[发明专利]一种宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法

权利要求书

1.一种宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法，其特征在于，从干涉仪定位原理-闪电射频信号传输的平面波近似出发，建立平面波近似下干涉仪定位结果产生的系统误差的几何模型；确定平面波模型近似是干涉仪定位系统误差的主要来源；干涉仪的三个天线布局采用等边三角形的方式，三角形中心为坐标原点，称该干涉仪天线布局方式为基线布局，有效地改善平面波近似导致的系统误差；具体步骤为：

(1)建立干涉仪定位的系统误差产生的几何模型

闪电产生的辐射信号，辐射源产生的瞬时信号接近于由一个点源产生的信号，球面波模型更接近于真实情况；而平面波模型下得到的辐射源相对于基线的入射角α′总是大于真实的入射角α，从而产生定位误差，这是由于模型近似导致的系统误差；

(2)建立极坐标模拟网格

模拟采用极坐标网格形式，设方位角(Az)范围为0°～360°-0.5°，网格宽度0.5°；仰角(El)范围为0°～90°-0.5°，网格宽度0.5°；距离(R)范围1km～25km，网格宽度500m，辐射源为点源；每个基线布局共模拟635万个辐射源，每个格点的极坐标为(Az，El，R)；

(3)模拟辐射源信号到达干涉仪天线的时间

通过球面波模型，模拟网格点上的辐射源信号以光速传输到所述基线布局干涉仪的天线上，并在每个天线上记录到达时间；

(4)用干涉仪定位方法进行模拟定位

利用步骤(3)模拟的到达时间，求取信号到达不同天线的时间差，用干涉仪定位技术获取所述基线布局下辐射源的二维定位结果(Az′，El′)；

(5)定位误差评价

计算每个网格点的极坐标为(Az，El，R)时，所述基线布局下辐射源的二维定位结果(Az′，El′)与真实位置的偏差，即为干涉仪定位的系统误差；通过绘制不同视角下系统误差的分布特征，分析系统误差的来源；

(6)干涉仪定位系统误差的优化

根据步骤(1)-(5)的系统误差分析，采用等边三角形基线干涉仪的优化观测方案进行优化，即重复步骤(1)-(5)的系统误差模拟方法，对等边三角形基线干涉仪的系统误差做出评价和分析。

2.根据权利要求1所述的宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述在每个天线上记录到达时间，具体为：

其中，t₀是网格点上辐射信号的发生时间，c为光速，(x，y，z)为辐射信号的发生位置，即网格点坐标，由(Az，El，R)通过坐标转换而来，(x_i，y_i，z_i)是干涉仪天线的位置坐标，t_i为信号到达第i个天线的时间。

3.根据权利要求1所述的宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法，其特征在于，步骤(4)所述用干涉仪定位方法进行模拟定位，具体流程为：

干涉仪定位的基本几何模型为平面波模型，即当闪电产生的辐射信号到达两个距离为d布置的天线时，由于d的值相比于辐射信号的传输距离而言非常小，可以认为辐射源O产生的信号相对于天线A、B的入射角度相同，均为α；这样，辐射源O的信号以光速c到达天线A、B的时间差为cτ_d，辐射源信号的入射角度α的余弦为：

d cosα＝cτ_d (1)

当三个天线构成两个正交的基线时，即AB、AC，其中一条基线指向正北方向，并定义方位角从北向顺时针增加；记指向正北方向的基线为基线1，另一基线为基线2，辐射源O产生的信号到达基线AB、AC的入射角分别为α、β，从球面三角法得到：

将上述方程进行变换，得到辐射源入射的方位角和仰角的计算公式：

对于非正交、基线1不指向正北方向的天线布局，采用以下修正公式来计算辐射源的方位角和仰角：

其中，Δθ＝Az₁-Az₂是基线间的夹角；Az₁，Az₂分别为基线1、基线2的方位角；方程4求解的是余弦投影中两条直线的交点，两个天线之间的到达时间差τ_d定义了一条在余弦投影中垂直于基线的直线，即：

其中，cos(α)和cos(β)是方向余弦，θ_ij是基线与正北方向的夹角，d_ij是第i、j两个天线构成的基线的长度，τ_ij则是第i、j两个天线上同一个辐射源信号的到达时间差τ_ij＝t_j-t_i；辐射源在余弦投影平面上的二维坐标(cos(α)，cos(β))，根据该坐标计算得到辐射源的空间二维坐标：

干涉仪的天线位置(x_i，y_i，z_i)已知，则不同天线组合构成的基线的长度d_ij，基线与正北方向的夹角θ_ij均可求得；利用非线性最小二乘法求解(5)式得到辐射源在余弦投影平面上的二维坐标(cos(α)，cos(β))，根据该坐标用(6)式计算得到相应基线布局下辐射源的空间二维坐标(Az′，El′)。