一种基于北斗系统和GPS系统的三维闪电探测仪的制作方法

本实用新型属于一种闪电探测装置，具体涉及一种基于北斗和GPS的三维闪电探测仪。

背景技术：

闪电是自然界中的一种强放电现象，具有随机性和强烈的破坏性。雷电常常会引发森林火灾，导致成片森林的烧毁；高压电网附近的闪电往往引起线路故障，中断电网的供电；发射场及飞机场附近的雷电对导弹、火箭的发射及飞机的起飞构成威胁。因此，目前各国都很重视雷电的研究、监测及防护。

目前闪电探测主要使用的是基于时差法测量闪电辐射的脉冲。用时差法测量闪电辐射的脉冲时，需要测量脉冲到达探测仪的精确时间。利用多个探测站同时观测同一闪电辐射的电磁信号，确定闪电源的所在位置。这样时间同步的精确性是闪电定位的重要性能参数，对最终的定位结果精度有很大的影响。

现有的全球定位系统主要有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统、中国“北斗”系统。目前使用最为广泛的是美国的GPS系统，但是GPS均数据外国军方控制，一旦战争爆发，如果仅依赖GPS，导航系统将全部失效；我国自主研发的北斗卫星导航系统服务性能与GPS相当，能够提供高精度、高稳定性的定位、导航和授时服务，已满足精度达10米的要求，而且北斗系统针对中国及其周边地区是特别加强过的，在国内卫星的几何条件比较好。

目前，在闪电探测领域，闪电探测系统主要服务于气象系统和电力系统。目前已公开的闪电探测装置大都是采用单GPS授时系统或者北斗授时系统。但是在应用中发现GPS有搜星较慢、信号不稳定等因素，北斗目前只支持以中国为中心的一定范围内的实时定位等一系列的原因，迫使我们将GPS和北斗两种模式集于一体进行精确定位授时。

专利CN102338830公布了一种闪电探测定位系统及方法，该方法接收GPS卫星信号标记闪电波形的时间。该方法只能接收GPS信息不能接收北斗卫星信息。

专利CN103743958公布了一种基于北斗卫星授时系统的雷电探测装置，该装置采用北斗卫星授时信息作为雷电探测装置的时间系统集成，采用北斗卫星系统时间信息标识雷电数据。该装置只能接收北斗卫星授时信息，不能接收GPS授时信息，不具有通用性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服三维闪电探测仪中只使用单一的GPS定位系统或者北斗定位系统的制约和弊端，满足三维闪电探测仪中高精度定位授时的要求，提供一种基于GPS和北斗同时授时的三维闪电探测仪。

本实用新型包括闪电信号接收模块、自检模块、时间同步模块和电源模块。电源模块分别与闪电信号接收模块、时间同步模块和自检模块连接，为闪电信号接收模块、时间同步模块和自检模块供电。时间同步模块的输出端连接闪电信号接收模块的输入端，时间同步模块将同步后的时间信号传输给闪电信号接收模块，同步闪电时间。并且，闪电信号接收模块的输出端与自检模块的输入端连接，在自检模块工作时，闪电信号接收模块将接收到的模拟闪电信号判别处理后传输给自检模块。

闪电的时间同步模块采用北斗和GPS双模式时间接收，有效地提高了闪电探测仪的时间精度。

电源模块分别与闪电信号接收模块的输入端、时间同步模块供电的输入端和自检模块的输入端连接，向闪电信号接收模块、时间同步模块供电和自检模块供电。时间同步模块的输出端连接闪电信号接收模块的输入端；闪电信号接收模块的输出端同时与自检模块的输入端连接，在自检模块工作时，闪电信号接收模块将接收到的模拟闪电信号判别处理后传输给自检模块。

所述的闪电接收模块包括闪电接收天线和闪电信号处理模块。闪电接收天线由两个正交的磁环线圈和一个平板电容组成，所述的两个磁环天线分别为地理南北向重合和地理东西向重合。所述的平板电容与水平面平行。闪电接收天线的输出端和闪电信号处理模块的输入端连接，闪电信号处理模块的输出端连接时间同步模块的输入端。闪电接收天线接收闪电发生时的电磁波信号，将接收到的闪电电磁波信号传输给闪电信号处理模块；闪电信号处理模块将接收到的电磁波信号行放大、滤波、高速AD采样后进行数字波形识别，判别是否闪电信号。

所述的自检模块的主要作用是确定所述三维闪电探测仪各个单元能够正常的工作，并校正三维闪电探测仪的参数。自检部分主要包括测试闪发送模块、测试闪统计模块和增益系数校正计算模块。测试闪发送模块的输出端连接闪电接收模块的闪电接收天线，通过输出模拟的测试闪电信号、以注入变化电流的方式耦合出电磁场；测试闪发送模块的输出端同时连接测试闪统计模块的输入端。闪电信号接收模块的输出端连接测试闪统计模块的输入端。闪电信号接收模块在接收到测试闪电信号之后将闪电信息发送给测试闪统计模块，测试闪统计模块统计闪电信号接收模块接收到的测试闪电数据，与测试闪发送模块发送的测试闪数据一一 比对，只有在测试闪发送模块发出的测试闪电信号与接收到的测试闪电信号完全相同的情况下，设备才是正常的，否则设备不正常。测试闪统计模块的输出端连接增益系数校正计算模块的输入端，测试闪统计模块同时计算出测试闪增益系数输出给增益系数校正模块，增益系数校正模块根据测试闪增益系数校正三维闪电探测仪的参数。

所述的时间同步模块包括GPS接收模块、北斗接收模块、GPS接收控制模块、北斗接收控制模块，以及接收选择控制模块。其中GPS接收模块和GPS接收控制模块组成一路接收通路，GPS接收模块的输出端连接GPS接收控制模块的输入端，GPS接收控制模块的输出端连接接收选择控制模块。GPS接收模块接收来自GPS天线的卫星信号，并自动检测天线的状态。根据GPS天线卫星信号进行结算定位，获得GPS定位数据。GPS定位数据通过RS232串口的形式输出至GPS控制模块。GPS接收控制模块将接收到的GPS卫星信号进行解码分析，然后将解码后的时间和定位数据传输给接收选择控制模块。北斗接收模块和北斗接收控制模块组成另一路接收通路，北斗接收模块的输出端连接北斗接收控制模块的输入端，北斗接收控制模块的输出端连接接收选择控制模块。北斗接收模块接收来自北斗天线的卫星信号，并自动检测北斗天线的状态。根据北斗天线卫星信号进行结算定位，获得北斗定位数据。北斗定位数据通过RS232串口的形式输出至北斗控制模块。北斗接收控制模块将接收到的北斗卫星信号进行解码分析，然后将解码后的时间和定位数据传输给接收选择控制模块。接收选择控制模块根据接收到的GPS信息和北斗信息进行选择，然后输出精度较高的时间和定位数据至闪电信号接收模块。

时间同步模块同时接收GPS系统和北斗系统的信息，对闪电数据进行时间同步，根据接收到的GPS信号和北斗信号的强度来判别使用哪种时间同步方式。时间同步模块根据选定的时间数据对闪电探测仪的内部时间进行同步，在闪电到来时给出准确的对时时间。

接收选择控制模块同时接收北斗卫星数据和GPS卫星数据，根据定位数据的有效性及定位精度，自动选择输出定位精度高的一路的数据。单点定位精度取决于观测卫星的空间几何分布，在综合考虑单点定位精度的情况下选择精度高的卫星数据输出。

本实用新型提供了高精度的时间同步信息，能自动选择北斗或GPS中精度高的一路数据输出，提高了三维闪电探测仪的时间精度，提高了多站联合探测的精度。

附图说明

图1是本实用新型的组成结构框图；

图2是本实用新型处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型基于北斗系统和GPS系统的三维闪电探测仪包括闪电信号接收模块1、时间同步模块2、自检模块3和电源模块4。电源模块4分别与闪电信号接收模块1、时间同步模块2和自检模块3连接，为闪电信号接收模块1、时间同步模块2和自检模块3提供稳定的电源。闪电信号接收模块1的输入端连接时间同步模块2的输出端，闪电信号接收模块1将接收到的闪电信号判别处理后传输给时间同步模块2；并且，闪电信号接收模块1的输出端与自检模块3的输入端连接，在自检模块3工作时，闪电信号接收模块1接收到的模拟闪电信号判别处理后传输给自检模块3。

所述闪电信号接收模块1包括闪电接收天线11和闪电信号处理模块12；闪电接收天线11将接收到的闪电电磁波信号传输给闪电信号处理模块12。闪电信号接收模块1通过闪电接收天线11接收闪电发生时的电磁波信号，将接收到的电磁波进行处理及判别，确定是否是闪电信号。闪电接收天线11由两个正交的磁环线圈和一个平板电容组成，这两个正交的磁环线圈由同等匝数、同等形状、同等截面积的磁环线圈组成，每个磁环线圈又分为两组不同的磁环线圈，其中一组为感应线圈，用于感应闪电发生时的磁场信号，另外一组为测试线圈，用于闪电探测仪整点自检时发出不同波形的闪电磁场信号。闪电接收天线11的输出端连接闪电信号处理模块12的输入端，闪电信号处理模块12将闪电接收天线11接收到的信号进行放大、滤波、高速AD采样后，进行数字波形识别，然后输出闪电数据到闪电数据处理中心站、输出测试闪电数据到自检模块3。

闪电信号处理模块12包括闪电接收模块121、闪电数据处理模块122、闪电数据发送模块123。闪电接收模块121的输入端连接闪电接收天线11的输出端，闪电接收模块121的输出端连接闪电数据处理模块122的输入端，闪电数据处理模块122的输出端分别连接闪电数据发送模块123的输入端和自检模块3的输入端，闪电数据发送模块123通过有线或者无线的方式将闪电数据输出到闪电数据处理中心站。闪电接收模块121接收闪电天线传输来的电磁波信号，发送给闪电数据处理模块122，闪电数据处理模块122将处理完成后的闪电信息发送给闪电数据发送模块123或者自检模块3。

所述的时间同步模块2包括北斗接收模块21、GPS接收模块22、北斗接收控制模块23、GPS接收控制模块24，以及接收选择控制模块25。其中GPS接收模块22和GPS接收控制模块24组成一路接收通路，GPS接收模块22的输出端连接GPS接收控制模块24的输入端，GPS接收控制模块24的输出端连接接收选择控制模块25。GPS接收模块22接收GPS卫星信号，并将信号传输给GPS接收控制模块24，GPS接收控制模块24将接收到的GPS卫星信号进行解码分析，然后将解码后的信息传输给接收选择控制模块25。北斗接收模块21和北斗接收控制模块23组成另一路接收通路，北斗接收模块21的输出端连接北斗接收控制模块23的输入端，北斗 接收控制模块23的输出端连接接收选择控制模块25。北斗接收模块21接收北斗卫星信号，并将信号传输给北斗接收控制模块23，北斗接收控制模块21将接收到的北斗卫星信号进行解码分析，然后将解码后的信息传输给接收选择控制模块25；接收选择控制模块25根据接收到的GPS信息和北斗信息进行选择，然后输出精度较高的时间和定位数据到闪电信号接收模块1。

时间同步模块2同时接收GPS系统和北斗系统信号，对闪电数据进行时间同步，根据接收到的GPS系统和北斗系统的信号的强度来判别使用哪种时间同步方式。时间同步模块根据选定的时间数据对闪电探测仪的内部时间进行同步，在闪电到来时给出准确的对时时间。

本实用新型的工作过程如下：

第一步，三维闪电探测仪上电后，进行初始化。初始化的主要功能是完成三维闪电探测仪的启动和各个功能单元的初始化设定。初始化包括检测外部RAM、检测北斗系统和GPS系统信息、计算AD转换补偿误差。外部RAM作为数据的临时存储，负责暂存高速AD采集的闪电波形数据，同时存储闪电波形数据判别完成后形成的闪电数据。闪电数据包括闪电精确对时时间、闪电磁场峰值和闪电电场峰值；检测北斗系统和GPS系统信息是指首先检测北斗系统和GPS系统的天线是否正常，然后检测接收到的卫星信号是否有效；AD转换补偿误差是指由于受外界温度湿度等的影响，造成高速AD采集的数值会有一定的偏差，在后续的计算中需要将这个补偿误差代入计算。外部RAM保证本地存储能正常运行；检测北斗系统和GPS系统的信息保证能精确对时；计算AD转换补偿误差保证闪电波形采集正确。

时间同步模块使用同时接收GPS系统和北斗系统信息的方式对闪电数据进行时间同步，根据定位数据的有效性及定位精度，自动选择输出定位精度高的一路数据。单点定位精度取决于所观测卫星的空间几何分布，精度衰减因子(DOP)反映了卫星的几何分布对定位误差的影响，是衡量导航系统性能的重要指标，DOP值的大小与定位的误差成正比，DOP值越大，定位误差越大，定位的精度就低。在接收北斗系统和GPS系统信息时，根据DOP的大小来判断选择使用北斗系统还是GPS系统的信息，选择DOP值小的定位信息作为时间同步模块的输出。

第二步，三维闪电探测仪自检。三维闪电探测仪自检模块的主要作用是确定各个单元能够正常的工作，自检部分主要包括测试闪发送模块31、测试闪统计模块32、增益系数校正计算模块33。

测试闪发送模块31模拟发送一定数量的测试闪电信号给闪电接收天线11的测试线圈，以注入变化电流的方式耦合出电磁场。闪电接收天线11的感应线圈接收耦合出的测试电磁场信号，进行测试闪电信号的判别。待这一组测试闪电信号发送和接收完毕后，测试闪统计模块32比对接收到的测试闪电信号是否与发送的测试闪电信号相同。在三维闪电探测仪自检时， 测试闪统计模块32统计闪电信号接收模块接收到的闪电数据，与测试闪发送模块31发送的测试闪进行一一比对，只有在测试闪发送模块31发出的测试闪电信号与接收到的测试闪电信号完全相同的情况下，设备才是正常的，否则设备不正常，通过闪电数据发送模块123输出自检信息。

在设备正常条件下，测试闪统计模块32输出测试闪增益系数给增益系数校正模块33，增益系数校正模块33根据测试闪发送模块31发出的测试闪信号与接收到的测试闪信号校正系统参数。

在开机时、整点时三维闪电探测仪均进行自检，以检测三维闪电探测仪是否正常工作。

第三步，在自检完成后，三维闪电探测仪开始运行。如图2所示，三维闪电探测仪运行过程包括闪电信号接收、小时自检、定时向外发送探测仪状态信息等。

闪电信号处理模块12中的闪电信号接收模块121根据高速AD采样后的波形数据，判断是否接收到有效闪电，在接收到有效闪电后，对闪电数据进行时间同步，最后将同步后的闪电数据通过有线或者无线的方式发送到数据处理中心站。

根据设定的每30秒钟定时向外发送一次闪电探测仪的状态信息，包括：自检是否通过、探测仪经纬度、时间同步精度、状态信息时间。