雷电定位系统的设计

邓 苏，宋润武

(贵州省江口县气象局，贵州 江口 554400)

0 引言

雷电是大自然中常见的一种天气现象，容易引发各种灾害，甚至危及人类生命财产安全。贵州雷电发生比较频繁，特别是西南部和赤水地区[1]。由此可见，雷电的监测显得尤为重要。目前，雷电定位是监测雷电的基本技术手段，国内外对雷电定位系统做了很多研究，其中不少已投入实际环境中使用[2]。但这些雷电定位系统的探测器普遍体积较大、成本较高、安装困难。本论文研究的新型雷电定位系统，是通过闪电传感器测量距离、GPS模块能定位与授时的功能，大大缩小探测器体积、降低探测器成本，而且具有安装方便、自动化程度高的特点。

1 雷电定位原理

通过闪电传感器测出闪电到探测器的距离，探测器内的GPS模块获取探测器所在地的经纬度、高度和时间，再根据几何学中的多圆相交于一点的准则，就能确定闪电的发生位置(图1)。

图1 闪电定位原理图Fig.1 lightning positioning schematic diagram

闪电定位是在WGS-84坐标系中计算。假如闪电到达S1、S2、S3、S4的位置分别为d1、d2、d3、d4。而S1、S2、S3、S4在WGS-84坐标系中的位置分别为(x1y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，闪电在WGS-84坐标系中的位置为(x,y,z)，根据两点之间的距离公式，则计算闪电位置的方程组如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

对上述4个方程先变形，式(2)-式(1)，式(3)-式(1)，式(4)-式(1)，得到闪电位置坐标的线性方程组，将方程组写成矩阵形式：

ΑX=L

(5)

其中

(6)

X=(xyz)T

(7)

(8)

把ΑX=L写成另外一种形式：

X=A-1L

(9)

通过计算，从而获取闪电在WGS-84坐标系中的位置，再将WGS-84坐标系中的闪电位置转换成大地坐标系，就能获得经纬度。

2 总体设计

根据设计要求，雷电定位系统由探测器、中心站、数据库和雷电信息发布平台组成。探测器测量闪电到探测器的距离，获取经纬度、时间等信息，并把这些信息以无线TCP方式发给中心站；中心站通过TCP通信接受探测器发来的数据，然后计算出闪电的位置；数据库用来保存闪电的经纬度、高度、时间、地址信息；雷电信息发布平台是一个B/S模式的网页，发布探测到的闪电发生地点，具体的雷电探测定位系统的结构图如图2所示[3]：

图2 雷电探测定位系统结构图Fig.2 structure of lightning detection location system

3 硬件设计

雷电定位系统的硬件主要是探测器的设计。探测器包括5个子模块，分别是微处理器MSP430F5438控制器，闪电传感器AS3935的电路，GPS模块与单片机的接口电路，GSM数据传输模块与单片机的接口电路，电源管理电路，探测器的结构图如图3所示。

图3 探测器结构图Fig.3 detector structure

3.1 控制器的设计

控制器的主芯片采用德州仪器公司的超低功耗单片机MSP430F5438，供电电压在2.2～3.6 V之间，拥有高达256KB的程序存储空间，多达87个I/O端口，还有丰富的外设电路，属于比较高端的MSP430单片机。控制器使用2个独立的串口和一个SPI接口，其中一个串口接收GPS模块发来的数据，另一个串口发送数据到GSM模块；SPI接口控制AS3935,获取闪电距离。

3.2 闪电传感器

闪电传感器采用奥地利微电子公司的推出的内部集成嵌入式智能算法的富兰克林闪电传感器芯片AS3935[4]。芯片通过RF接收器探测附近是否有闪电的电能释放，并估算风暴前沿到达闪电传感器的距离、识别云闪与地闪。AS3935探测距离在1～40 km之间，可以消除电机、微波炉等人为干扰信号，且组成获取闪电距离的电路图只需较少的元器件。

AS3935供电范围分为2.4～3.6 V和2.4～5.5 V两种。当AS3935第6角VREG接高电平时，电压调节器打开，选择2.4～5.5 V供电。MSP430F5438通过四线式SPI总线控制AS3935。当AS3935检测到闪电信号后，产生一个中断信号给单片机，单片机通过响应中断信号，读取寄存器，从而获取闪电到达探测器的距离。图4为AS3935电路与单片机的接口电路图。

图4 AS3935电路图Fig.4 AS3935 circuit diagram

3.3 GPS模块

GPS模块采用u-blox公司设计生产的NEO-6M模组，自动定位精度小于2.5 m，定时精度为20 ns。模块的供电电压在2.7～3.6 V之间，和单片机的电平匹配[5]。MEO-6M模块有4种接口传输数据，本系统利用串口传输经纬度、高度及时间信息给单片机。

3.4 GSM传输模块

GSM传输模块选用芯讯通无线科技有限公司的SIM900A，内嵌TCP协议，做TCP的网络传输。MSP430单片机通过串口与SIM900A建立连接，连接以后就可以通过“AT”命令来进行通信。

4 软件设计

雷电定位系统的软件包括探测与中心站的软件设计，以及数据库的建立和雷电信息发布平台的设计。

4.1 探测器的软件设计流程

探测器首先初始化硬件，建立TCP连接，检测AS3935是否有地闪信号。若有，则立即获取探测器的经纬度、高度、时间及闪电到探测器的距离，并把数据打包发送给SIM900A，由SIM900A自动把数据发送给中心站。探测器的程序流程图如图5所示：

4.2 中心站程序设计

中心站是一个使用C#语言开发的控制和数据处理软件。主要工作是建立TCP服务器、加载Google地图、使用ADO.NET技术连接数据库、接受探测器发来的数据、计算闪电的位置以及在Google地图显示闪电发生的位置，并把位置信息存入数据库。在计算闪电的位置时，需要在WGS-84坐标系中。大地坐标的经度、纬度、高度分别用字母表示为(Lk,Bk,Hk)，从大地坐标变换到WGS-84坐标(x,y,z)的变换公式[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是基准椭球体的卯酉圆曲率半径，e是椭圆偏心率，h是大地高度，它们与基准椭球体的长半径a和短半径b存在如下关系：

(13)

(14)

反过来，从WGS-84坐标系(x,y,z)变换到大地坐标(Lk,Bk,Hk)的变换公式如下：

(15)

(16)

(17)

中间变量p的计算公式为

(18)

计算Bk和Hk时，采用迭代法：首先设置Bk等于0，然后依次计算N,Hk,Bk，再将刚得到Bk重新代入17式，再一次更新N,Hk,Bk。如此循环，直到两次求得的Bk之间相差一个很小的数就收敛。

4.3 雷电信息发布平台设计

利用SQL Server 2008软件建立数据库，存储闪电的位置信息[7]，使用ASP.NET技术构建一个基于B/S模式的雷电信息发布网站[8]，并向社会发布最新的雷电信息。

5 测试结果和分析

测试闪电的地点选在雷电多发区—四川雅安市，共4个探测站。中心站先把接收的数据显示在界面上，然后通过计算，在界面上显示闪电的经纬度和高度，同时Google地图根据闪电经纬度查找闪电发生的具体地址。图6为雅安市宝兴县闪电的发生地点。

图6 中心站上位机软件Fig.6 upper computer software of central station

经过中心站的数据处理，得到闪电的位置和时间信息以后，中心站会把闪电发生的经纬度、高度、发生的时间以及具体地址一起存入数据库。

闪电定位的精度主要由AS3935决定，而AS3935能测量风暴前沿的最小距离是1 km，经过测试，闪电发生的实际位置与计算出来的闪电位置偏差在1 km之内，说明AS3935测量闪电的距离是比较准确的，即可以将闪电传感器AS3935运用在雷电定位系统中，测量闪电到探测器距离，实现闪电定位。

6 结语

本系统充分利用新型闪电传感器AS3935测量闪电到达探测器距离的优势，结合GPS模块精确定位和授时功能，大大缩减雷电定位系统的成本和体积。本系统具有很好的推广性，可作为雷电监测设计的理想方案之一。另外，本系统的闪电传感器AS3935还可以作为便携式闪电探测器，在人们出行时可以随身携带，方便监测有无闪电发生，从而更好地保护人们的生命和财产安全。