本发明属于定位和导航
技术领域：
，尤其涉及一种基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法。
背景技术：
：目前全球有多套罗兰-c台链正常工作，其中中国的长河二号系统总计有六个发射台和三个系统工作区监测站。因为罗兰-c系统的信号覆盖区可深达水下数百米，类似的系统还有罗兰-a(目前还在一些国家和地区使用，但主要用户已经改为使用性能更为优越的罗兰-c系统)和罗兰-d(美国军用战术机动中程导航定位系统，同时也为海上石油开发提供高精度的导航和定位实施服务)等。上述方法均基于人工架设的大功率无线电发射站开展定位和导航，在战时条件下极容易成为敌方攻击的目标，因此战场生存能力较差。作为地球系统中的一种高功率自然电磁脉冲发射事件，闪电是自然界中发射功率最强且发射频次(全球每天数百万次)最高的宽频电磁辐射源，其辐射的电磁信号可在数千公里的距离上被探测到，从而实现基于长基线电磁探测平台的联合定位。目前，因其在灾害性雷暴系统监测中的广泛应用，世界各国或地区均在建设长基线的闪电定位网，为灾害性雷暴和天气系统的追踪提供辅助信息，同时也为更多地利用闪电的宽频带电磁能量提供了硬件支持。有关数据产品已经可以通过无线通讯或卫星发射发送到广大客户的接收终端上。比如说，美国(主要由vaisala公司承担并运行有关数据服务)已经建成了比较成熟的全天候闪电探测网络(即美国国家闪电定位网nationallightningdetectionnetwork，nldn)，相关数据产品在气象和航空服务保障中起到了重要作用，也对美国在多个领域内的相关基础研究起到了相当大的推动作用。同时，全球覆盖范围的闪电探测网也已经在多个科研单位的协作下实现了相关应用。中国科学院大气物理研究所的闪电研究团队目前已经掌握了闪电信号高灵敏度磁遥感关键传感器的研发技术，近两年也正在建设具有准实时效果的长基线闪电探测网络，实现中国大部分地区的闪电探测。利用具有一定空间精度和实时性的长基线闪电定位技术，可以将定位的闪电作为无线电发射源并开展相应的移动平台定位和导航。同现有的无线电定位和导航技术相比，基于闪电定位的海上移动平台定位和导航方法利用了地球表面普遍发生的放电过程作为参考源，因此方法具有较强的生存能力，可作为一种技术储备手段进行研究并研制相应的设备。综上所述，现有技术存在的问题是：现有的移动平台定位和导航方法基于人工架设的大功率无线电发射站开展定位和导航，在战时条件下极容易成为敌方攻击的目标，战场生存能力较差。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法。本发明是这样实现的，一种基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法，所述基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法利用在长基线闪电定位网探测区域内相距一定距离不同位置处的闪电实时探测定位信息(包含时间、经度、纬度等信息)的同时，海上移动平台安装的高灵敏度低频闪电测量系统(主要由高时间精度的gps接收机、低频闪电磁场传感器、数据采集设备和辅助设施等组成)会探测到上述闪电相应的低频闪电信号；基于闪电定位信息和海上移动平台探测的相应低频闪电信号到达时间，单次闪电可以提供以闪电坐标为圆心、以距离差为半径的地面观测点集合(定义为距离圆)，通过相对于多个发生在一定时间段内闪电定位事件的到达时间差，获得多个距离圆；在假定移动平台空间位置连续变化的前提下，多个距离圆应该在测量平台位置处交汇，通过交点位置确定即计算得出海上移动平台的位置。采用相同的方法，通过对不断接收到的闪电信号进行根据闪电发生时间计算的距离圆交点解算，获得平台地理坐标的时间变化信息。进一步，所述基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法具体包括以下步骤：步骤一，通过前三个闪电的定位信息和海上移动平台探测的相应低频闪电信号到达时间，获得各自以闪电坐标为圆心、距离差为半径的距离。基于几何计算，获得三个距离圆共同交点的位置，即移动平台的初始位置坐标。步骤二，以相同计算方法处理后续相邻两次闪电探测到的闪电事件，获得距离圆的交点(两个)位置，即可能的移动平台位置。如果该距离圆交点得到的结果同步骤一计算的初始位置结果比较一致(位置差不超过10公里)，可将该交点作为定位结果保存，进而获得移动平台新一时刻的位置信息。步骤三，如果步骤二中得到的结果同上述移动平台的初始位置结果不一致(比如说，位置差超过10公里)，说明相邻两次闪电中的第二次闪电事件的信号处理及相关定位结果存在偏差，可作为“飞点”处理，并利用后面一次的闪电事件定位替代，以步骤二中方法再处理，以此类推。步骤二中计算结果作为其下一时刻移动平台的初始位置；以上述步骤类推，通过对不断发生的闪电信号进行解算，获得平台地理坐标的时间变化信息。进一步，所述步骤一中前三个有效闪电信号源为各自的距离圆存在共同的交点。进一步，所述步骤二中初始位置结果比较一致为位置差不超过10公里。本发明的优点及积极效果为：在水下航行设备(如舰艇和远程制导鱼雷等)的导航和定位方面具有一定的应用前景，同时也为海上石油开发提供高精度的导航和定位实施服务。同目前常用的基于全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)相比，本发明解除了对gps卫星通讯的依赖性(尽管需要通过平台自身携带的铷原子钟保证平台自身的授时精度和同步性)，因此具有较强的自主定位功能和战场生存能力，可作为战略储备技术进行进一步的发展和研究。与目前利用全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)的定位和导航方法相比，基于闪电定位网的定位和导航方法可以应用于水下移动平台(如潜艇等)的定位和导航，这可以克服水下移动平台必须通过浮漂gps天线实现定位和导航的缺陷。本发明利用长基线闪电定位网的闪电探测信息，海上移动平台通过探测相应的低频闪电信号，可以通过到达时间差，在假定移动平台空间位置连续变化的前提下获得平台地理坐标的时间变化信息。利用全球闪电定位网(wwlln)开展的外场观测实验表明，基于长基线闪电定位网的移动平台定位技术是可行的。基于闪电定位网的定位和导航技术不仅适用于海上移动平台，对于在偏远地区或有地表覆盖物地区的定位也有一定的作用。gps的信号收到山体和森林等地表覆盖特征的严重影响，因此在移动平台进入隧道、林区和山区之后定位和导航存在一定困难。而低频闪电信号可通过地表传播，尽管其传播路径同视距(直线)传播值略有差别，但总体相对精度可控制在1％之内，因此在保证长基线闪电定位网(比如美国的nldn)闪电探测数据位置精度足够高(优于1公里)的前提下，定位结果仍然具有一定的应用价值。本发明基于长基线闪电定位网的移动平台定位技术解决了潜艇在水下航行期间的定位难题。由于在水下航行时潜艇无法有效接收gps卫星信号，因此目前潜艇在水下航行时多用惯性导航和水声导航的方法联合定位，加上航迹测绘和海图资料推算大致的舰艇位置。这种方法容易产生累积误差，可通过卫星导航，无线电导航，星光导航等方法来校正。利用长基线闪电定位网进行水下航行潜艇的定位原理上属于无线电导航，但采用自然界的闪电源作为参考源，大大增加了定位的适用区域。闪电源无法被作为攻击的对象，因此战场生存能力是非常强的。利用长基线闪电定位网络获得的闪电源准确坐标信息，也可以发展多个潜艇之间的大范围互导航定位技术。需要指出的是，基于长基线闪电定位网的海上移动平台定位技术还可以便于指挥中心对平台的追踪。在海上移动平台无法实现自身定位的情况下，可以向指挥中心传送闪电信号的准确探测时间，而指挥中心则可以通过该时间信息推算海上移动平台的准确位置并反馈给海上平台。附图说明图1是本发明实施例提供的基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法流程图。图2是本发明实施例提供的在2016年6月5日外场观测试验中有准确gps位置记录期间(05:05utc到05:43utc)的wwlln闪电空间分布(虚线方框内的闪电事件是本报告中分析的主要数据集)。图3是本发明实施例提供的利用实际测量的低频闪电磁信号获得的在场外观测站点获得的定位结果(wwlln闪电事件1、2、3和5的测距圆均能在预期的移动站点交汇，而事件4的测距圆偏离了预期值)。图4是本发明实施例提供的基于便携式低频闪电信号记录系统采集到的对表4中所列wwlln闪电事件的低频闪电信号测量结果。图5是本发明实施例提供的2016年6月5日外场观测试验中200次wwlln闪电距离圆处理结果(多数的距离圆均在便携式闪电磁场测量平台附近交汇，但内蒙古自治区内雷暴产生的闪电的距离圆多偏离了移动平台的实际位置)。图6是本发明实施例提供的2016年6月5日外场观测期间在忻州定襄县的定位结果同试验期间gps定位位置结果的比较(左下角嵌入小图给出了gps定位结果的细节图)；图中黑色加粗“+”符号表示基于wwlln闪电事件的定位结果的平均值，与实际gps位置相比存在5公里左右的系统偏差。图7是本发明实施例提供的、利用wwlln闪电定位数据反演得到的移动平台位置同gps标准值误差的统计直方图(列宽为2公里)。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示，本发明实施例提供的基于闪电定位网的海上移动平台定位和导航方法包括以下步骤：s101：利用长基线闪电定位网的闪电探测信息，海上移动平台通过探测相应的低频闪电信号；s102：可以通过到达时间差，在假定移动平台空间位置连续变化的前提下获得平台地理坐标的时间变化信息。下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。1便携式低频闪电磁场测量设备采用了美国国家仪器(nationalinstrument，ni)公司最新生产的usb型数据采集设备(型号usb-6356)。数据采集可以通过移动工作站进行，从而便于实现便携式采集系统的集成。在采用两通道以1mhz采样率连续采集的模式下，数据存储量大概为每小时30gb，因此完全可以依靠移动工作站的内置硬盘存储低频磁场信号。同时，gps接收机的串口信号接入到移动工作站上采用串口信号读取软件(eaglecom)进行记录，作为行驶车辆经纬度位置坐标的标准参考结果。整个系统由一台金武士dk1000型ups不间断电源提供电力。在电池充满电的情况下，汽车行驶过程中整套系统可连续运行50分钟左右。在外场观测中，磁天线盒安置在车后座的挡风玻璃下。实验证明，这种放置方式仍可有效地接收到低频闪电信号，说明在车体内部设置低频磁天线接收闪电信号时完全可行的。车辆金属框架结构的法拉第笼效应并不能完全屏蔽低频波段的闪电电磁信号，这为今后研究车辆内部的闪电屏蔽效应提供了初步的观测数据。2外场观测实验利用上述便携式低频闪电磁场记录设备，在不同的地区(山东沾化、山西忻州和北京等)开展了不同目的针对性实验，获得了初步的实验数据。利用wwlln数据和地面固定观测站的闪电低频信号对gps的授时精度进行了验证。选用西南地区wwlln探测到的一次闪电，江苏盐城地区架设的一套低频磁天线系统在1755公里的距离上记录到该次闪电的磁信号。经过对比，发现预期的闪电信号到达时间(即wwlln给出的闪电发生时间加上光速传播1775公里所需的延时)与数据记录系统上识别出的时间(以闪电信号的峰值时间计算)相差在一微秒左右，说明了闪电记录系统对磁信号记录的定时精度可以保证距离计算的精度可以达到一公里之内。在验证实验中，采用了双通道连续采集的数据记录方式。为了增加该方法数据处理的实时性和应用性，以后将采用触发式记录的方式保存数据。3取得的主要成果通过2016年6月5日在山西省忻州市定襄县城开展的外场观测实验，初步认证了利用闪电定位网数据估算移动平台地理坐标的可行性，但定位结果的准确性受限于闪电事件的定位精度。根据2016年6月5日全天24小时之内(00utc到24utc)wwlln在中国大陆附近探测到闪电空间分布，在当日山西、河南境内有比较活跃的雷暴活动，产生了较大数量的闪电放电。此外，在华南及南中国海地区也有活跃的闪电活动，为本发明中测试基于长基线闪电定位网的移动平台定位技术提供了大量的参考闪电源。2016年6月5日在山西省忻州市定襄县城开展的外场观测实验从05:00utc开始。在确定gps锁定并有串口信号稳定输出后，低频闪电磁场记录系统启动并以1mhz的速率连续采集磁场数据。车辆已低于40公里每小时的时速沿定襄县城的环城公路行驶。数据记录实验于05:50utc结束，并保存串口数据的文本。图2给出了有效低频闪电磁场数据记录期间(05:05utc到05:43utc)的wwlln闪电空间分布，表明山西和华北地区有一定数量的闪电事件可供定位。根据2016年6月5日从中国气象网网页上获取的05:10utc时刻的华北地区雷达拼图，雷暴对流区域(合成反射率大于30dbz)同wwlln闪电活动区域基本一致。图2显示了2016年6月5日外场观测试验中有准确gps位置记录期间(05:05utc到05:43utc)的wwlln闪电空间分布(虚线方框内的闪电事件是本报告中分析的主要数据集)。在选择的243次wwlln闪电事件中，对多数事件(200次)记录到了较容易识别的低频闪电信号，多数为在山西省境内发生的闪电事件，构成了本报告中定位分析工作的主要数据集。2016年6月4日从北京自驾车前往山西忻州途中利用eaglecom串口读取软件记录到的gps串口输出信息包括gps时间(世界时)和经纬度坐标(精度可达到100米之内)等。图3以2016年6月5日05：20左右五次wwlln闪电事件对应的低频磁天线记录数据为例说明了基于长基线闪电定位网的移动平台定位方法的工作原理。表2中列出了从05：20：03utc到05：21：09utc约一分钟时间段内的wwlln闪电信息，包括发生时间(精确到微秒)，经纬度和对定位有贡献的站点数量等。如图3所示，这五次闪电事件均发生在山西省境内，距离定襄县城的距离在200公里到400公里的范围内变动。对这五次闪电事件的低频闪电磁场信号测量结果如图4所示。因为wwlln闪电定位网一般探测比较强烈的闪电放电事件，因此本发明可推断在400公里距离内轿车金属框架车体的屏蔽作用还不会严重影响低频闪电磁场信号的接收。表2定位所用到的wwlln闪电相关信息(包括时间，经纬度以及定位贡献站点数)。表2dateutctimelatitudelongitude#ofstations6/5/201605：20：03.10501538.786000111.50580056/5/201605：20：09.65835637.528000110.58790056/5/201605：20：17.86071437.402300112.96710086/5/201605：21：03.41125136.057800111.36000056/5/201605：21：09.01876436.012300111.0827006图4中给出了五次wwlln闪电事件的发生时间及对应的低频闪电磁场信号测量波形。图中黑色实线标识了wwlln给出的闪电事件发生时间(精度1微秒)，其到后继低频闪电波形峰值之间的时间差可用于计算闪电事件到闪电磁场测量平台之间的距离差(假设闪电信号以真空中的光速传播)；以wwlln给出的闪电坐标为圆心，以距离差为半径可绘出到该闪电位置等距离的地面观测点的集合(定义为距离圆)。同样的方法，对稍后某个时间点上wwlln探测到的另外一次闪电事件做同样的处理，也可以得到以不同地理坐标为圆心，以不同距离差为半径得到的另外一个距离圆。在两次闪电发生时间相差不大的情况下，可近似任务闪电低频磁场信号测量平台的位置未发生显著变化(如每秒钟内的变化小于100米)。因此，两个距离圆应该在测量平台位置处交汇。从几何学角度判断，这两个距离圆将在两个点上交汇，因此其中一个交点需要排除，这可通过处理第三个wwlln闪电事件解决，从而得到移动平台地理坐标的初始解。(1)通过前三个有效闪电信号源(即各自的距离圆存在共同的交点)的交点位置估算移动平台的初始位置坐标；(2)处理相邻两次wwlln闪电事件，如果距离圆交点得到的结果同上述初始位置结果比较一致(位置差不超过10公里)，可将该交点作为定位结果保存；(3)如果得到的结果同上述初始位置结果不一致(比如说，位置差超过10公里)，说明第二次wwlln闪电事件的信号处理存在偏差，可作为“飞点”处理，并利用后面一次的wwlln闪电事件替代处理，依次类推。对外场观测时间段内的200次wwlln闪电事件(图中黑色“×”符号，黑色地球大圆圆圈为对应的距离圆)均作了距离圆处理，有关结果如图5所示。可以看到多数的距离圆均在便携式闪电磁场测量平台(定襄县城环城公路的中心坐标大概在112.96°e，38.48°n)附近交汇，但也有一些(有意思的是，这些wwlln闪电事件多分布在测量平台的北方，即由内蒙古地区的雷暴产生)距离圆明显偏离了平台的实际位置。总体而言，测量准确的情况下对于多数wwlln闪电事件所做的距离圆均能经过平台的预期位置。图5、2016年6月5日外场观测试验中200次wwlln闪电距离圆处理结果(多数的距离圆均在便携式闪电磁场测量平台附近交汇，但内蒙古自治区内雷暴产生的闪电的距离圆多偏离了移动平台的实际位置)。为了提高寻找闪电低频信号到达时间的速度和效率，这里本发明采用信号的峰值时间作为闪电的发生时间(如图4所示)，这和wwlln定义的闪电时间(根据dowdenetal.[2002],定义为波形的起始时刻)略有差别(约20个数据采样点，或20微秒左右)，会导致一定的系统定位误差(初步估算在6公里左右)。因此，有必要针对低频闪电磁信号反应的闪电放电起始时间发展严格的定义方法，并将在方法在闪电定位和移动平台定位方法中协同使用。图6给出了2016年6月5日外场观测实验中利用200个wwlln闪电定位数据反演得到的移动平台的定位结果与gps定位结果的比较。同gps给出的定位数据(图中黑色线点表示)相比，基于长基线闪电定位网(本发明中采用wwlln)的定位结果误差还是相当大的，有些wwlln闪电事件给出的位置距离平台实际位置多达40公里。图6中的黑色加号符号(“+”)给出了长基线闪电定位网定位结果的平均值，也明显偏离于定襄县城的位置，这反映出本发明中采用的定位算法存在一定的系统误差(大概4-5公里左右)，这同上述wwlln定义闪电发生时间和本发明寻找闪电低频磁场波形峰值所定义的时间之间的差别有关，需要在后面的研究工作中改进。图6中2016年6月5日外场观测期间在忻州定襄县的定位结果同试验期间gps定位位置结果的比较(左下角嵌入小图给出了gps定位结果的细节图)。图中黑色加粗“+”符号表示基于wwlln闪电事件的定位结果的平均值，与实际gps位置相比存在5公里左右的系统偏差。通过将gps定位结果内插到wwlln闪电事件的时间点，本发明对基于长基线闪电定位网的移动平台定位结果的误差进行了统计分析。如图7所示，利用多数wwlln闪电事件信息及对应低频闪电磁场信号反演得到的移动平台定位结果误差在15到20公里之内。通过与利用美国spritecam网络观测到的红色精灵现象的母体闪电定位结果，以及abarcaetal.(2010)利用美国nldn数据所做的wwlln闪电网定位误差分析，本发明发现，这主要是因为wwlln闪电定位网的定位误差在10公里左右。因此，本发明中研制方法的定位精度主要由闪电定位网的定位精度决定，误差传递的效应非常明显。为了提高基于长基线闪电定位网的移动平台定位精度，有必要建立定位精度为百米量级的长基线闪电定位网(类似于美国的国家闪电探测网，nationallightningdetectionnetwork，nldn)。图7、利用wwlln闪电定位数据反演得到的移动平台位置同gps标准值误差的统计直方图(列宽为2公里)。本发明利用长基线闪电定位网的闪电探测信息，海上移动平台通过探测相应的低频闪电信号，可以通过到达时间差，在假定移动平台空间位置连续变化的前提下获得平台地理坐标的时间变化信息。利用全球闪电定位网(wwlln)开展的外场观测实验表明，基于长基线闪电定位网的移动平台定位技术是可行的。基于闪电定位网的定位和导航技术不仅适用于海上移动平台，对于在偏远地区或有地表覆盖物地区的定位也有一定的作用。gps的信号收到山体和森林等地表覆盖特征的严重影响，因此在移动平台进入隧道、林区和山区之后定位和导航存在一定困难。而低频闪电信号可通过地表传播，尽管其传播路径同视距(直线)传播值略有差别，但总体相对精度可控制在1％之内，因此在保证长基线闪电定位网闪电探测数据位置精度足够高(优于1公里)的前提下，定位结果仍然具有一定的应用价值。此外，基于长基线闪电定位网的移动平台定位技术有可能解决潜艇在水下航行期间的定位难题。由于在水下航行时潜艇无法有效接收gps卫星信号，因此目前潜艇在水下航行时多用惯性导航和水声导航的方法联合定位，加上航迹测绘和海图资料推算大致的舰艇位置。这种方法容易产生累积误差，可通过卫星导航，无线电导航，星光导航等方法来校正。利用长基线闪电定位网进行水下航行潜艇的定位原理上属于无线电导航，但采用自然界的闪电源作为参考源，大大增加了定位的适用区域。闪电源无法被作为攻击的对象，因此战场生存能力是非常强的。利用长基线闪电定位网络获得的闪电源准确坐标信息，也可以发展多个潜艇之间的大范围互导航定位技术。需要指出的是，基于长基线闪电定位网的海上移动平台定位技术还可以便于指挥中心对平台的追踪。在海上移动平台无法实现自身定位的情况下，可以向指挥中心传送闪电信号的准确探测时间，而指挥中心则可以通过该时间信息推算海上移动平台的准确位置并反馈给海上平台。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12