雷電定位系統的設計

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象，容易引發各種災害，甚至危及人類生命財產安全。貴州雷電發生比較頻繁，特別是西南部和赤水地區[1]。由此可見，雷電的監測顯得尤為重要。目前，雷電定位是監測雷電的基本技術手段，國內外對雷電定位系統做了很多研究，其中不少已投入實際環境中使用[2]。但這些雷電定位系統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，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，探測器內的GPS模塊獲取探測器所在地的經緯度、高度和時間，再根據幾何學中的多圓相交于一點的準則，就能確定閃電的發生位置(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，就能獲得經緯度。

2 總體設計

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

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

3 硬件設計

雷電定位系統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數據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。控制器使用2個獨立的串口和一個SPI接口，其中一個串口接收GPS模塊發來的數據，另一個串口發送數據到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種接口傳輸數據，本系統利用串口傳輸經緯度、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，內嵌TCP協議，做TCP的網絡傳輸。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

雷電定位系統的軟件包括探測與中心站的軟件設計，以及數據庫的建立和雷電信息發布平臺的設計。

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緯度、高度、時間及閃電到探測器的距離，并把數據打包發送給SIM900A，由SIM900A自動把數據發送給中心站。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#語言開發的控制和數據處理軟件。主要工作是建立TCP服務器、加載Google地圖、使用ADO.NET技術連接數據庫、接受探測器發來的數據、計算閃電的位置以及在Google地圖顯示閃電發生的位置，并把位置信息存入數據庫。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，直到兩次求得的Bk之間相差一個很小的數就收斂。

4.3 雷電信息發布平臺設計

利用SQL Server 2008軟件建立數據庫，存儲閃電的位置信息[7]，使用ASP.NET技術構建一個基于B/S模式的雷電信息發布網站[8]，并向社會發布最新的雷電信息。

5 測試結果和分析

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

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

經過中心站的數據處理，得到閃電的位置和時間信息以后，中心站會把閃電發生的經緯度、高度、發生的時間以及具體地址一起存入數據庫。

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，經過測試，閃電發生的實際位置與計算出來的閃電位置偏差在1 km之內，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中，測量閃電到探測器距離，實現閃電定位。

6 結語

本系統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的成本和體積。本系統具有很好的推廣性，可作為雷電監測設計的理想方案之一。另外，本系統的閃電傳感器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，方便監測有無閃電發生，從而更好地保護人們的生命和財產安全。