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雷电定位系统原理及影响定位结果的因素 摘 要：在时间差闪电定位算法的基础上，采用蒙特卡罗模拟方法，实现了对闪电定位误差的定量评估。详细分析了闪电定位系统中测站数目、布站方式和站址基线长度3个因素对定位结果的影响。研究表明：定位误差与测站数目、布站方式和基线长度有密切关系。当测站数目一定时，矩形加中心站的布站方式定位结果较好；当布站方式一定时，测站数目越多定位误差越小；在仪器允许的探测范围内，基线越长，覆盖区域越大，定位误差越小。闪电定位误差的定量分析研究，为闪电监测网的站址选择、子站布设等实际工作提供了重要参考依据。 关键词：到达时间；定位原理；定位误差 引言2000个雷暴区在活动，这些雷暴区每秒钟产生1000个以上1-1 典型的一次云地闪电波形 2.到达时间（到达时间检测法，即Time of Arrival （2-1）） (2-3) （2-4） 可以得到 （2-5） 把（2-5）式中i换成j，并减去（2-5）式，得 （2-6），，，（2-7） （2-8） 则有 （2-9）的线性方程组。通过矩阵表示，得到 (2-10) 对这个矩阵方程求解可以得到到达时间的结果，即雷电事件的定位。 图2-13.定位结果的影响因素 3.1 测站数目对定位结果的影响 在闪电定位系统中，探测子站的数目是系统定位精度的主要影响因素之一。为了分析测站数目对定位结果的影响，,选择环绕中心站的准对称布站方式，,对四站、五站、七站和九站4种相似结构的布站方式进行比较。为了排除站网覆盖区域不同而产生的定位结果差异，规定探测子站在经度和纬度上的最大站距均为200km，图3-1（） 3.2 布站方式对定位结果的影响 在闪电定位系统中，不同的站点布设方式可以达到不同的定位效果。合理的站点布局不仅可以充分利用站点资源，而且对提高定位精度、扩大探测区域具有十分重要的作用。在观测条件确定的前提下，如何使辐射源在受控区域内具有较高的定位精度，关键是选择最优的站址布局方案。以五站定位系统为例，分析了矩形、菱形、星形、三角形4种布站方式对定位结果的影响。为了消除站距不同而造成的定位结果差异，规定所有子站到达探测网络中心的距离均为100km。从图3-2可以看出，在五站定位系统中矩形站网分布的定位误差最小，研究区域最大定位误差为5km。其次是菱形和星形站网布局，,研究区域内出现15 km的最大误差。因此，在五站定位系统的几种布局中，矩形、菱形、星形、三角形布站方式的定位误差依次增大，矩形站网在整体上具有相对较好的定位结果。 图3-2五站定位系统中不同布站方式的定位误差等值线（单位：km；三角形表示探测子站） 矩形网络，(b)菱形网络，(c)星形网络，(d)三角形网络 3.3 基线长度对定位结果的影响 TOA闪电定位系统根据其基线长度可分为3种基本类型：①超短基线系统（几十到几百米）；②短基线系统（几十公里)；③长基线系统（几百到几千公里）[2]。超短基线系统设备简单且不存在多站同步问题，但由于定位精度较差、有效探测距离短而未被广泛使用。目前，TOA闪电定位系统大多采用短基线和长基线多站观测，基线长度为几十到几百公里，可以对脉冲类波形进行很好的定位。随着GPS系统的广泛应用，TOA闪电辐射源定位系统的定位精度将得到较大提高。 为了检验基线长度对定位结果的影响，以五站定位系统为例，采取正方形加中心站的布站方式，随机时间误差设为1μs，4.结 论 利用蒙特卡罗模拟方法，实现了对TOA闪电定位误差的计算机模拟，探讨了测站数目、布站方式和站址基线长度对定位结果的影响，主要得出以下结论： 1）闪电定位系统中，定位误差不是简单地随测站数目的增多而减小，定位误差与子站的布设方式紧密相关。就矩形、菱形、星形和三角形4种几何布局来看，矩形加中心站布局具有相对较高的定位精度。 2）闪电定位系统中，探测网络覆盖区域外的定位误差大于区域内的定位误差，且误差随着与网络中心距离的增加而增大。当定位系统的子站布设方式一定时，子站数目越多，定位误差越小。 3）在仪器允许的探测范围内，站址基线越长，站网覆盖区域越大，定位误差越小。在实际站网布设中，应当综合考虑仪器探测性能、GPS测时精度、地形地貌、站网用途等多种因素来确定站址基线长度。 参考文献： [1] Timothy Douglas Hamlin，The New Mexico Tech Lightnin