闪电定位系统性能介绍.doc

ADTD雷电定位系统技术特点1、前言ADTD雷电定位系统是一种专用、高技术设备，其原形最早是空间中心1986年从美国引进的ALDF，国内早期主要是满足军队、航天发射场安全保障而用，因此ADTD雷电定位系统的技术标准的制订主要参考依据为：有关设备运行环境要求采用国家军用野外电子设备类、有关设备稳定性可靠性要求采用航天标准、有关设备安全及其它类（比如包装、标识、运输等）则采用民用精密电子设备，对应系统软件采用军用软件开发规范。由于全球几乎所有的云地闪探测设备都是美国研制的，因此国产化设备的主要技术指标与验收标准则选和美国系统一致，目前和最新的IMPACT探测仪一致。详细引用标准如下。2、引用主要标准1、QJ 2145-91 电子元器件质量可靠性管理规定2、QJ 2166-91 电子设备可靠性鉴定和验收试验3、GJB 150.1-86 军用设备环境试验方法总论4、GJB 150.1-86 军用设备环境试验温度-湿度高度试验5、GJB 439-88 军用软件质量保证规范6、GJB 437-88 军用软件开发规范7、GJB 1443-92 产品包装、装卸、运输、贮存的质量管理要求8、GJB/Z 3-88 军用产品售后技术服务3、ADTD雷电定位系统的组成与各部分功能、技术指标规范3.1 ADTD雷电定位网系统组成ADTD雷电监测定位系统分为五部分：彼此以150KM左右间隔为基线的探测站网，集中处理数据的中心定位处理站、数据库+WebGIS等服务器、图形显示工作站及将上述几部分联系起来通讯和网络系统。3.2 ADTD雷电定位系统探测参量、技术指标、总体功能规范3.2.1 探测的雷电参量为：测量云地闪电每次回击过程的时间、位置、极性、峰值强度、接收点波形特征参量（陡点时间、峰点时间、波形半周过零点）、陡点值，通过Maxwell方程组还可导出放电电荷量、峰值辐射功率，通过归回击的方法，可以得出闪电的回击次数。3.2.2 具体参数与指标（基线距离150KM 四站标准网）如下表：参数回击发生的精确时间回击位置（经纬度）强度波形特征参量陡度值单位01S度KA01SKA/S指标精度优于10-7秒网内精度优于500米相对误差优于10%精度优于10-7秒相对误差优于10%3.2.3 主要功能 1）、系统建成后能全天候、连续运行，自动接收、定位处理并长期保存探测范围及周边地区发生的云地闪电的每次回击过程的放电参量。 2）、中心站处理回击的实时性应优于0.1秒，处理能力60个/秒。3）、能在雷雨季节，指导电力等易遭雷击部门对雷击故障进行定位分析，定位误差将在500米以内，强度相对误差在10%以内，极性判断正确率99.99%。通过在线监视可对雷电发展趋势进行跟踪、预测。 4）、根据累积的雷电数据，能统计、分析出雷电参数（比如：雷暴日、雷暴小时、雷电密度分布、雷电强度分布等20余项），为雷电防护设计提供完整的资料。 5）、设备的稳定性：探测仪平均无故障时间30000小时，中心定位处理站平均无故障时间10000小时。6）、可以广泛地向电力、电信、气象、军队、石油、森林防火等部门提供完整的、高精度的雷电探测数据。4、ADTD雷电探测仪的电气性能指标及技术特点4.1 设计原理根据最新的探测原理、并吸取国内外的先进水平，尤其是美国IMPACT 和LPATS系统的优点，考虑到我国通讯、布站位置的实际情况，设计的新型探测仪，其设计原理分述如下：4.1.1 天线雷击探测仪的天线系统共有四副天线，GPS天线，用来接收GPS卫星的导航信号，作探测仪时间同步用；平板电场天线，平行地面水平放置，用于接收闪电回击信号的垂直于地面的电场分量（Z方向）；南北方向磁场环状天线，南北向放置，用于接收闪电回击信号东西方向的磁场分量；东西方向磁场环状天线，东西向放置，用于接收闪电回击信号南北方向的磁场分量。4.1.2 信道处理模块在天线上感应出的回击的电场信号、南北向磁场信号、东西向磁场信号直接送到信道处理模块，信道模块对三路信号分别进行前级放大、滤波、增益调整、积分还原和低频抑制等技术处理，输出干净的磁场波形和电场波形。4.1.3 波形分析与鉴别模块对电场、东西向、南北向磁场分量分别取峰保持，并对南北、东西向磁场分量中信号较大的波形分量进行波形分析，鉴别其是否为云地闪回击信号，是，继续进行后续测量；否，进入云闪鉴别与记数状态，处理完成后使探测仪处于等待工作状态。4.1.4 GPS时间同步与时间基准及波形特征点测量模块从GPS天线下来的GPS卫星导航信号直接进入美国原装的授时型GPS接收机，经过授时型GPS接收机处理与分析，给出标准的1PPS同步信号和日历，时钟同步精度为10-7秒。另一方面，探测仪本地以10MHZ高稳定恒温晶振为频源，建有精度达10-7秒的精密时钟，在1PPS同步信号的同步下，探测仪以同步精度为10-7秒北京标准时间，按10-7秒精度计时。在高精度时钟下，和CPU板配合对回击磁场信号进行波形采样、分析，测量其波形特征点。4.1.5 CPU模块CPU模块管理整个探测仪自检、测量、数据处理及控制等部分。完全按预编程方式运行。并将测量的回击数据送往通讯接口。探测仪阈值、通讯波特率等参数可以用软件命令和DIP开关设置。4.1.6 探测仪自检自校仪器通电后，探测仪在CPU的控制下，通过自检天线发出标准测试信号，对探测仪各功能模块进行测量，测量内容为：仪器温度、GPS定位精度、恒温晶振稳定度和准确度、南北及东西向磁场通道增益、电场通道增益、A/D变换精度。测量的结果自动保存，有错误，自动报警。由于探测仪环境的变化，每一小时仪器自检一次，并将测量参数自动带入系统中。设备的重要部位设有自保装置，出现工作不正常时，自保装置自动启动，以保护设备和定位数据的安全。4.1.7 电源和通讯接口电源负责将220V市电转换成探测仪工作用的各种直流电源，同时，用标准EIA-RS-232-C通讯接口/RJ45网络接口，以便和其它设备通讯。整个探测仪的功耗约为20瓦。4.2 ADTD雷电探测仪结构图雷击探测仪的结构：如下图所示由支柱和仪器舱两大部分组成。支柱的一端是经过精密机加工的顶端表面，顶端安装仪器舱，另一端是焊接的底部安装盘。用三根螺栓，通过支柱安装盘上的三个安装孔，将雷电探测仪安装在水泥墩上或用槽钢制成的支架上。仪器舱是一个组合部件，它是由电源腔、电子盒、天线部件、密封圈以及玻璃钢罩组成。电源接口盒放在电源腔内。电子盒中有四块印制电路板：模拟前置板、波形鉴别板、CPU板和波形测量板及10M的恒温晶振。天线部件内有：电场平板天线、正交环磁场天线和GPS天线（GPS天线也可外置）。4.3 电性能与技术指标性能名称ADTD系统天 线集成的电场、磁场天线、GPS天线探测范围0600、平均300KM探测效率8090阈值电平10mV2500mV闪电回击数据输出回击时间、方位角、极性、磁场峰值、电场峰值、陡度值、波形特征值（陡点、峰点、半周时间） 接收场强10 mV/ m50V/m时钟精度0.1sCG闪电波形鉴别率95%鉴别率测向精度理论随机误差是0.5度事件时间分辨率对有用的云地闪为3ms，对云间闪探测和剔除小于350 ns回击输出能力探测仪中设有数据缓存区，保证一定数量探测数据不丢失。以2400波特率时，每秒能传输7个回击。极性鉴别率在探测仪600公里探测范围内的所有闪电极性正确率为99.5%可以重组的鉴别判据在探测仪方固定设置参数性能监测和自检能够完成手动和自动系统校准和自检，包括时钟管理同步源：GPS接收机精度：相对世界时（UTC）130ns，探测仪之间小于50 ns。安装根据国内现状，可以安装在35层楼顶上环境条件温度：-40度到+55度工作温度：-40度到+80度相对湿度：0-100%降雨：7.6cm/hr 在风速为65km/h盐份：适合于海边位置可靠性平均无故障工作时间（MTBF）30000小时44、主要技术特点l 接收带宽选为1kHZ-350 kHZ，一方面保证接收闪电信号信噪比的要求，另一方面又减少了50HZ、广播、通讯频率的干扰。l 同时接收雷电回击辐射的磁场和电场信号，用磁场信号作为测量信号源，电场参与极性、方向、云闪波形鉴别，保证了在城市区域能接收到较为干净的闪电回击信号；l 在信道上设计有专用的电磁干扰抑制电路，大大抑制了探测仪的系统噪声，提高了时间测量、幅值测量的精度；l 对云地闪回击波形的鉴别，有效地抑制了云闪及其它干扰信号，提高了云地闪回击的鉴别率和波形畸变修正能力；l 增加了云地闪回击波形陡度值测量参数，有利于对雷电破坏力的分析；l A/D变换采用片内A/D，精度较片外A/D提高了许多，并且增强了线路抗干扰能力，具体测幅值时采用了电压分层技术，将输入幅值依幅度范围分为九层，用数控放大技术测量，明显地提高幅值测量精度；l 精确时钟线路、数字波形测量线路采用大规模的可编程的集成电路，提高了系统的可靠性和稳定性，使设备的体积缩小了许多；l 探测仪具有从天线到输出端口的全自检功能，能自检、自校、有错提示，特别是对GPS接收机和精密时钟部分能实时监测其工作状况；l 通过更换CPU软件的方法，可以将探测仪改到向下和美国LLP ALDF、IMPACT兼容；l 可以用TCP/IP、UDP协议，实现网络数据传输；5、中心定位处理站软件性能与技术标准51 总体技术要求一个先进的中心定位处理机必须完成具备下列性能：l 能同时接收多个探测站的信息（理论值为1024），不丢失数据l 迅速处理数据，计算出定位结果l 数据保存、查询、回放功能较强l 界面、操作系统比较先进l 软件有很好的稳定性和可靠性l 能对历史数据进行重新定位l 多任务性，比如实时检测探测站的工作状态时不影响中心站的其它工作我单位的中心数据处理软件是用VC+6.0，在WINDOWS NT 操作系统基础上开发出的大型应用软件。主要模块为：实时数据接收及和探测仪的通讯控制，数据排序、分析、定位计算处理与存储管理，存档数据的回放与查询、重定位计算。5.2 主要软件模块及功能5.2.1 实时数据接收及和探测仪的通讯控制模块该模块负责中心定位处理主机通过网络接口和探测仪的数据通讯。比如：设置通讯参数、接口开关状态、接口属性、接口对应探测仪的名称、经纬坐标等；从探测仪送来的实时数据的接收、分类、显示及送入数据缓存区；中心站对各探测仪的实时检测、控制、探测仪返回信息的显示与处理。5.2.2 实时数据处理模块该模块负责将送入数据缓存区的探测数据进行分类，分别建立数据备份，对其中的探测数据按时间顺序排序，挑选同一事件的闪电回击数据，调用算法库进行定位计算和数据处理，一方面将定位数据、回击波形参数在屏幕上显示，另一方面将定位结果存入数据归档文件和送入发送队列，依此发给图形显示终端、服务器等。5.2.3 回放数据模块回放数据模块负责存档数据的回放与查询，只要输入要求回放数据的时间范围、数据类型，即可快速将对应数据输出。5.2.4 重新定位处理模块随着布网时间的增长，探测数据的增多，以及理论研究水平的提高，需要对历史数据进行重新定位处理。设置本模块以便对存档数据进行重新计算处理。5.3 软、硬件配置硬件组成：中心定位处理机可以采用一般的PC机，但为了保证其稳定性与可靠性，建议采用品牌机或者用服务器代替。 中心站设备图片软件组成：操作系统：WINDOWS XP中文版。应用软件：雷击监测定位系统中心数据处理软件。 5.4 主要功能与技术特点1）、实时接收并管理所有探测仪发送来的探测数据，处理一个闪回击数据时间小于20毫秒；并且具有进一步扩网能力，最多能管理256个用户，保证数据不丢失；2）、对所有探测仪可进行参数检测、设置（常用的参数为：门槛电压值（阈值）、增益、自检、复位共17条命令），常用的命令如表3；表3 探测仪主要命令一览表命令编号命令字及其缩略形式参数个数 功能简述1ADCTEST (ADCT)4模数转换器测试2BAUDRATE (BR)0或1显示或设置通讯波特率3CLEAR (CLR)0清除全部RAM和复位硬件4CORRECTIONS (CORT)0显示现行的校正量5FLASHES (FL)2或0产生测试闪6FREQUENCY （F）0显示10MHZ恒温槽石英晶振频率值7HELP (H)0显示探测仪命令的清单8LIMITS (LIM)0显示自检通过/失败的限定范围9RATE (R)0或1显示或归零阈值通过率10RESET (RST)0复位硬件11SELFTEST (ST)0启动一次自检12STATUS (S)0显示状态（完整的自检结果）13STATUS-PERIOD (SP)0或1显示或规定发送状态信息的周期14TEMPERATURE (T)0显示探测仪舱内的温度15THRESHOLD (TH)0或1显示或设置阈值16TIME (TM)0显示当前日期和时间17TYPETEST (TT)0生成一个连续的通讯测试数据流18VERSION (V) 0显示现行的软件版本3）、根据探测数据的数量、波形受干扰等其它特殊情况，具有定位算法、误差修正等模型自动选择功能，以保证最好的定位结果，定位计算速度很快，实验证明每秒能处理60多个闪电回击数据（同时接10个探测站）；4）、全WINDOWS 界面，另配联机帮助文件，方便用户使用；5）、数据自动存盘并归档，大容量硬盘可以存储至少一年的信息（原始数据、定位数据、探测仪工作状态数据），另可以选配刻录机，可将原始数据刻成光盘永久保存；6）、可以对历史数据作重定位处理。如果某些探测站的原始数据由于通讯故障而没有传到中心站，可以在通讯恢复后，探测站重发数据，定位软件重新定位计算。部分软件界面及主菜单如下：实时接收部分界面初始化设置界面定位参数设置界面探测仪状态检测界面数据回放查询界面6、数据库服务器.GIS服务器.WEB服务器的功能及技术标准Internet/Intranet网络已经遍布世界各地，将高精度雷电定位数据存储到标准的关系型数据库中，通过WebGIS服务器，和Internet网络连接起来。用户即可通过浏览器以快捷、简单的方式访问雷电信息，并对数据进行统计分析。 6.1主要功能与技术规范1）、雷电信息采用ORACLE9i数据库管理系统存储，供多个用户同时查询；查询数据库中的雷电数据至少以三种不同的查询方式，分别是：按时间查询、按地点查询、按时间和地点组合查询。可供查询的数据内容有：闪电回击定位结果，雷电各放电参数的统计分布等。2）、采用专业的地理信息系统平台，以全国标准的1：25万地图为背景反映用户显示雷电信息、操作雷电的统计、分析、查询等要求，可以同时支持多个用户的在线操作；3）、雷电数据的安全：要访问雷电数据库，必须设置数据库服务器的权限，由系统管理员设置，GIS的安全性由GIS系统平台本身提供；4）、客户端采用普通的IE及可。6.2 软、硬件配置硬件组成：采用性能优良的专业服务器，也可以用品牌机代替。软件组成：操作系统：Windows 2000 Advanced Server中文版 数据库管理系统：Oracle9i数据库管理系统GIS网络平台：Mapinfo MapXtreme 3.0Web服务平台: International Information System 5.0雷电定位网络软件：雷电定位系统网络服务软件其他软件：Mapinfo MapX5.0、Microsoft Visual Studio6.0 Microsoft