雷電定位系統(tǒng)的設計

鄧 蘇，宋潤武

(貴州省江口縣氣象局，貴州 江口 554400)

0 引言

雷電是大自然中常見的一種天氣現(xiàn)象，容易引發(fā)各種災害，甚至危及人類生命財產(chǎn)安全。貴州雷電發(fā)生比較頻繁，特別是西南部和赤水地區(qū)[1]。由此可見，雷電的監(jiān)測顯得尤為重要。目前，雷電定位是監(jiān)測雷電的基本技術手段，國內(nèi)外對雷電定位系統(tǒng)做了很多研究，其中不少已投入實際環(huán)境中使用[2]。但這些雷電定位系統(tǒng)的探測器普遍體積較大、成本較高、安裝困難。本論文研究的新型雷電定位系統(tǒng)，是通過閃電傳感器測量距離、GPS模塊能定位與授時的功能，大大縮小探測器體積、降低探測器成本，而且具有安裝方便、自動化程度高的特點。

1 雷電定位原理

通過閃電傳感器測出閃電到探測器的距離，探測器內(nèi)的GPS模塊獲取探測器所在地的經(jīng)緯度、高度和時間，再根據(jù)幾何學中的多圓相交于一點的準則，就能確定閃電的發(fā)生位置(圖1)。

圖1 閃電定位原理圖Fig.1 lightning positioning schematic diagram

閃電定位是在WGS-84坐標系中計算。假如閃電到達S1、S2、S3、S4的位置分別為d1、d2、d3、d4。而S1、S2、S3、S4在WGS-84坐標系中的位置分別為(x1y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，閃電在WGS-84坐標系中的位置為(x,y,z)，根據(jù)兩點之間的距離公式，則計算閃電位置的方程組如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

對上述4個方程先變形，式(2)-式(1)，式(3)-式(1)，式(4)-式(1)，得到閃電位置坐標的線性方程組，將方程組寫成矩陣形式：

ΑX=L

(5)

其中

(6)

X=(xyz)T

(7)

(8)

把ΑX=L寫成另外一種形式：

X=A-1L

(9)

通過計算，從而獲取閃電在WGS-84坐標系中的位置，再將WGS-84坐標系中的閃電位置轉換成大地坐標系，就能獲得經(jīng)緯度。

2 總體設計

根據(jù)設計要求，雷電定位系統(tǒng)由探測器、中心站、數(shù)據(jù)庫和雷電信息發(fā)布平臺組成。探測器測量閃電到探測器的距離，獲取經(jīng)緯度、時間等信息，并把這些信息以無線TCP方式發(fā)給中心站；中心站通過TCP通信接受探測器發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后計算出閃電的位置；數(shù)據(jù)庫用來保存閃電的經(jīng)緯度、高度、時間、地址信息；雷電信息發(fā)布平臺是一個B/S模式的網(wǎng)頁，發(fā)布探測到的閃電發(fā)生地點，具體的雷電探測定位系統(tǒng)的結構圖如圖2所示[3]：

圖2 雷電探測定位系統(tǒng)結構圖Fig.2 structure of lightning detection location system

3 硬件設計

雷電定位系統(tǒng)的硬件主要是探測器的設計。探測器包括5個子模塊，分別是微處理器MSP430F5438控制器，閃電傳感器AS3935的電路，GPS模塊與單片機的接口電路，GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機的接口電路，電源管理電路，探測器的結構圖如圖3所示。

圖3 探測器結構圖Fig.3 detector structure

3.1 控制器的設計

控制器的主芯片采用德州儀器公司的超低功耗單片機MSP430F5438，供電電壓在2.2～3.6 V之間，擁有高達256KB的程序存儲空間，多達87個I/O端口，還有豐富的外設電路，屬于比較高端的MSP430單片機?？刂破魇褂?個獨立的串口和一個SPI接口，其中一個串口接收GPS模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，另一個串口發(fā)送數(shù)據(jù)到GSM模塊；SPI接口控制AS3935,獲取閃電距離。

3.2 閃電傳感器

閃電傳感器采用奧地利微電子公司的推出的內(nèi)部集成嵌入式智能算法的富蘭克林閃電傳感器芯片AS3935[4]。芯片通過RF接收器探測附近是否有閃電的電能釋放，并估算風暴前沿到達閃電傳感器的距離、識別云閃與地閃。AS3935探測距離在1～40 km之間，可以消除電機、微波爐等人為干擾信號，且組成獲取閃電距離的電路圖只需較少的元器件。

AS3935供電范圍分為2.4～3.6 V和2.4～5.5 V兩種。當AS3935第6角VREG接高電平時，電壓調節(jié)器打開，選擇2.4～5.5 V供電。MSP430F5438通過四線式SPI總線控制AS3935。當AS3935檢測到閃電信號后，產(chǎn)生一個中斷信號給單片機，單片機通過響應中斷信號，讀取寄存器，從而獲取閃電到達探測器的距離。圖4為AS3935電路與單片機的接口電路圖。

圖4 AS3935電路圖Fig.4 AS3935 circuit diagram

3.3 GPS模塊

GPS模塊采用u-blox公司設計生產(chǎn)的NEO-6M模組，自動定位精度小于2.5 m，定時精度為20 ns。模塊的供電電壓在2.7～3.6 V之間，和單片機的電平匹配[5]。MEO-6M模塊有4種接口傳輸數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)利用串口傳輸經(jīng)緯度、高度及時間信息給單片機。

3.4 GSM傳輸模塊

GSM傳輸模塊選用芯訊通無線科技有限公司的SIM900A，內(nèi)嵌TCP協(xié)議，做TCP的網(wǎng)絡傳輸。MSP430單片機通過串口與SIM900A建立連接，連接以后就可以通過“AT”命令來進行通信。

4 軟件設計

雷電定位系統(tǒng)的軟件包括探測與中心站的軟件設計，以及數(shù)據(jù)庫的建立和雷電信息發(fā)布平臺的設計。

4.1 探測器的軟件設計流程

探測器首先初始化硬件，建立TCP連接，檢測AS3935是否有地閃信號。若有，則立即獲取探測器的經(jīng)緯度、高度、時間及閃電到探測器的距離，并把數(shù)據(jù)打包發(fā)送給SIM900A，由SIM900A自動把數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。探測器的程序流程圖如圖5所示：

4.2 中心站程序設計

中心站是一個使用C#語言開發(fā)的控制和數(shù)據(jù)處理軟件。主要工作是建立TCP服務器、加載Google地圖、使用ADO.NET技術連接數(shù)據(jù)庫、接受探測器發(fā)來的數(shù)據(jù)、計算閃電的位置以及在Google地圖顯示閃電發(fā)生的位置，并把位置信息存入數(shù)據(jù)庫。在計算閃電的位置時，需要在WGS-84坐標系中。大地坐標的經(jīng)度、緯度、高度分別用字母表示為(Lk,Bk,Hk)，從大地坐標變換到WGS-84坐標(x,y,z)的變換公式[6]如下：

x=(N+h)cos Lkcos Bk

(10)

y=(N+h)cos Lksin Bk

(11)

z=[N(1-e2)+h]sin Lk

(12)

N是基準橢球體的卯酉圓曲率半徑，e是橢圓偏心率，h是大地高度，它們與基準橢球體的長半徑a和短半徑b存在如下關系：

(13)

(14)

反過來，從WGS-84坐標系(x,y,z)變換到大地坐標(Lk,Bk,Hk)的變換公式如下：

(15)

(16)

(17)

中間變量p的計算公式為

(18)

計算Bk和Hk時，采用迭代法：首先設置Bk等于0，然后依次計算N,Hk,Bk，再將剛得到Bk重新代入17式，再一次更新N,Hk,Bk。如此循環(huán)，直到兩次求得的Bk之間相差一個很小的數(shù)就收斂。

4.3 雷電信息發(fā)布平臺設計

利用SQL Server 2008軟件建立數(shù)據(jù)庫，存儲閃電的位置信息[7]，使用ASP.NET技術構建一個基于B/S模式的雷電信息發(fā)布網(wǎng)站[8]，并向社會發(fā)布最新的雷電信息。

5 測試結果和分析

測試閃電的地點選在雷電多發(fā)區(qū)—四川雅安市，共4個探測站。中心站先把接收的數(shù)據(jù)顯示在界面上，然后通過計算，在界面上顯示閃電的經(jīng)緯度和高度，同時Google地圖根據(jù)閃電經(jīng)緯度查找閃電發(fā)生的具體地址。圖6為雅安市寶興縣閃電的發(fā)生地點。

圖6 中心站上位機軟件Fig.6 upper computer software of central station

經(jīng)過中心站的數(shù)據(jù)處理，得到閃電的位置和時間信息以后，中心站會把閃電發(fā)生的經(jīng)緯度、高度、發(fā)生的時間以及具體地址一起存入數(shù)據(jù)庫。

閃電定位的精度主要由AS3935決定，而AS3935能測量風暴前沿的最小距離是1 km，經(jīng)過測試，閃電發(fā)生的實際位置與計算出來的閃電位置偏差在1 km之內(nèi)，說明AS3935測量閃電的距離是比較準確的，即可以將閃電傳感器AS3935運用在雷電定位系統(tǒng)中，測量閃電到探測器距離，實現(xiàn)閃電定位。

6 結語

本系統(tǒng)充分利用新型閃電傳感器AS3935測量閃電到達探測器距離的優(yōu)勢，結合GPS模塊精確定位和授時功能，大大縮減雷電定位系統(tǒng)的成本和體積。本系統(tǒng)具有很好的推廣性，可作為雷電監(jiān)測設計的理想方案之一。另外，本系統(tǒng)的閃電傳感器AS3935還可以作為便攜式閃電探測器，在人們出行時可以隨身攜帶，方便監(jiān)測有無閃電發(fā)生，從而更好地保護人們的生命和財產(chǎn)安全。