本站原创
摘要：近年来,雷电定位系统所的数据已雷电科学研究和防灾减灾的依据。不同的使用目的,世界各地建立了多种雷电探测网,探测网由分布于不同位置的多个探测器组成。探测器能接收并雷电辐射的电磁波的到达方向和到达时间,定位系统可利用这些观测数据计算出雷电的发生位置和时间等参数。地解算出雷电未知参数并精度估计是雷电预警、防灾减灾及雷电科学研究中的问题,在综述了各种雷电探测网特点的基础上,归纳了雷电定位的数学原理,深入研究了雷电的无源定位算法和误差分析理论与方法,并评估了武汉雷电探测示范网的性能,主要研究内容和成果包括：(1)对各种雷电定位模型了一次全面总结,分别讨论了地闪、云闪定位的数学原理。列出了地闪二维平面定位、地闪椭球面定位、云闪三维时差定位、云闪三维方向定位的基本方程。给出了求算未知数的最大似然估计量的准则和点位误差椭圆的融合方法。建立了雷电定位问题的数学框架,是后续研究的基础。(2)给出了基于泰勒级数展开的迭代算法的计算公式,首次研究了雷电定位迭代算法收敛区和发散区的分布,结果雷电定位对初始值的精度要求较宽松。若探测网内任意一点作为初始位置,对发生于探测网内外绝大区域的定位时,迭代算法都能收敛,但迭代计算发散的区域会一直存在,即“万能”的初始值是不存在的。,把网格搜索算法和粒子群搜索算法引入到雷电定位领域。搜索算法具有较好的稳定性,但计算量。了粒子群算法和迭代算法联合定位计算的策略。该联合算法能保证迭代算法的收敛,并大幅减少算法的计算量。(3)检测设检验的统计方法判断并剔除雷电观测数据中的含粗差数据,以适应函数值作为评价指标,当观测数据不含粗差时适应函数值服从卡方分布。分析了判断粗差存在及能否找出含粗差数据的条件,只有在雷电探测数据较多时才能粗差剔除。利用算例验证了粗差剔除的可行性,不断地组合探测数据,对应适应函数值最小的组合通常不含粗差,结果剔除了粗差后定位精度大幅提高。(4)研究了不同定位模型对地闪定位误差造成的影响。地球为扁椭球体,平面和球面定位模型只适用于覆盖范围较小的探测网。因而地闪定位只有椭球面定位模型方可保证精确定位。比较了两套不同大地线长度和方位角计算公式的计算结果,证明公式计算结果对地闪定位应用精确。(5)给出了利用蒙特卡罗仿真结果、协方差矩阵或CRB下限公式计算定位误差参数的方法,用数值算例三种计算方法所得结果是等价的。利用上述误差分析方法研究了地闪方向定位、到达时间定位及三维云闪到达时间定位的误差分布特征。到达时间法的特点,对二维和三维分别了利用单位圆内接三角形的面积和单位球内接四面体的体积估计点位误差大小的几何模型,这两种误差模型可用于评估定位误差、解释误差分布特征并指导探测网站址的选择。(6)评估了武汉示范网的性能,性能指标包括定位误差分布及探测范围。研究了武汉示范网地闪定位误差分布特征,误差分布计算结果了方向观测数据对该小型探测网的性。分析了不同云闪的定位误差分布,结果越高,定位误差越小；同时离探测网中心的平面距离越远,误差越大。讨论了地球曲率及山脉遮挡对云闪探测率的影响,并计算了不同平面位置处可被定位出的云闪的下限。建议未来建立云闪探测网时应提高探测站,可使探测范围增大。关键词：雷电定位论文到达时间法论文到达方向法论文迭代算法论文网格搜索论文粒子群搜索论文定位误差论文
摘要4-6
Abstract6-11
1 绪论11-27
1.1 概述11-12
1.2 雷电定位系统综述12-21
1.3 定位研究进展21-25
1.4 主要研究内容25-27
2 雷电定位的数学原理27-45
2.1 地闪定位原理27-34
2.2 云闪定位原理34-37
2.3 雷电定位数据处理的统计理论37-43
2.4 小结43-45
3 雷电定位算法研究45-76
3.1 引言45
3.2 基于泰勒级数展开的迭代算法45-58
3.3 基于智能搜索的雷电定位算法58-69
3.4 雷电探测数据的粗差剔除方法69-74
3.5 小结74-76
4 雷电定位误差分析76-105
4.1 引言76
4.2 地球曲率对地闪定位的影响76-84
4.3 利用蒙特卡罗法分析定位误差84-87
4.4 点位误差协方差矩阵和CRAMER-RAO下限87-92
4.5 探测网几何布置对定位精度的影响92-103
4.6 小结103-105
5 武汉雷电探测示范实验网性能评估105-118
5.1 引言105
5.2 探测网定位精度评估105-113
5.3 探测网探测区域113-116
5.4 小结116-118
6 与展望118-121
6.1 全文总结118-119
6.2 工作展望119-121
致谢121-123