤
(1)
：对探测区域进行网格划分，根据已知探测站的位置，以每个网格格点为
源点，通过时域有限差分法，基于真实地形状况，计算源点到每个探测站波的到达时间；
[0008]步骤
(2)
：计算以每个网格格点为源点到各个探测站波的到达时间差值，并存储在计算机数据库内；
[0009]步骤
(3)
：当雷电发生时，探测站探测到雷电波的到达时间，根据到达时间计算同一雷电波在各探测站间的到达时间差；
[0010]步骤
(4)
：将步骤
(3)
得到的同一雷电波在各探测站间的到达时间差与存储在计算机数据库内步骤
(2)
得到的以每个网格格点为源点到各个探测站波的到达时间差值进行比对，从而确定雷击位置点
。
[0011]进一步，优选的是，步骤
(1)
中，雷电地闪时网格划分为
100m
×
100m
，
。
[0012]进一步，优选的是，步骤
(1)
中，用于地闪定位时，时域有限差分法采用二维时域有限差分方法
。
进一步，优选的是，步骤
(1)
中，真实地形状况数据采用数字高程模型数据，且要求数据精度小于网格尺寸
。
[0013]进一步，优选的是，步骤
(1)
中，源点到每个探测站波的到达时间采用波头时间
。
[0014]进一步，优选的是，步骤
(2)
的具体计算方法为：
[0015]如果有
i
×
j
个格点，有
p
个探测站，探测站固定排序1到
p
，每个格点通过仿真到
p
个测站的波的到达时间分别为
t1，
t2，
……
，
t
p
‑1，
t
p
，进而计算
i
×
j
个格点中每个格点到
p
个不同测站间的到达时间差，其计算公式为：
[0016]tc
(y,x)
＝
t
y
‑
t
x
，
(y
＝
2,3,
……
,p
；
x
＝
1,2,
……
,p
‑1；
y>x)
[0017]其中，
t
y
，
t
x
分别为通过仿真的某个格点到达测站
y
和测站
x
的到达时间，
tc
(y
，
x)
为通过仿真的某格点到测站
y
与测站
x
的到达时间差；每个格点到达时间差个数为个，
i
×
j
个格点总的时间差个数为个；每个格点进行标示为
(i
，
j)
，每个格点到测站
y
与测站
x
的到达时间差记为
tc
(y
，
x)(i
，
j)
。
[0018]进一步，优选的是，步骤
(3)
中，到达时间采用波头时间，到达时间差的个数不少于2个
。
[0019]进一步，优选的是，步骤
(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）：对探测区域进行网格划分，根据已知探测站的位置，以每个网格格点为源点，通过时域有限差分法，基于真实地形状况，计算源点到每个探测站波的到达时间；步骤（2）：计算以每个网格格点为源点到各个探测站波的到达时间差值，并存储在计算机数据库内；步骤（3）：当雷电发生时，探测站探测到雷电波的到达时间，根据到达时间计算同一雷电波在各探测站间的到达时间差；步骤（4）：将步骤（3）得到的同一雷电波在各探测站间的到达时间差与存储在计算机数据库内步骤（2）得到的以每个网格格点为源点到各个探测站波的到达时间差值进行比对，从而确定雷击位置点
。2.
根据权利要求1所述的基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，步骤（1）中，雷电地闪时网格划分为
100m
×
100m。3.
根据权利要求1所述的基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，步骤（1）中，用于地闪定位时，时域有限差分法采用二维时域有限差分方法
。4.
根据权利要求1所述的基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，步骤（1）中，真实地形状况数据采用数字高程模型数据，且要求数据精度小于网格尺寸
。5.
根据权利要求1所述的基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，步骤（1）中，源点到每个探测站波的到达时间采用波头时间
。6.
根据权利要求1所述的基于时域有限差分法及网格搜索的雷电定位方法，其特征在于，步骤（2）的具体计算方法为：如果有
i
×
j
个格点，有
p
个探测站，探测站固定排序1到
p
，每个格点通过仿真到
p
个测站的波的到达时间分别为
t1，
t2，
……
，
t
p
‑1，
t
p
，进而计算
i
×
j
个格点中每个格点到
p
个不同测站间的到达时间差，其计算公式为：
tc
(y,x)
=t
y
‑
t
x
，（
y=2,3,
……
,p;x=1,2,
……
,p
‑
1;y>x
）其中，
t
y
，
t
x
分别为通过仿真的某个格点到达测站
y
和测站

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，焦万章，陆佳其，梁仕斌，田庆生，于振国，
申请(专利权)人：云南电力试验研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：