本實(shí)用新型屬于一種閃電探測(cè)裝置，具體涉及一種基于北斗和GPS的三維閃電探測(cè)儀。

背景技術(shù)：

閃電是自然界中的一種強(qiáng)放電現(xiàn)象，具有隨機(jī)性和強(qiáng)烈的破壞性。雷電常常會(huì)引發(fā)森林火災(zāi)，導(dǎo)致成片森林的燒毀；高壓電網(wǎng)附近的閃電往往引起線路故障，中斷電網(wǎng)的供電；發(fā)射場(chǎng)及飛機(jī)場(chǎng)附近的雷電對(duì)導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射及飛機(jī)的起飛構(gòu)成威脅。因此，目前各國(guó)都很重視雷電的研究、監(jiān)測(cè)及防護(hù)。

目前閃電探測(cè)主要使用的是基于時(shí)差法測(cè)量閃電輻射的脈沖。用時(shí)差法測(cè)量閃電輻射的脈沖時(shí)，需要測(cè)量脈沖到達(dá)探測(cè)儀的精確時(shí)間。利用多個(gè)探測(cè)站同時(shí)觀測(cè)同一閃電輻射的電磁信號(hào)，確定閃電源的所在位置。這樣時(shí)間同步的精確性是閃電定位的重要性能參數(shù)，對(duì)最終的定位結(jié)果精度有很大的影響。

現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)主要有美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)、歐洲“伽利略”系統(tǒng)、中國(guó)“北斗”系統(tǒng)。目前使用最為廣泛的是美國(guó)的GPS系統(tǒng)，但是GPS均數(shù)據(jù)外國(guó)軍方控制，一旦戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，如果僅依賴(lài)GPS，導(dǎo)航系統(tǒng)將全部失效；我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能與GPS相當(dāng)，能夠提供高精度、高穩(wěn)定性的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，已滿(mǎn)足精度達(dá)10米的要求，而且北斗系統(tǒng)針對(duì)中國(guó)及其周邊地區(qū)是特別加強(qiáng)過(guò)的，在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星的幾何條件比較好。

目前，在閃電探測(cè)領(lǐng)域，閃電探測(cè)系統(tǒng)主要服務(wù)于氣象系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。目前已公開(kāi)的閃電探測(cè)裝置大都是采用單GPS授時(shí)系統(tǒng)或者北斗授時(shí)系統(tǒng)。但是在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)GPS有搜星較慢、信號(hào)不穩(wěn)定等因素，北斗目前只支持以中國(guó)為中心的一定范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)定位等一系列的原因，迫使我們將GPS和北斗兩種模式集于一體進(jìn)行精確定位授時(shí)。

專(zhuān)利CN102338830公布了一種閃電探測(cè)定位系統(tǒng)及方法，該方法接收GPS衛(wèi)星信號(hào)標(biāo)記閃電波形的時(shí)間。該方法只能接收GPS信息不能接收北斗衛(wèi)星信息。

專(zhuān)利CN103743958公布了一種基于北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的雷電探測(cè)裝置，該裝置采用北斗衛(wèi)星授時(shí)信息作為雷電探測(cè)裝置的時(shí)間系統(tǒng)集成，采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間信息標(biāo)識(shí)雷電數(shù)據(jù)。該裝置只能接收北斗衛(wèi)星授時(shí)信息，不能接收GPS授時(shí)信息，不具有通用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服三維閃電探測(cè)儀中只使用單一的GPS定位系統(tǒng)或者北斗定位系統(tǒng)的制約和弊端，滿(mǎn)足三維閃電探測(cè)儀中高精度定位授時(shí)的要求，提供一種基于GPS和北斗同時(shí)授時(shí)的三維閃電探測(cè)儀。

本實(shí)用新型包括閃電信號(hào)接收模塊、自檢模塊、時(shí)間同步模塊和電源模塊。電源模塊分別與閃電信號(hào)接收模塊、時(shí)間同步模塊和自檢模塊連接，為閃電信號(hào)接收模塊、時(shí)間同步模塊和自檢模塊供電。時(shí)間同步模塊的輸出端連接閃電信號(hào)接收模塊的輸入端，時(shí)間同步模塊將同步后的時(shí)間信號(hào)傳輸給閃電信號(hào)接收模塊，同步閃電時(shí)間。并且，閃電信號(hào)接收模塊的輸出端與自檢模塊的輸入端連接，在自檢模塊工作時(shí)，閃電信號(hào)接收模塊將接收到的模擬閃電信號(hào)判別處理后傳輸給自檢模塊。

閃電的時(shí)間同步模塊采用北斗和GPS雙模式時(shí)間接收，有效地提高了閃電探測(cè)儀的時(shí)間精度。

電源模塊分別與閃電信號(hào)接收模塊的輸入端、時(shí)間同步模塊供電的輸入端和自檢模塊的輸入端連接，向閃電信號(hào)接收模塊、時(shí)間同步模塊供電和自檢模塊供電。時(shí)間同步模塊的輸出端連接閃電信號(hào)接收模塊的輸入端；閃電信號(hào)接收模塊的輸出端同時(shí)與自檢模塊的輸入端連接，在自檢模塊工作時(shí)，閃電信號(hào)接收模塊將接收到的模擬閃電信號(hào)判別處理后傳輸給自檢模塊。

所述的閃電接收模塊包括閃電接收天線和閃電信號(hào)處理模塊。閃電接收天線由兩個(gè)正交的磁環(huán)線圈和一個(gè)平板電容組成，所述的兩個(gè)磁環(huán)天線分別為地理南北向重合和地理東西向重合。所述的平板電容與水平面平行。閃電接收天線的輸出端和閃電信號(hào)處理模塊的輸入端連接，閃電信號(hào)處理模塊的輸出端連接時(shí)間同步模塊的輸入端。閃電接收天線接收閃電發(fā)生時(shí)的電磁波信號(hào)，將接收到的閃電電磁波信號(hào)傳輸給閃電信號(hào)處理模塊；閃電信號(hào)處理模塊將接收到的電磁波信號(hào)行放大、濾波、高速AD采樣后進(jìn)行數(shù)字波形識(shí)別，判別是否閃電信號(hào)。

所述的自檢模塊的主要作用是確定所述三維閃電探測(cè)儀各個(gè)單元能夠正常的工作，并校正三維閃電探測(cè)儀的參數(shù)。自檢部分主要包括測(cè)試閃發(fā)送模塊、測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊和增益系數(shù)校正計(jì)算模塊。測(cè)試閃發(fā)送模塊的輸出端連接閃電接收模塊的閃電接收天線，通過(guò)輸出模擬的測(cè)試閃電信號(hào)、以注入變化電流的方式耦合出電磁場(chǎng)；測(cè)試閃發(fā)送模塊的輸出端同時(shí)連接測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊的輸入端。閃電信號(hào)接收模塊的輸出端連接測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊的輸入端。閃電信號(hào)接收模塊在接收到測(cè)試閃電信號(hào)之后將閃電信息發(fā)送給測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊，測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)閃電信號(hào)接收模塊接收到的測(cè)試閃電數(shù)據(jù)，與測(cè)試閃發(fā)送模塊發(fā)送的測(cè)試閃數(shù)據(jù)一一 比對(duì)，只有在測(cè)試閃發(fā)送模塊發(fā)出的測(cè)試閃電信號(hào)與接收到的測(cè)試閃電信號(hào)完全相同的情況下，設(shè)備才是正常的，否則設(shè)備不正常。測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊的輸出端連接增益系數(shù)校正計(jì)算模塊的輸入端，測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊同時(shí)計(jì)算出測(cè)試閃增益系數(shù)輸出給增益系數(shù)校正模塊，增益系數(shù)校正模塊根據(jù)測(cè)試閃增益系數(shù)校正三維閃電探測(cè)儀的參數(shù)。

所述的時(shí)間同步模塊包括GPS接收模塊、北斗接收模塊、GPS接收控制模塊、北斗接收控制模塊，以及接收選擇控制模塊。其中GPS接收模塊和GPS接收控制模塊組成一路接收通路，GPS接收模塊的輸出端連接GPS接收控制模塊的輸入端，GPS接收控制模塊的輸出端連接接收選擇控制模塊。GPS接收模塊接收來(lái)自GPS天線的衛(wèi)星信號(hào)，并自動(dòng)檢測(cè)天線的狀態(tài)。根據(jù)GPS天線衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行結(jié)算定位，獲得GPS定位數(shù)據(jù)。GPS定位數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口的形式輸出至GPS控制模塊。GPS接收控制模塊將接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼分析，然后將解碼后的時(shí)間和定位數(shù)據(jù)傳輸給接收選擇控制模塊。北斗接收模塊和北斗接收控制模塊組成另一路接收通路，北斗接收模塊的輸出端連接北斗接收控制模塊的輸入端，北斗接收控制模塊的輸出端連接接收選擇控制模塊。北斗接收模塊接收來(lái)自北斗天線的衛(wèi)星信號(hào)，并自動(dòng)檢測(cè)北斗天線的狀態(tài)。根據(jù)北斗天線衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行結(jié)算定位，獲得北斗定位數(shù)據(jù)。北斗定位數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口的形式輸出至北斗控制模塊。北斗接收控制模塊將接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼分析，然后將解碼后的時(shí)間和定位數(shù)據(jù)傳輸給接收選擇控制模塊。接收選擇控制模塊根據(jù)接收到的GPS信息和北斗信息進(jìn)行選擇，然后輸出精度較高的時(shí)間和定位數(shù)據(jù)至閃電信號(hào)接收模塊。

時(shí)間同步模塊同時(shí)接收GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)的信息，對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)接收到的GPS信號(hào)和北斗信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判別使用哪種時(shí)間同步方式。時(shí)間同步模塊根據(jù)選定的時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)閃電探測(cè)儀的內(nèi)部時(shí)間進(jìn)行同步，在閃電到來(lái)時(shí)給出準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)時(shí)間。

接收選擇控制模塊同時(shí)接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)定位數(shù)據(jù)的有效性及定位精度，自動(dòng)選擇輸出定位精度高的一路的數(shù)據(jù)。單點(diǎn)定位精度取決于觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布，在綜合考慮單點(diǎn)定位精度的情況下選擇精度高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)輸出。

本實(shí)用新型提供了高精度的時(shí)間同步信息，能自動(dòng)選擇北斗或GPS中精度高的一路數(shù)據(jù)輸出，提高了三維閃電探測(cè)儀的時(shí)間精度，提高了多站聯(lián)合探測(cè)的精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的組成結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本實(shí)用新型處理流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型。

如圖1所示，本實(shí)用新型基于北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的三維閃電探測(cè)儀包括閃電信號(hào)接收模塊1、時(shí)間同步模塊2、自檢模塊3和電源模塊4。電源模塊4分別與閃電信號(hào)接收模塊1、時(shí)間同步模塊2和自檢模塊3連接，為閃電信號(hào)接收模塊1、時(shí)間同步模塊2和自檢模塊3提供穩(wěn)定的電源。閃電信號(hào)接收模塊1的輸入端連接時(shí)間同步模塊2的輸出端，閃電信號(hào)接收模塊1將接收到的閃電信號(hào)判別處理后傳輸給時(shí)間同步模塊2；并且，閃電信號(hào)接收模塊1的輸出端與自檢模塊3的輸入端連接，在自檢模塊3工作時(shí)，閃電信號(hào)接收模塊1接收到的模擬閃電信號(hào)判別處理后傳輸給自檢模塊3。

所述閃電信號(hào)接收模塊1包括閃電接收天線11和閃電信號(hào)處理模塊12；閃電接收天線11將接收到的閃電電磁波信號(hào)傳輸給閃電信號(hào)處理模塊12。閃電信號(hào)接收模塊1通過(guò)閃電接收天線11接收閃電發(fā)生時(shí)的電磁波信號(hào)，將接收到的電磁波進(jìn)行處理及判別，確定是否是閃電信號(hào)。閃電接收天線11由兩個(gè)正交的磁環(huán)線圈和一個(gè)平板電容組成，這兩個(gè)正交的磁環(huán)線圈由同等匝數(shù)、同等形狀、同等截面積的磁環(huán)線圈組成，每個(gè)磁環(huán)線圈又分為兩組不同的磁環(huán)線圈，其中一組為感應(yīng)線圈，用于感應(yīng)閃電發(fā)生時(shí)的磁場(chǎng)信號(hào)，另外一組為測(cè)試線圈，用于閃電探測(cè)儀整點(diǎn)自檢時(shí)發(fā)出不同波形的閃電磁場(chǎng)信號(hào)。閃電接收天線11的輸出端連接閃電信號(hào)處理模塊12的輸入端，閃電信號(hào)處理模塊12將閃電接收天線11接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、高速AD采樣后，進(jìn)行數(shù)字波形識(shí)別，然后輸出閃電數(shù)據(jù)到閃電數(shù)據(jù)處理中心站、輸出測(cè)試閃電數(shù)據(jù)到自檢模塊3。

閃電信號(hào)處理模塊12包括閃電接收模塊121、閃電數(shù)據(jù)處理模塊122、閃電數(shù)據(jù)發(fā)送模塊123。閃電接收模塊121的輸入端連接閃電接收天線11的輸出端，閃電接收模塊121的輸出端連接閃電數(shù)據(jù)處理模塊122的輸入端，閃電數(shù)據(jù)處理模塊122的輸出端分別連接閃電數(shù)據(jù)發(fā)送模塊123的輸入端和自檢模塊3的輸入端，閃電數(shù)據(jù)發(fā)送模塊123通過(guò)有線或者無(wú)線的方式將閃電數(shù)據(jù)輸出到閃電數(shù)據(jù)處理中心站。閃電接收模塊121接收閃電天線傳輸來(lái)的電磁波信號(hào)，發(fā)送給閃電數(shù)據(jù)處理模塊122，閃電數(shù)據(jù)處理模塊122將處理完成后的閃電信息發(fā)送給閃電數(shù)據(jù)發(fā)送模塊123或者自檢模塊3。

所述的時(shí)間同步模塊2包括北斗接收模塊21、GPS接收模塊22、北斗接收控制模塊23、GPS接收控制模塊24，以及接收選擇控制模塊25。其中GPS接收模塊22和GPS接收控制模塊24組成一路接收通路，GPS接收模塊22的輸出端連接GPS接收控制模塊24的輸入端，GPS接收控制模塊24的輸出端連接接收選擇控制模塊25。GPS接收模塊22接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給GPS接收控制模塊24，GPS接收控制模塊24將接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼分析，然后將解碼后的信息傳輸給接收選擇控制模塊25。北斗接收模塊21和北斗接收控制模塊23組成另一路接收通路，北斗接收模塊21的輸出端連接北斗接收控制模塊23的輸入端，北斗 接收控制模塊23的輸出端連接接收選擇控制模塊25。北斗接收模塊21接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給北斗接收控制模塊23，北斗接收控制模塊21將接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼分析，然后將解碼后的信息傳輸給接收選擇控制模塊25；接收選擇控制模塊25根據(jù)接收到的GPS信息和北斗信息進(jìn)行選擇，然后輸出精度較高的時(shí)間和定位數(shù)據(jù)到閃電信號(hào)接收模塊1。

時(shí)間同步模塊2同時(shí)接收GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)接收到的GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)的信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判別使用哪種時(shí)間同步方式。時(shí)間同步模塊根據(jù)選定的時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)閃電探測(cè)儀的內(nèi)部時(shí)間進(jìn)行同步，在閃電到來(lái)時(shí)給出準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)時(shí)間。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下：

第一步，三維閃電探測(cè)儀上電后，進(jìn)行初始化。初始化的主要功能是完成三維閃電探測(cè)儀的啟動(dòng)和各個(gè)功能單元的初始化設(shè)定。初始化包括檢測(cè)外部RAM、檢測(cè)北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)信息、計(jì)算AD轉(zhuǎn)換補(bǔ)償誤差。外部RAM作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，負(fù)責(zé)暫存高速AD采集的閃電波形數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)閃電波形數(shù)據(jù)判別完成后形成的閃電數(shù)據(jù)。閃電數(shù)據(jù)包括閃電精確對(duì)時(shí)時(shí)間、閃電磁場(chǎng)峰值和閃電電場(chǎng)峰值；檢測(cè)北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)信息是指首先檢測(cè)北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的天線是否正常，然后檢測(cè)接收到的衛(wèi)星信號(hào)是否有效；AD轉(zhuǎn)換補(bǔ)償誤差是指由于受外界溫度濕度等的影響，造成高速AD采集的數(shù)值會(huì)有一定的偏差，在后續(xù)的計(jì)算中需要將這個(gè)補(bǔ)償誤差代入計(jì)算。外部RAM保證本地存儲(chǔ)能正常運(yùn)行；檢測(cè)北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的信息保證能精確對(duì)時(shí)；計(jì)算AD轉(zhuǎn)換補(bǔ)償誤差保證閃電波形采集正確。

時(shí)間同步模塊使用同時(shí)接收GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)信息的方式對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)定位數(shù)據(jù)的有效性及定位精度，自動(dòng)選擇輸出定位精度高的一路數(shù)據(jù)。單點(diǎn)定位精度取決于所觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布，精度衰減因子(DOP)反映了衛(wèi)星的幾何分布對(duì)定位誤差的影響，是衡量導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，DOP值的大小與定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就低。在接收北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)信息時(shí)，根據(jù)DOP的大小來(lái)判斷選擇使用北斗系統(tǒng)還是GPS系統(tǒng)的信息，選擇DOP值小的定位信息作為時(shí)間同步模塊的輸出。

第二步，三維閃電探測(cè)儀自檢。三維閃電探測(cè)儀自檢模塊的主要作用是確定各個(gè)單元能夠正常的工作，自檢部分主要包括測(cè)試閃發(fā)送模塊31、測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊32、增益系數(shù)校正計(jì)算模塊33。

測(cè)試閃發(fā)送模塊31模擬發(fā)送一定數(shù)量的測(cè)試閃電信號(hào)給閃電接收天線11的測(cè)試線圈，以注入變化電流的方式耦合出電磁場(chǎng)。閃電接收天線11的感應(yīng)線圈接收耦合出的測(cè)試電磁場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行測(cè)試閃電信號(hào)的判別。待這一組測(cè)試閃電信號(hào)發(fā)送和接收完畢后，測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊32比對(duì)接收到的測(cè)試閃電信號(hào)是否與發(fā)送的測(cè)試閃電信號(hào)相同。在三維閃電探測(cè)儀自檢時(shí)， 測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊32統(tǒng)計(jì)閃電信號(hào)接收模塊接收到的閃電數(shù)據(jù)，與測(cè)試閃發(fā)送模塊31發(fā)送的測(cè)試閃進(jìn)行一一比對(duì)，只有在測(cè)試閃發(fā)送模塊31發(fā)出的測(cè)試閃電信號(hào)與接收到的測(cè)試閃電信號(hào)完全相同的情況下，設(shè)備才是正常的，否則設(shè)備不正常，通過(guò)閃電數(shù)據(jù)發(fā)送模塊123輸出自檢信息。

在設(shè)備正常條件下，測(cè)試閃統(tǒng)計(jì)模塊32輸出測(cè)試閃增益系數(shù)給增益系數(shù)校正模塊33，增益系數(shù)校正模塊33根據(jù)測(cè)試閃發(fā)送模塊31發(fā)出的測(cè)試閃信號(hào)與接收到的測(cè)試閃信號(hào)校正系統(tǒng)參數(shù)。

在開(kāi)機(jī)時(shí)、整點(diǎn)時(shí)三維閃電探測(cè)儀均進(jìn)行自檢，以檢測(cè)三維閃電探測(cè)儀是否正常工作。

第三步，在自檢完成后，三維閃電探測(cè)儀開(kāi)始運(yùn)行。如圖2所示，三維閃電探測(cè)儀運(yùn)行過(guò)程包括閃電信號(hào)接收、小時(shí)自檢、定時(shí)向外發(fā)送探測(cè)儀狀態(tài)信息等。

閃電信號(hào)處理模塊12中的閃電信號(hào)接收模塊121根據(jù)高速AD采樣后的波形數(shù)據(jù)，判斷是否接收到有效閃電，在接收到有效閃電后，對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，最后將同步后的閃電數(shù)據(jù)通過(guò)有線或者無(wú)線的方式發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心站。

根據(jù)設(shè)定的每30秒鐘定時(shí)向外發(fā)送一次閃電探測(cè)儀的狀態(tài)信息，包括：自檢是否通過(guò)、探測(cè)儀經(jīng)緯度、時(shí)間同步精度、狀態(tài)信息時(shí)間。