一种标定雷电定位系统性能参数的方法与装置与流程

本发明涉及雷电定位系统技术，尤其涉及一种标定雷电定位系统性能参数的方法与装置。

背景技术：

雷电定位系统应用广泛，其性能指标主要包括定位精度和探测效率，目前对雷电定位系统指标进行评价，主要是基于理论模拟或人工引雷方法。

其中，中国专利cn104698419a公布了一种闪电定位系统探测站标定方法，在该专利中，将标准天线安装在第一探测站，对系统中其他探测站进行标定。

理论模拟的环境和实际情况会存在较大差异，难以保证实际上的准确率；而人工引雷方法只能是基于固定点的标定，不能客观反映雷电定位系统覆盖范围内的整体运行性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种标定雷电定位系统性能参数的方法与装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种标定雷电定位系统性能参数的方法，包括以下步骤：

1)在雷电定位系统能够覆盖的区域，将整体区域划分为网格大小为p×q的网格区域，其中，p、q为网格的边长；p取值范围为1～10km，q取值范围为1～10km；在划分的网格区域上规划标定信号源装置的运行轨迹，使标定信号源装置沿着规划的轨迹行进；所述标定信号源装置用于发送模拟雷电的电磁波信息，并记录发送电磁波信息的时间点和位置；

根据雷电定位系统各传感站所围成的区域，向内和向外分别规划一条与传感站合围区域间距为设定基准距离的路线，使标定信号源装置能够沿着两条规划的路线行进；

2)雷电定位系统接收由标定信号源装置在沿着规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送的模拟雷电的电磁波信息，并根据接收的电磁波信息计算雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率；

标定装置在沿着两条规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送模拟雷电的电磁波信息，每次以时间间隔s发送j个信号，其中s取整数，单位为ns，j取整数，且j≥1；由雷电定位系统的传感站接收电磁波信息并对信号来源进行定位；

根据标定信号源装置发射信号的实际位置和雷电定位系统记录的模拟雷电信号发生位置计算得到雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差；设装置发射信号的实际位置经度为an，纬度为bn，n取整数，表示行进中第n个发射信号的位置，雷电定位系统记录的模拟雷电信号发生位置的经度分别为an_1、an_2、…、an_j，纬度分别为bn_1、bn_2、…、bn_j，雷电定位系统系统定位经度和纬度与信号发射实际位置的平均偏差记为kn_1和kn_2，可分别计算为：

根据标定信号源装置的位置及该位置雷电定位系统的记录到的雷电发生次数和标定信号源装置实际发送电磁波次数计算得到雷电定位系统对该位置的探测效率；根据标定装置所在第n个信号发送点的位置，雷电定位系统的记录到的雷电发生次数记为mn，根据上述雷电定位系统标定方法，装置实际发送电磁波次数为j，设标定的雷电定位系统对该位置的探测效率为en，可计算为：

3)根据计算得到系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，绘制雷电定位系统的定位精度图和探测效率图，以完成对雷电定位系统的定位精度和探测效率的标定；

4)根据标定信号源装置每个信号发射位置的实际经度和纬度，结合已知的雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，根据信号接收时间平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测时精度的标定；

根据卫星定位系统确定的标定装置的实际经度和纬度，结合已知的雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算得到装置与雷电定位系统传感站之间的地球球面距离ln，闪电电磁波传播速度为v，计算得到模拟雷电电磁波信号从发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的理论时间为：t0＝ln/v，卫星定位系统记录的标定装置发射信号时刻记为tx，则理论上传感站接收到信号时间应为tn＝tx+t0，设传感站实际接收到信号的时刻分别记为tn_1、tn_2、…、tn_j，传感站对该位置发射信号的接收时间平均偏差记为dn，可计算为：

计算得到单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，可绘制相应传感站的信号接收时间精度图，以完成对雷电定位系统中传感站的测时精度的标定；

5)根据每个信号发射位置和雷电定位系统各传感站位置计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，根据信号入射角平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测向精度的标定。

根据信号发射位置和传感器位置推算得到模拟雷电电磁波信号从每个发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的入射方位角为θn，对应信号源的每个发射位置点，传感站实际接收到信号的入射角分别记为：αn_1、αn_2、…、αn_j，传感站接收信号的入射角平均偏差记为ωn，计算为：

计算得到单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，可绘制相应传感站的信号入射角计算精度图，以完成对雷电定位系统中传感站的测向精度的标定。

按上述方案，所述雷电定位系统各传感站围成区域的形成方式如下：由各相邻两传感站之间的连线围成多边形区域。

按上述方案，所述步骤1)中设定基准距离以每两相邻传感站间距设定比例的平均值为基准距离。

按上述方案，所述步骤1)中每两相邻传感站间距设定比例为1/2、1/4、1/8、…、1/2ⁿ，n为整数，或更小范围。

按上述方案，所述步骤1)中标定信号源装置包括用于记录标定信号源装置发出信号脉冲的时间以及移动轨迹和发射电磁波时的位置的卫星导航定位模块、用于按照预定的时间间隔产生与典型雷电信号频率、波形特征一致的电磁波信号的高频雷电信号发生器和低频雷电信号发生器、用于记录电磁波信号波形的波形记录模块、用于对电磁波信号进行预处理的频谱分析模块和用于发射电磁波信号的高频天线和低频天线。

按上述方案，所述标定信号源装置发射信号的高度为可调节高度。

按上述方案，所述卫星导航定位模块为gps或北斗装置。

按上述方案，所述高频雷电信号发生器的高频信号输出范围为高频/甚高频，最大输出功率为100w，低频雷电信号发生器的低频信号输出频率范围为低频/甚低频，最大输出功率为50w。

根据上述方法，本发明还提供一种标定雷电定位系统性能参数的装置，包括：

运行轨迹规划模块，用于在雷电定位系统能够覆盖的区域内规划标定信号源装置的运行轨迹；

具体如下：在雷电定位系统能够覆盖的区域，将整体区域划分为网格大小为p×q的网格区域，其中，p、q为网格的边长；

在划分的网格区域上规划标定信号源装置的运行轨迹，使标定信号源装置沿着规划的轨迹行进；

所述标定信号源装置用于发送模拟雷电的电磁波信息，并记录发送电磁波信息的时间点和位置；

定位偏差和探测效率计算模块，用于在雷电定位系统接收由标定信号源装置在沿着规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送的模拟雷电的电磁波信息，并根据接收的电磁波信息计算雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率；

定位精度和探测效率标定模块，用于根据计算得到雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，对雷电定位系统的定位精度和探测效率的进行标定；

测时精度标定模块，用于根据标定信号源装置每个信号发射位置的实际经度和纬度，结合雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，根据信号接收时间平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测时精度的标定；

测向精度标定模块，用于根据每个信号发射位置和雷电定位系统各传感站位置计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，根据信号入射角平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测向精度的标定。

按上述方案，所述运行轨迹规划模块中，在划分的网格区域上规划标定信号源装置的运行轨迹具体如下：根据雷电定位系统各传感站所围成的区域，向内和向外分别规划一条与传感站合围区域间距为设定基准距离的路线，作为标定信号源装置的两条规划的运行轨迹。

按上述方案，所述运行轨迹规划模块中，雷电定位系统各传感站围成区域的形成方式如下：由各相邻两传感站之间的连线围成多边形区域。

按上述方案，所述运行轨迹规划模块中设定基准距离以每两相邻传感站间距设定比例的平均值为基准距离。

按上述方案，所述运行轨迹规划模块中每两相邻传感站间距设定比例为1/2、1/4、1/8、…、或1/2ⁿ，其中，n为整数。

按上述方案，所述定位偏差和探测效率计算模块中，计算雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，包括：

标定信号源装置在沿着规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送模拟雷电的电磁波信息，每次以时间间隔s发送j个信号，其中s取整数，单位为ns，j取整数，且j≥1；由雷电定位系统的传感站接收电磁波信息并对信号来源进行定位；

根据标定信号源装置发射信号的实际位置和雷电定位系统记录的模拟雷电信号发生位置计算得到雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差；

根据标定信号源装置的位置及该位置雷电定位系统的记录到的雷电发生次数和标定信号源装置实际发送电磁波次数计算得到雷电定位系统对该位置的探测效率。

按上述方案，所述测时精度标定模块中，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，包括：

根据标定信号源装置每个信号发射位置的实际经度和纬度，以及雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算得到标定信号源装置与雷电定位系统传感站之间的地球球面距离ln；

根据闪电电磁波传播速度v，和得到的地球球面距离ln，获得模拟雷电电磁波信号从发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的理论时间为：t0＝ln/v；

根据卫星定位系统记录的标定装置发射信号时刻记为tx，和理论时间t0，确定传感站接收到信号时间为tn＝tx+t0；

将传感站实际接收到信号的时刻分别记为tn_1、tn_2、…、tn_j，计算得到传感站对该位置发射信号的接收时间平均偏差，记为dn。

按上述方案，所述测向精度标定模块中，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，包括：

根据信号发射位置和传感器位置推算得到模拟雷电电磁波信号从每个发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的入射方位角为θn；对应信号源的每个发射位置点，传感站实际接收到信号的入射角分别记为：αn_1、αn_2、…、αn_j；根据θn和αn_1、αn_2、…、αn_j计算传感站接收信号的入射角平均偏差，记为ωn。

本发明产生的有益效果是：本发明方法克服了现有方法在准确率和对系统整体性能标定上的不足，实现对雷电定位系统在其覆盖范围内整体运行性能的有效检测和标定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的标定信号源装置的行进路线规划的示意图；

图3是本发明实施例的标定信号源装置的结构示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1为雷电定位系统标定方法流程图，能够对雷电定位系统的定位精度和探测效率进行标定，同时能够对雷电定位传感站的测时精度和测向精度进行标定，可根据需标定区域的实际交通环境展开工作，具体流程如下：

第一步，将待标定雷电定位系统所能覆盖的区域进行网格划分，可根据区域内的实际自然环境和道路交通情况，结合卫星导航定位模块，规划合理的装置行进轨迹，根据雷电定位传感站的探测频段和接收波形特征，设置产生信号的频率、波形、以及发射高频/低频信号的时间间隔，以使标定装置能够产生模拟雷电电磁波信号；

第二步，将可对雷电定位系统进行标定的信号源装置部署在预先准备好的车辆或航空器(无人机)上，使搭载装置的交通工具沿着预先设定的路线行进，提高了标定装置的机动性，能够对雷电定位系统在其覆盖范围内整体运行性能进行标定，并具备标定三维雷电定位系统的功能；

第三步，通过标定装置的高/低频天线向外发射，在预先设定的时间或位置发送模拟的雷电电磁波信号，每次以时间间隔s发送j个信号，其中s取整数，单位为纳秒，j取大于等于10的整数；卫星导航定位模块同时记录装置所处的时间和位置，触发区域内雷电定位系统的传感站记录相关数据，计算各传感站接收信号的时间和入射信号的方位角，为标定传感站测时精度和测向精度提供基准参考；

第四步，传感站接收信号并记录时间和入射方位角，雷电定位系统对传感站接收到的电磁波信号信息进行计算和分析，以获得电磁波信号产生的时间和位置；

第五步，当标定雷电定位系统的信号源装置完成预设的行进轨迹后，对行进过程中产生的模拟雷电电磁波发射时间和地点数据进行导出和整理，与雷电定位系统的定位定位数据进行分析对比，绘制雷电定位系统的定位精度图和探测效率图，以能直观的描述系统在其覆盖范围内的性能参数；

第六步，如果雷电定位系统的定位结果与标定装置的实际位置差别较大，则根据计算的传感站理论接收信号的时间和方位角，对比传感站记录信号的实际时间和方位角，从而能够定位存在故障的传感站；

第七步，计算标定雷电定位系统的定位精度和探测效率，并根据需要绘制传感站的信号接收时间精度图和信号入射角计算精度图，标定传感站的测时精度和测向精度。

图2示出了本发明实施实例的标定装置的行进路线规划的示意图，其中c1～c5分别代表组成雷电定位系统的传感站位置，黑色实线围成区域r1表示传感站所围成的区域；

图2中，黑色虚线围成的网格代表对雷电定位系统所覆盖区域的网格化划分，虚线r2和r3分别代表在传感站所围成区域内、外规划的标定装置行进路线，其距离r1的距离均分别近似为每相邻两传感站之间直线距离1/2的平均值；实际工作中可根据所待标定区域的实际交通情况，在网格图中合理规划标定装置的行进路线。

图3示出了一种标定雷电定位系统性能参数的信号源装置的结构示意图。主要包括由cpu处理器、电源模块、卫星导航定位模块、高频雷电信号发生器、低频雷电信号发生器、波形记录模块、频谱分析模块、数据存储模块、按键控制模块组成的主机设备，以及显示终端设备模块、高频天线和低频天线的外设组成，可通过直流电源或电池给装置供电。cpu处理器通过pcie总线连接卫星导航定位模块、波形记录模块、频谱分析模块和按键控制模块，通过hda总线连接高/低频信号发生器，通过sata总线接口连接数据存储模块；高/低频信号发生器通过音频线与波形记录仪、高/低频天线相连；波形记录模块通过音频线与频谱分析模块相连；卫星导航定位模块和频谱分析模块通过sata总线接口与数据存储模块相连，通过lvds总线接口与显示终端设备模块相连；各模块通过电源线与电源模块相连。

图3中所示cpu处理器是标定装置的总控制和数据处理模块，能够控制装置完成电磁波信号产生、波形处理、信号发射等操作，并计算信号源所发射电磁波信号到达每个传感站的准确时间和入射角，通过对比雷电定位系统的最终定位结果和每个传感站接收信号的时间及入射角，能够对雷电定位系统的定位精度和单个传感站接收信号的性能进行标定。

图3中所示高、低频信号发生器能够按照预定的时间间隔产生与典型雷电信号频率、波形特征一致的电磁波信号，进入波形记录仪和频谱分析仪进行记录和预处理，通过高\低频天线向外发射，以激发雷电定位系统开始工作，并能够将信号输出在显示终端设备上展示。

高频天线输出频率范围为高频/甚高频，最大输出功率为100w，低频天线输出频率范围为低频/甚低频，最大输出功率为50w。

图3中所示卫星导航定位模块，能够通过与卫星的时间同步，精确记录装置每次发射信号时所处的时间和位置。

本实施例中，具体标定步骤如下：

标定信号源装置在沿着两条规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送模拟雷电的电磁波信息，每次以时间间隔s发送j个信号，其中s取整数，单位为ns，j取整数，且j≥1；由雷电定位系统的传感站接收电磁波信息并对信号来源进行定位；

设装置发射信号的实际位置经度为an，纬度为bn，n取整数，表示行进中第n个发射信号的位置，雷电定位系统记录的模拟雷电信号发生位置的经度分别为an_1、an_2、…、an_j，纬度分别为bn_1、bn_2、…、bn_j，雷电定位系统系统定位经度和纬度与信号发射实际位置的平均偏差记为kn_1和kn_2，可分别计算为：

根据标定装置所在第n个信号发送点的位置，雷电定位系统的记录到的雷电发生次数记为mn，根据上述雷电定位系统标定方法，装置实际发送电磁波次数为j，设标定的雷电定位系统对该位置的探测效率为en，可计算为：

根据计算得到系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，绘制雷电定位系统的定位精度图和探测效率图，以完成对雷电定位系统的定位精度和探测效率的标定；

根据卫星定位系统确定的标定装置的实际经度和纬度，结合已知的雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，可以计算得到装置与雷电定位系统传感站之间的地球球面距离ln，闪电电磁波传播速度为v，进一步计算得到模拟雷电电磁波信号从发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的理论时间为：t0＝ln/v，卫星定位系统记录的标定装置发射信号时刻记为tx，则理论上传感站接收到信号时间应为tn＝tx+t0，设传感站实际接收到信号的时刻分别记为tn_1、tn_2、…、tn_j，传感站对该位置发射信号的接收时间平均偏差记为dn，可计算为：

计算得到单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，可绘制相应传感站的信号接收时间精度图，以完成对雷电定位系统中传感站的测时精度的标定；

根据信号发射位置和传感器位置推算得到模拟雷电电磁波信号从每个发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的入射方位角为θn，对应信号源的每个发射位置点，传感站实际接收到信号的入射角分别计为：αn_1、αn_2、…、αn_j，传感站接收信号的入射角平均偏差记为ωn，可计算为：

计算得到单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，可绘制相应传感站的信号入射角计算精度图，以完成对雷电定位系统中传感站的测向精度的标定。

作为本发明的优选实施例，本发明方法对应的标定雷电定位系统性能参数的装置也能够应用在对雷达探测站的标定领域。

该装置的具体描述如下，一种标定雷电定位系统性能参数的装置，包括：

运行轨迹规划模块，用于在雷电定位系统能够覆盖的区域内规划标定信号源装置的运行轨迹；

具体如下：在雷电定位系统能够覆盖的区域，将整体区域划分为网格大小为p×q的网格区域，其中，p、q为网格的边长；

在划分的网格区域上规划标定信号源装置的运行轨迹，使标定信号源装置沿着规划的轨迹行进；

运行轨迹为根据雷电定位系统各传感站所围成的区域，向内和向外分别规划一条与传感站合围区域间距为设定基准距离的路线，将其作为标定信号源装置的两条规划的运行轨迹，雷电定位系统各传感站围成区域的形成方式如下：由各相邻两传感站之间的直线连线围成多边形区域；

标定信号源装置用于发送模拟雷电的电磁波信息，并记录发送电磁波信息的时间点和位置；

定位偏差和探测效率计算模块，用于在雷电定位系统接收由标定信号源装置在沿着规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送的模拟雷电的电磁波信息，并根据接收的电磁波信息计算雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率；

计算雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，包括：

标定信号源装置在沿着规划的路线行进过程中，在预设的时间点或位置发送模拟雷电的电磁波信息，每次以时间间隔s发送j个信号，其中s取整数，单位为ns，j取整数，且j≥1；由雷电定位系统的传感站接收电磁波信息并对信号来源进行定位；

根据标定信号源装置发射信号的实际位置和雷电定位系统记录的模拟雷电信号发生位置计算得到雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差；

根据标定信号源装置的位置及该位置雷电定位系统的记录到的雷电发生次数和标定信号源装置实际发送电磁波次数计算得到雷电定位系统对该位置的探测效率

定位精度和探测效率标定模块，用于根据计算得到雷电定位系统对每个信号发射位置的定位偏差和探测效率，对雷电定位系统的定位精度和探测效率的进行标定；

测时精度标定模块，用于根据标定信号源装置每个信号发射位置的实际经度和纬度，结合雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，根据信号接收时间平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测时精度的标定；

计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号接收时间平均偏差，包括：

根据标定信号源装置每个信号发射位置的实际经度和纬度，以及雷电定位系统传感站的实际经度和纬度，计算得到标定信号源装置与雷电定位系统传感站之间的地球球面距离ln；

根据闪电电磁波传播速度v，和得到的地球球面距离ln，获得模拟雷电电磁波信号从发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的理论时间为：t0＝ln/v；

根据卫星定位系统记录的标定装置发射信号时刻记为tx，和理论时间t0，确定传感站接收到信号时间为tn＝tx+t0；

将传感站实际接收到信号的时刻分别记为tn_1、tn_2、…、tn_j，计算得到传感站对该位置发射信号的接收时间平均偏差，记为dn。

测向精度标定模块，用于根据每个信号发射位置和雷电定位系统各传感站位置计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，根据信号入射角平均偏差完成对雷电定位系统中传感站的测向精度的标定；

测向精度标定模块中，计算单个传感站对应每个信号发射位置的信号入射角平均偏差，包括：

根据信号发射位置和传感器位置推算得到模拟雷电电磁波信号从每个发射信号的实际位置点到需要标定的传感站的入射方位角为θn；对应信号源的每个发射位置点，传感站实际接收到信号的入射角分别记为：αn_1、αn_2、…、αn_j；根据θn和αn_1、αn_2、…、αn_j计算传感站接收信号的入射角平均偏差，记为ωn。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。