一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地閃所產(chǎn)生的福射電磁波向空間傳播的過程中，由于地表（大地、河流、海洋等） 的電導(dǎo)率不同導(dǎo)致了電磁波波形產(chǎn)生崎變。同時，由于通信電磁波W及噪聲的存在，致使雷 電定位系統(tǒng)信號接收裝置所采集的電磁波波形中包含了大量的干擾成分。為了減小或避免 運(yùn)些干擾成分對雷擊位置定位結(jié)果的影響，需要對采集到的電磁波信號進(jìn)行優(yōu)化處理。
[0003] 目前，雷電定位系統(tǒng)已經(jīng)為雷電活動規(guī)律研究及輸變電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)提供了大量 數(shù)據(jù)，是電力系統(tǒng)研究雷電活動、電網(wǎng)主動防雷的一種非常有效手段。雷電定位系統(tǒng)常用的 定位算法是通過推算地閃產(chǎn)生電磁波的到達(dá)時間與推定到來方向相結(jié)合的方式。雷電定位 系統(tǒng)所用的天線由直交環(huán)狀磁場天線與電場天線構(gòu)成。其中磁場天線是由東-西（EW)方 向與南-北（N巧方向直交配置且垂直于地面的環(huán)狀天線構(gòu)成，分別用來采集電磁波磁場成 分在東西與南北方向的分量，磁場天線輸出信號的強(qiáng)度符合Ξ角函數(shù)關(guān)系，因此，可W通過 公式（1)與電場天線采集到的電場波形綜合判斷，推定出電磁波的到來方向，其定向原理 如圖1所示。
[0004]
… 陽0化]式中，@為到來方向；Hw為直交磁場天線輸出的東西方向分量的峰值；Hm為直交 磁場天線輸出的南北方向分量的峰值。
[0006] 隨著定位技術(shù)的發(fā)展，雷電定位系統(tǒng)引入了高精度的GI^系統(tǒng)，加入了時間參數(shù)， 利用各個探測站之間的到達(dá)時間與上述的到來方向相結(jié)合的方式定位，其定位原理如圖2 與公式似所示。
[0007]
(2)
[0008] 式中：i為探測站序數(shù)α= 1，2,…，腳；N為探測站總數(shù)；Θ。1為電磁波到來方向 的最適值；Θ1為電磁波到來方向的推定值；0ei為到來方向推定誤差的偏差；tw為到達(dá)時 間的最適值；ti為到達(dá)時間的推算值；σ為到達(dá)時間推算誤差的偏差。
[0009] 但是，在定向算法中一旦所用的信號峰值中包含了干擾成分，會致使定向精度降 低，進(jìn)而影響了雷擊定位的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是提供一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方 法，其主要用于雷電定位系統(tǒng)中的定向定位部分，可W降低或避免因信號峰值包含干擾成 分對雷擊定位結(jié)果的影響，W獲得高精度的定位結(jié)果。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，，包括 如下步驟：步驟1，采集直交環(huán)狀磁場天線所輸出的兩組信號波形峰值及周圍數(shù)據(jù)；步驟2， 根據(jù)步驟1中采集的信號波形，獲得多個的到來方向推定結(jié)果步驟3,排除步驟2中到來方 向推定結(jié)果中的偏差；步驟4,對步驟3中剩余的到來方向推定結(jié)果取平均值。
[0012] 進(jìn)一步的，采集電磁波波形信號數(shù)據(jù)的有效利用：本方法利用了雷電定位探測站 天線采集到的雷擊電磁波信號波形峰值附近其他波形數(shù)據(jù)的情報(bào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的利用信號單 一峰值的方法，求出大量的到來方向推定結(jié)果，如式（3)所示： 柳1引
（3)
[0014] 式中，Θk化=1，2, 3,…K)為到來方向，K為所利用數(shù)據(jù)的個數(shù)化小于信號總長 度，并集中于峰值附近）；Hp"k為直交磁場天線輸出的東西方向分量的峰值及其附近的波形 數(shù)據(jù)；為直交磁場天線輸出的南北方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)。
[0015] 進(jìn)一步的，基于排除偏差的優(yōu)化處理：在得到大量的到來方向推定結(jié)果后，利用預(yù) 定的規(guī)則，找出其中的分散值并除去。重復(fù)運(yùn)種處理，將會除去包含了誤差（干擾成分）的 推定結(jié)果，直到剩余的到來方向推定結(jié)果的精度達(dá)到要求，求解剩余的到來方向推定結(jié)果 的平均值W作為最后的到來方向推定結(jié)果。
[0016] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：提供一種新的雷電定向定位方法，避免或 降低了傳統(tǒng)定向定位算法由于信號峰值中包含干擾成分而對定向精度的影響，進(jìn)而提高了 雷擊定位精度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是磁場天線的定向原理；
[0018] 圖2是到達(dá)時間與到來方向相結(jié)合的定位算法；
[0019]圖3是本發(fā)明的基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法的流程圖；
[0020] 圖4是圖3所示的排除偏差示意圖。
[0021] 具體實(shí)施方法
[0022] 結(jié)合附圖3、4說明本發(fā)明的具體實(shí)施方法。
[0023] 1、采集信號波形峰值及周圍數(shù)據(jù)：
[0024] 將直交環(huán)狀磁場天線所輸出的兩組信號波形按照相同的頻率采樣。抽取兩組信號 波形各自峰值附近的多組數(shù)據(jù)（比如大于五組W上的數(shù)據(jù)），應(yīng)當(dāng)理解的是，兩組信號的峰 值出現(xiàn)處一致。
[00巧]直交磁場天線輸出的東西方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)的數(shù)值，單位為KA:215、213、209、205、195、186、164、135、128、113 ;
[00%] 直交磁場天線輸出的南北方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)的數(shù)值，單位為 KA:114、111、109、107、98、95、83、79、68、59。
[0027] 2、獲取大量的到來方向推定結(jié)果：
[002引將步驟1中所記錄的兩個信號的峰值附近數(shù)據(jù)，按照下式分別求解到來方向，
[0029]
[0030] 式中，θk化=1，2, 3,…Κ)為到來方向，Κ為所利用數(shù)據(jù)的個數(shù)化小于信號總長 度，并集中于峰值附近）；Hp"k為直交磁場天線輸出的東西方向分量的峰值及其附近的波形 數(shù)據(jù)；為直交磁場天線輸出的南北方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)。
[0031]
陽032] 3、排除推定結(jié)果中的偏差值：
[0033] 按照偏差值定義，求解步驟2中獲得大量到來方向推定結(jié)果的偏差值并除去。再 次求解剩余推定結(jié)果中的偏差值并除去。如此循環(huán)幾次后，剩余結(jié)果中將不再出現(xiàn)偏差值。
[0034] 具體為目k化=1，2, 3,…K)的平均值（即算術(shù)平均值）為μ，即：μ為62. 7。
[0035]σ為Θk數(shù)據(jù)組的標(biāo)準(zhǔn)差，也被稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差，公式為：
[0036]
σ為 2. 24。
[0037] 標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值越大，代表數(shù)值越分散，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值越小，代表數(shù)值越集中。
[0038] 在一個實(shí)施例之中，定義具體數(shù)值與平均值小于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為未偏差的數(shù) 值，具體數(shù)值與平均值大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為偏差值，因此，選擇具體數(shù)值與平均值小于 兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值進(jìn)入下一輪的計(jì)算，舍棄具體數(shù)值與平均值大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值W阻 止進(jìn)去下一輪的計(jì)算，循環(huán)計(jì)算的次數(shù)依據(jù)需要的精度而計(jì)算。那么，在第一輪計(jì)算之中， 上述兩倍標(biāo)準(zhǔn)差為4. 48,目7數(shù)值與平均值62. 7的差為6. 3,大于4. 48,屬于偏差的數(shù)值， 9 7應(yīng)當(dāng)排除。
[0039] 當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，在另一個實(shí)施例之中，也可W定義具體數(shù)值與平均值小于一 倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為未偏差的數(shù)值，具體數(shù)值與平均值大于一倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為偏差的數(shù) 值，因此，選擇具體數(shù)值與平均值小于一倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值進(jìn)入下一輪的計(jì)算，舍棄具體數(shù)值 與平均值大于一倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值W阻止進(jìn)去下一輪的計(jì)算，循環(huán)計(jì)算的次數(shù)依據(jù)需要的精 度而計(jì)算。那么，在第一輪計(jì)算之中，上述一倍標(biāo)準(zhǔn)差為2.24,Θ7數(shù)值為69,Θ7數(shù)值與平 均值62. 7的差為6. 3,大于2. 24,屬于偏差的數(shù)值，目7應(yīng)當(dāng)排除。
[0040] 4、平均化處理：
[0041] 將步驟3中剩余的到來方向推定結(jié)果取平均值，并作為到來方向的最后推定結(jié) 果。
[0042] 如果將精度設(shè)置為：進(jìn)行第一輪的偏差排除，已經(jīng)達(dá)到精度要求。
[0043] 那么上述計(jì)算之中，將Θ1、0 2、0 3、0 4、0 5、0e、Θ8、運(yùn)八個剩余的到來方向 推定結(jié)果取平均值，結(jié)果為62,即到來方向的最后推定結(jié)果為62。
[0044] 現(xiàn)有的雷電定位系統(tǒng)是通過推算到達(dá)時間與推定到來方向相結(jié)合的方式計(jì)算雷 擊點(diǎn)的位置。本發(fā)明的方法適用于定位算法中的到來方向推定方法的優(yōu)化，本方法利用所 采集到的電磁波信號峰值附近大量波形數(shù)據(jù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的利用單一信號峰值推定到來方向 的原理，W通過大量波形數(shù)據(jù)獲得大量到來方向推定結(jié)果，然后利用排除偏差值的原理除 去其中發(fā)散的數(shù)據(jù)（即干擾成分），對剩余的穩(wěn)定值取平均值，W此作為最后的到來方向推 定結(jié)果，從而改善雷擊定位結(jié)果的精度。
[0045] 應(yīng)當(dāng)說明的是，W上實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護(hù)范圍 的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可 W對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，采集直交環(huán)狀磁場天線所輸出的兩組信號波形峰值及周圍數(shù)據(jù)； 步驟2,根據(jù)步驟1中采集的信號波形，獲得多個的到來方向推定結(jié)果； 步驟3,排除步驟2中到來方向推定結(jié)果中的偏差； 步驟4,對步驟3中剩余的到來方向推定結(jié)果取平均值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，其特征在于，在步 驟1中，所述直交環(huán)狀磁場天線所輸出的兩組信號波形是按照相同的頻率采樣的，采集兩 組信號波形各自峰值附近的、大于五組的數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，其特征在于，在步 驟2中，按照下列公式獲得到來方向推定結(jié)果：式中，0k化=1，2, 3,…K)為到來方向，K為所利用數(shù)據(jù)的個數(shù)，K小于信號總長度，并 集中于峰值附近；為直交磁場天線輸出的東西方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)； 為直交磁場天線輸出的南北方向分量的峰值及其附近的波形數(shù)據(jù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，其特征在于，在步 驟3中，按照預(yù)定的規(guī)則循環(huán)多次W排除偏差，直到剩余到來方向推定結(jié)果的精度達(dá)到要 求。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，其特征在于，所述 預(yù)定的規(guī)則是指定義具體數(shù)值與平均值小于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為未偏差的數(shù)值，具體數(shù)值 與平均值大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值為偏差的數(shù)值，選擇未偏差的數(shù)值進(jìn)入下一輪的計(jì)算，舍 棄偏差的數(shù)值W阻止進(jìn)入下一輪的計(jì)算，循環(huán)計(jì)算的次數(shù)依據(jù)要求的精度而定。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于排除偏差的雷電定向定位優(yōu)化方法，包括如下步驟：步驟1，采集直交環(huán)狀磁場天線所輸出的兩組信號波形峰值及周圍數(shù)據(jù)；步驟2，根據(jù)步驟1中采集的信號波形，獲得多個的到來方向推定結(jié)果；步驟3，排除步驟2中到來方向推定結(jié)果中的偏差；步驟4，對步驟3中剩余的到來方向推定結(jié)果取平均值。
【IPC分類】G01R29/08
【公開號】CN105403774
【申請?zhí)枴緾N201510703030
【發(fā)明人】田野, 傅明利
【申請人】南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年10月23日