2017—2019年貴州省閃電定位儀運行情況分析

李 迪，陸 揚

(1.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴陽 550002；2.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴陽 550002)

0 引言

雷電(也稱閃電)是發(fā)生于大氣中的一種具有瞬時高電壓、大電流、強電磁輻射特征的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。雷電觀測是氣象觀測的重要組成部分，為天氣預(yù)報和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，主要監(jiān)測：云地閃、云閃、大氣電場、雷電電流、雷電光學及雷電聲學特征等項目。

貴州省雷電監(jiān)測網(wǎng)始建于2007年7月，第1批建設(shè)了赤水、畢節(jié)、凱里等7個站，第2批建設(shè)了息烽、望謨等5個站，目前共有12個站(二維閃電站)。2013年7月，在貴陽、羅甸等地建設(shè)了6個三維閃電站。目前貴州省氣象局建設(shè)的雷電監(jiān)測網(wǎng)主要用于云地閃觀測。

1 資料來源

文章所用的閃電資料來源于貴州省三維閃電監(jiān)測網(wǎng)和貴州省級ASOM2.0運行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料。新型三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)通過接收閃電回擊輻射的VLF/LF脈沖信號，采用TOA定位方法，實現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強度和極性等主要參數(shù)的三維定位，系統(tǒng)既能探測云地閃又能探測云閃，其水平面探測精度在500 m以內(nèi)，垂直方向的探測精度在1000 m以內(nèi)，即實現(xiàn)閃電的三維定位。貴陽、畢節(jié)、凱里等地共安裝了16臺三維閃電定位儀，貴州省級ASOM2.0運行監(jiān)控系統(tǒng)[1]可提供閃電定位儀的業(yè)務(wù)可用性和故障發(fā)生情況。

2 閃電定位儀探測原理及結(jié)構(gòu)

2.1 探測原理

閃電定位儀定位算法依據(jù)時差測量定位技術(shù)(TOA技術(shù))。主要是利用3個已知位置的接收機接收某1個未知位置的輻射源信號確定輻射源的位置，在實際應(yīng)用中是利用低頻(VLF)波段的磁環(huán)天線接收信號后進行處理，然后通過信號的相關(guān)性判別算法進行定位。

TOA技術(shù)是一種重要的精確定位方式，是通過處理3個或更多觀測站采集到的信號到達時間對輻射源進行定位。在二維平面中，輻射源信號到達兩觀測站的時間差確定了1對以兩站為焦點的雙曲線，利用3站就可以確定兩對雙曲線產(chǎn)生的交點。若要確定三維空間中的任一輻射源，則至少需要4個站產(chǎn)生3對雙曲面，并利用面面相交得線，線面相交得點，從而確定輻射源的位置。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

閃電定位儀從結(jié)構(gòu)上分為6個功能模塊，分別是天線單元、前置板、波形板、CPU、授時通信板和NPORT通信模塊。其中前置板的功能是信號濾波及功放；波形板的主要功能是信號波形處理；CPU的功能為信號相關(guān)性計算及判別；授時通信板的功能為對定位信號授時并發(fā)送至通信模塊；NPORT通信模塊是將RS-232串口通信轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)通信。

3 業(yè)務(wù)可用性分析

閃電監(jiān)測站業(yè)務(wù)可用性Ao[2]計算方式如公式(1)所示：

(1)

式中，

Tt為應(yīng)工作時次：雷電定位系統(tǒng)監(jiān)控頻率為10 min/次，6次/h，1 d 為144次；

TZ正常時次：最近1次狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)參數(shù)檢查正常，則該時次計“正常時次”1次；

TY可疑時次：最近1次狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示自檢偏差大(自檢的通過標志不等于1024)或晶振偏差大(10 MHz恒溫槽石英晶振頻率值偏差大于10 Hz或者小于-10 Hz)，則該時次計“可疑時次”1次。

2017年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為91.39%，其中安順業(yè)務(wù)可用性是全省最高，為93.95%，黔西南業(yè)務(wù)可用性最低為88.38%。

2018年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為97.35%，高于2017年度可用性。其中安順業(yè)務(wù)可用性仍是全省最高，為98.28%，貴陽業(yè)務(wù)可用性最低為95.9%。

2019年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為98.94%，高于2018年度可用性。其中畢節(jié)業(yè)務(wù)可用性是全省最高，為99.15%，黔東南業(yè)務(wù)可用性最低，為98.37%。

根據(jù)3 a的可用性進行分析，2017年業(yè)務(wù)可用性最低，2019年業(yè)務(wù)可用性最高，3 a的業(yè)務(wù)可用性呈上升趨勢，說明近3 a閃電定位儀運行越來越穩(wěn)定，以2019年最為穩(wěn)定可靠，同時反映出全省閃電定位儀維護人員的保障能力也在逐年增強。

4 故障分析及應(yīng)對措施

4.1 故障分析

2017年度全省閃電定位儀共出現(xiàn)故障15站次，其中通信模塊故障9次，電源故障2次，電子盒故障4次。

2018年度全省閃電定位儀共出現(xiàn)故障15站次，其中網(wǎng)絡(luò)故障9站次，通信模塊故障3站次，電子盒故障3站次。

2019年度全省閃電定位儀共出現(xiàn)故障8站次，其中網(wǎng)絡(luò)故障2站次，通信模塊故障1站次，電子盒故障4站次，電源故障1站次。

根據(jù)閃電定位儀3 a出現(xiàn)的故障分析，除網(wǎng)絡(luò)故障(非設(shè)備故障)外最易發(fā)生的為通信模塊故障，占總故障次數(shù)的34.21%；其次為電子盒故障，占比為28.95%。

4.2 應(yīng)對措施

文章針對閃電定位儀故障情況提出排查故障方法及應(yīng)對措施，供臺站人員進行技術(shù)參考，便于快速排查故障部位[3，4]。

通信模塊故障：閃電定位儀通信模塊為MOXA公司的NPORT模塊。NPORT模塊表面有3個狀態(tài)燈，分別是PWR燈、LINK燈、Tx/Rx燈，正常工作狀態(tài)為PWR燈常亮(電源正常)，LINK燈常亮(網(wǎng)絡(luò)物理連接正確)，Tx/Rx燈閃爍(有數(shù)據(jù)包收發(fā))；一旦狀態(tài)燈異?？煽焖俅_定是電源問題，還是網(wǎng)絡(luò)連接問題。網(wǎng)絡(luò)連接問題需要通過監(jiān)控機ping、telnet一下NPORT模塊的地址，看是否ping通。如果不通，可能為NPORT模塊故障，應(yīng)及時更換NPORT模塊；如果可以ping通，并且telnet也可以登上NPORT模塊，則說明網(wǎng)絡(luò)沒有問題。

電子盒故障：電子盒CPU板的正中上方有5只水平放置的LED燈，通電或自檢時，首先是CPU板中間的3只LED燈亮，表示探頭程序處在GPS接收機捕捉導航衛(wèi)星進行定位階段。GPS接收機檢測結(jié)束后，探頭程序轉(zhuǎn)入自檢階段，此時CPU板上的5只LED燈全部點亮。自檢程序結(jié)束后，若自檢成功CPU板上最左邊的LED燈常亮。

電源故障：電源/接口板上右側(cè)4只LED燈點亮，標志著+5 V、+15 V、-15 V以及+12 V電源正常工作，當閃電定位儀發(fā)生故障導致數(shù)據(jù)無法上傳時，先確定供電是否正常，根據(jù)4只LED燈的狀態(tài)判斷故障，一旦發(fā)生異常，需立即更換電源模塊保障設(shè)備正常運行。

5 結(jié)束語

通過對貴州省2017—2019年閃電定位儀運行情況分析，文章提出改進建議如下：

1)臺站人員應(yīng)加強日常維護工作，提高保障效率。同時，臺站需熟練掌握運行監(jiān)控系統(tǒng)，做好運行監(jiān)控工作，及時發(fā)現(xiàn)問題，積極聯(lián)系省大探中心和廠家盡快解決故障，故障結(jié)束時及時填寫故障結(jié)束時間，避免影響業(yè)務(wù)可用性[5]。

2)對于低于全省可用性的市州，應(yīng)對縣級維護維修人員及市州級保障中心技術(shù)人員開展專項技術(shù)培訓。

3)根據(jù)故障情況分析，其中網(wǎng)絡(luò)故障占比最高，針對此問題應(yīng)加強省市兩級運行監(jiān)控，針對網(wǎng)絡(luò)問題及時發(fā)現(xiàn)并處理，應(yīng)建立備份通信線路，可自動切換通信網(wǎng)絡(luò)，避免因網(wǎng)絡(luò)故障影響業(yè)務(wù)可用性。

4)針對故障處理不及時的問題，應(yīng)嚴格按照分類分級管理規(guī)定執(zhí)行和監(jiān)督。