雷电定位监测系统研究

马国庆

海南供电公司青海共和813000

摘要：雷电定位系统（LLS）是一套实时雷电监测系统。分析定向定位、时差定位及综合定位三种雷电定位原理；通过分析云闪与地闪的波形特点确定雷电波形判别依据；分析雷电探测站的误差及其形成原因，最后确定了雷电探测站布站选址原则。

0引言

雷电定位系统(LLS)是一套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统，雷电定位系统不仅能监测雷击发生的位置、时间、极性以及雷电流大小等信息，而且能够记录回击次数其回击的参数，显示雷暴运动的轨迹。这是当代雷电探测和雷电预警领域具有划时代意义的高新技术。雷电定位系统的组成示意图如图1所示，它主要由四部分组成：即1.雷电探测站；2.中心站；3.用户终端；

4.雷电信息网络系统。除此之外，通信系统是组成LLS的重要环节。

图1雷电定位测定系统模型图

本文在分析雷电定位原理的基础上，在分析云闪和地闪波形特点的基础上确定雷电波形判别依据，分析雷电探测站的误差及其形成原因，最后确定了雷电探测站布站选址原则。

1雷电定位原理分析

每个探测站均能通过接收到的雷击信息确定雷击点的方位、强度以及极性等信息。当上述参数汇总到位置分析仪后，通过下面的方法可以得到雷击点的位置及相关参数。

1.1 定向定位原理

定向定位原理是：每个雷电探测站都能测出雷击点相对于正北的方向，当雷电信息同时传达到两个或者多个探测站时，各个探测站再将信息发送到位置分析仪，位置分析仪对各站的信号的时间进行判断，确认这些雷电信息是否为同一次雷击，再根据几何算法确定雷击点的位置。

TDF 2

TDF N

(a)定向定位原理图

(b) 简化几何图

图2定向定位分析图

图2（a ）为实际模型，TDF1、TDF2的位置确定，为已知值，两站分别得到雷击点相对于正北的夹角。可简化为图2(b)：已知A 、B 两点位置，并已知∠LAB 与∠LBA ，欲求L 点的位置。定位计算的数学模型：常用球面三角法作定位计算。如图3所示，A 点雷击，两探测站分别设在A1、A2点，其地理坐标分别为(B1、L1)和(B2、L2)(B 为纬度，L 为经度)，β1p 、β2P 为两站测到的雷电球面方位角。则雷击点(B 、L)的坐标为：

B p

B p tgB B B 1121211123

1)(1(αηηα-++=

????

????++=-)cos(sin sin sin 111111B p p p L L αββα

定向定位的特点是两个探测站接收到雷电信号，就能定出雷击点的具体位置。但由于

角度测量的误差难于≤1°，所以定位误差期望值在10公里左右。

N 北极

（B1、L1）

（B2、L2）

β21

β1p

α2p

图3球形三角法

1.2时差定位原理

当雷电发生时，雷电波以光速向外传

播，由于各探测站点与雷击发生点的距离不同，雷电波到达各探测站点的时刻就会有差别。当两个探测站收到雷电波的时刻送到位置分析仪，我们就可以知道雷电波到达这两站的时间差，这个时间差，乘以光速，即可得出雷击点到此两站的距离差。

从几何来讲，雷击点到两探测站点的距离差已知，可以得到一对双曲线，雷击点的位置在该双曲线之上。如果有第三个探测站也收到该雷电波信号，我们再可以得到一对双曲线。两对双曲线的交点，即可得出雷击点的具体位置。如图4所示：DTF1、DTF2、DTF3为雷电波信息传达到的三个探测站，每个探测站上均设置高精度同步时钟，以测量雷电波到达每个探测站的时刻。若三个探测站的坐标已知，设雷电信号传送到达三个探测站的时刻分别为T1、T2、T3，则可以计算

出雷电信号到达各站的时间差分别：

T12=T1-T2，T23=T2-T3，T13=T1-T3

图4时差定位原理图

三个时差可以确定三对双曲线，三对双曲线的交点即为雷击点，标准双曲线方程如下：

122

22=-b y

a x

式中，a=T12(C/2)，C 为光速

b=2

2)2/(a D -，D 为两站距离

其中只有两个独立的时差，这里取T12和T13。与此两时间差相应的是两条双曲线L12和L13，它们一般有两个交点：A1和A2，利用其它已知条件或再增加一个探测站就能确定真实的落雷点。时差定位的特点是必须有三个或以上的探测站得到雷电波到达的时间，才能定出雷击点的具体位置。 1.3综合定位原理

当仅有三个探测站测量到雷电信号时，时差法的双曲线L12和L13有二个交点A1和A2，当三角形几何因子较好时，A1与A2点相距很远，这时用测定的雷电方位角(定向定位法)即可有效判定真实雷击点A1。但当三角形几何因子较差或极差时，A1与A2相距较近甚至很近，这时如果雷电方位角测

量误差较大(在山区定向误差常常>10°)，会造成真实雷击点误判。即时差定位与定向定位的机械的几何综合，在一定条件下会造成真实雷击点的误判。因此，我们研究了时差定位与定向定位的统计综合定位方法，建

立了独创的“时间到达+定向”综合定位模型，解决了在任何三站三角几何因子条件下的综合定位方式。综合定位的特点是多站共同参与定位，赋与有效方向观测值一定的权值，参与定位计算,定位精度高，定位误差

期望值在1公里以内。

2雷电波形判定依据

在探测站附近，存在着各种电磁波信号，包括电视、电台、移动电话、工频干扰等等，其中也会有雷电信号，我们必须从众多信号中将雷电信号判别出来。天线收到的电磁波信号经过放大，经过低通滤波器与高通滤波器，去除工频与无线电干扰、进行波形还原等处理后，对信号进行判别。判别云闪和地闪，使探测站只接收地闪信号而滤除云闪以以及一些干扰信号。据大量实测，云、地闪的磁场波形图5所示。

云地闪的主要区别有：地闪有明显的多次梯级且极性与回击极性相同的先导脉冲L1、L2、L3…，而云闪并没有此特点；地闪回击有明显波前突变R ，并在R 之后出现主

峰P1，次峰P2、P3、…，主峰明显大于次峰，与地闪相比，云闪并没有明显的R 突变，且有多个波前次峰；地闪没有或只有较小的负过冲；云闪有较大的负过冲。判别电路采用硬件形式，按照标准地闪波形的模型，对信号波形进行比对判别。以右图为标准地闪波形的模型采用的地闪判据为：

a) t1＜20～24μs b) t2＞12μs

c) P3＜0.25P1或t3＞150μs(正极

性)，且极性一致；

d) P3＜0.1P1或t3＞560μs(负极

性)，且极性一致。 e) P2＜1.15P1

f) P4＜0.9P1或t4＞300μs

图5云闪和地闪的波形图

图6标准地闪波形图

3雷电探测站误差分析

探测站由于安装和技术上的原因，会有

一定的误差，必须尽量减少误差，保证定位的精度及雷电流的准确度。 3.1安装产生的方向误差

雷电探测站的安装是有方向性的，必须保证探测站的N/S 天线与地理正北完全重合。现通用的指北针可能产生0.5°的视觉误差，而且指北针很容易受到周围铁磁性物

体的影响。所以安装时应尽量使用分辨率高的指北针，并拆除附近的铁磁性物体。 3.2波形折反射产生的方向误差

探测站是根据两组天线收到的雷电波强度计算雷电的方向的，雷电波传到探测站可能会与其折反射波形叠加，从而出现方向误差。所以探测站附近一定不能有遮挡，四周要开阔，要拆除探测站附近的各种拉线、过高的广告牌等。 3.3波形传播延时误差

雷电电磁场包括静电场、感应场和辐射场三部分。如果探测站与雷击点的距离较远，则静电场和感应场近似等于零，探测站所测量到的电磁场是传播一定距离后的辐

射场。辐射波的波形由于传播距离和介质的差别而产生不同的畸变，这种畸变主要表现为波头延时。当传播距离L=100km ，土壤电阻率ρ=500Ω·m 左右时，波头延时约为1μs 。波头延时与ρ·l 近似正比关系。通常山区和干旱地区的土壤电阻率ρ≥1000Ω·m ，有的地方ρ≈5000Ω·m ，由此会引起3～5μs 的波形传播延时，当设定波峰时刻为雷电波到达时间，则不同探测站测时精

度就存在波形延时误差。雷电波传播延时是引起探测站测时误差的最主要原因

3.4地形传播延时误差

如图7所示，折线ACB长为15.033＋10.050＝25.083km，地形传播延时误差约0.28μs。为减小地形延时，设置的探测站均远离高山，通常选择BD/CD≥30～50倍。即使在山区也努力满足这个条件，这样地形延时一般较小，平原和丘陵地区可忽略不计。

DTF

图7地形传播延时

4雷电探测站布站选址原则为保证一个省网的主要电力系统在高精度覆盖范围内；为保证在这个覆盖范围内探测有效率≥90%；为使整个系统能稳定可靠的运行，探测站的布置应遵循如下几个原则：

1）探测站尽可能布置在省网的边界附近，保证省网在高精度覆盖区内。

2）探测站整定在高增益下工作时，探测站站距可在100～150 km范围内变动，在山区、站距不要>120km，在平原站距可达150km，甚至更大些。探测效率的运行统计表明：这时探测效率能≥90%。

3）外围探测站组成的多边形的对角线远大于150km时，应在多边形内增加适当数量的探测站，这些探测站起着联络核心的作用，它们因故(停电、通讯中断、探测站设备故障等)停运，整个系统将可能失去较高的探测有效性，系统结构上也失去稳定性，因此，处于核心地位的某些探测站在适当的位置增设1～2个。

4）探测站站址应尽量避开周围较高建筑物或其他遮挡物，具体要求是L∕H≥30，以免信号被遮挡或产生折反射。

5）避开电磁干扰源，如传呼发射台等，过多过强的电磁干扰会淹没真实雷电信号。

6）选定站址后应净化周围电磁环境，拆除附近的过高广告牌、霓虹灯、各种金属固定拉线等。

5结束语

本文在分析雷电定位原理的基础上，在分析云闪和地闪波形特点的基础上确定雷电波形判别依据，分析雷电探测站的误差及其形成原因，最后确定了雷电探测站布站选址原则。本文的成果对雷电定位监测系统的设计具有指导作用。

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Research on Lightning Location Monitoring System Abstract: Lightning Location System (LLS) is a real-time lightning monitoring system. Analysis directional positioning, positioning and integrated positioning three kinds of difference LLS principle. By analyzing cloud-ground lightning flash with lightning waveform discrimination based on characteristics identified. Analysis the error of lightning detection stations and Its Causes. Finally, determined the principles of location of lightning detection stations.