基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法
发布时间：2021-01-24 20:33
定位精度是评价雷电定位网络的重要指标之一,定位算法直接影响雷电探测结果的精度。雷电监测系统探测数据误差不可避免,传统定位算法不具备抗误差干扰能力,迭代计算易发散,定位结果精度不高。为了满足实际应用需求,提出一种新的雷电定位算法DG-LLA （DBSCAN and grid-search lighting location algorithm）,在定位计算中引入DBSCAN（density-based spatial clustering of applications with noise）方法与网格搜索方法。通过仿真与国家雷电监测网实际定位结果对比分析定位算法性能。结果表明:到达时间差（time difference of arrival,TDOA）法和Tayloir级数展开法定位误差较大,仿真区域的均方根误差分别为982 m和668 m;定位中引入DBSCAN方法后,均方根误差明显减小为406 m,引入DBSCAN方法和网格搜索方法后,均方根误差减小为349 m;在相同回击数据条件下,算法DG-LLA与国家雷电监测网相比定位数量更多,回击数据的利用率从43. 4%提升到51. 5%...
【文章来源】：应用气象学报. 2019,30(03)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１?ＤＧ￣ＬＬＡ算法流程??Ｆｉｇ．?１?Ｆｌｏｗ?ｏｆ?ＤＣｊ－ＬＬＡ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍ??
下一级搜索区域；⑤重复??上述过程，当达到收敛条件后停止搜索得到最优雷??电位置。??３仿真分析??３．?１实例仿真??３．?１．?１雷击实例??文献［８］和文献［９］给出了某地雷电监测网中的??某雷击实例，包括各探测站的地理坐标及其探测到??的到达时间．利用本文算法对该实例进行定位。任??取６条回击数据中的３条或４条数据进行定位，对??得到的３５个定位结果进行聚类分析，聚合性较好的??簇中心对应的纬度和经度分别为３９．?３３９°?Ｎ和??１１４．?３８０°Ｅ，聚类效果如图２所示，再通过网格搜索??法得到最终定位结果纬度和经度分别为３?９．?３?３?９?°?Ｎ??和１１４．?３８２°Ｅ，实际雷击点坐标的纬度和经度分别??为?３９．?３４０°Ｎ?和?１１４．?３８５°Ｅ，两者相距８４．?０９?ｍ，验证??了本文算法实现雷电定位的可行性。??从传统方法以及文献［８］提出的ＰＳ（）方法与文??献［９］提出的ＭＦＯＡ方法的定位结果看，ＴＤ（）Ａ法??的定位结果误差最大，达到了?１３１４?ｍ；Ｔａｙｌ〇ｒ级数??展开法作为经典的迭代算法，误差为８８１?ｍ；?ＰＳＯ??方法和ＭＦＯＡ方法均较大提升了定位精度，误差均??小于５００?ｍ，分别为３９５?ｍ和３６２?ｍ，本文提出的??定位算法ＤＧ－ＬＬＡ误差为８４?ｍ，验证了该算法实现??４０．０°Ｎ?－??３９．５??３９．０??３８．Ｃ??１０９??１１１??１１２??１１３??１１４??１１５??１１６??１１７°Ｅ??Ａ??置位击??心点雷??１?２中声际??族簇簇噪实??图２雷击实例聚类结果??Ｆｉｇ．?２?Ｃｌｕｓｔｅｒｉ
０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??时间标准差／ＭＳ??第３期??梁丽等：基于ＤＢＳＣＡＮ与网格搜索的雷电定位算法??２７１??３３°Ｎ??３１??２９??３３°Ｎ??３１??２９??３３°Ｎ??３１??２９??３３。Ｎ??３１??１１１??１１３??１１５°Ｅ??１０９??１１５°Ｅ??图３不同方法定位误差分布对比??（ａ）?ＴＤＯＡ?法，（ｂ）Ｔａｙｌｏｒ?级数展开法，（ｃ）?ＤＢＳＣＡＮ，（ｄ）ＤＯＬＬＡ??Ｆｉｇ．?３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｅｒｒｏｒ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??（ａ）ＴＤＯＡ?ｍｅｔｈｏｄ，?（ｂ）Ｔａｙｌｏｒ?ｓｅｒｉｅｓ?ｅｘｐａｎｓｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ，?（ｃ）ＤＢＳＣＡＮ，?（ｄ）ＤＧ－ＬＬＡ??ｕｎｉ／糊ｍＫｌ聛杓讶??图４定位均方根误差与时间标准差关系曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｒｏｏｔ?ｍｅａｎ?ｓｑｕａｒｅ?ｅｒｒｏｒ?ｏｆ?ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｔｉｍｅ?ｓｔａｎｄａｒｄ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]气象常用表(第三号)可照时数订正[J]. 王丽娜,莫月琴,陶法,张雪芬. 太阳能学报. 2018(11)
[2]青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系[J]. 孟青,樊鹏磊,郑栋,张义军,姚雯. 应用气象学报. 2018(05)
[3]雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响[J]. 林辉,谭涌波,马宇翔,杜赛,周洁晨,仇梦扬. 应用气象学报. 2018(03)
[4]雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度[J]. 姜睿娇,董万胜,刘恒毅,杨磊. 应用气象学报. 2018(02)
[5]云闪K过程的三维时空特征[J]. 刘恒毅,董万胜,张义军. 应用气象学报. 2017(06)
[6]闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型[J]. 武斌,张广庶,文军,张彤,李亚珺,王彦辉. 应用气象学报. 2017(05)
[7]暴雨和雹暴个例中闪电特征对比[J]. 王婷波,郑栋,周康辉,张义军,徐良韬. 应用气象学报. 2017(05)
[8]闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征[J]. 张志孝,郑栋,张义军,陆高鹏. 应用气象学报. 2017(04)
[9]建筑物上侧击雷电的三维数值模拟[J]. 谭涌波,张鑫,向春燕,夏艳羚,马肖. 应用气象学报. 2017(02)
[10]基于改进果蝇优化算法的雷电定位研究[J]. 郭小红,赵雪松,朱永利,陈旭,赵磊,高艳丰. 电测与仪表. 2016(16)
本文编号：2997885
【文章来源】：应用气象学报. 2019,30(03)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１?ＤＧ￣ＬＬＡ算法流程??Ｆｉｇ．?１?Ｆｌｏｗ?ｏｆ?ＤＣｊ－ＬＬＡ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍ??
下一级搜索区域；⑤重复??上述过程，当达到收敛条件后停止搜索得到最优雷??电位置。??３仿真分析??３．?１实例仿真??３．?１．?１雷击实例??文献［８］和文献［９］给出了某地雷电监测网中的??某雷击实例，包括各探测站的地理坐标及其探测到??的到达时间．利用本文算法对该实例进行定位。任??取６条回击数据中的３条或４条数据进行定位，对??得到的３５个定位结果进行聚类分析，聚合性较好的??簇中心对应的纬度和经度分别为３９．?３３９°?Ｎ和??１１４．?３８０°Ｅ，聚类效果如图２所示，再通过网格搜索??法得到最终定位结果纬度和经度分别为３?９．?３?３?９?°?Ｎ??和１１４．?３８２°Ｅ，实际雷击点坐标的纬度和经度分别??为?３９．?３４０°Ｎ?和?１１４．?３８５°Ｅ，两者相距８４．?０９?ｍ，验证??了本文算法实现雷电定位的可行性。??从传统方法以及文献［８］提出的ＰＳ（）方法与文??献［９］提出的ＭＦＯＡ方法的定位结果看，ＴＤ（）Ａ法??的定位结果误差最大，达到了?１３１４?ｍ；Ｔａｙｌ〇ｒ级数??展开法作为经典的迭代算法，误差为８８１?ｍ；?ＰＳＯ??方法和ＭＦＯＡ方法均较大提升了定位精度，误差均??小于５００?ｍ，分别为３９５?ｍ和３６２?ｍ，本文提出的??定位算法ＤＧ－ＬＬＡ误差为８４?ｍ，验证了该算法实现??４０．０°Ｎ?－??３９．５??３９．０??３８．Ｃ??１０９??１１１??１１２??１１３??１１４??１１５??１１６??１１７°Ｅ??Ａ??置位击??心点雷??１?２中声际??族簇簇噪实??图２雷击实例聚类结果??Ｆｉｇ．?２?Ｃｌｕｓｔｅｒｉ
０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??时间标准差／ＭＳ??第３期??梁丽等：基于ＤＢＳＣＡＮ与网格搜索的雷电定位算法??２７１??３３°Ｎ??３１??２９??３３°Ｎ??３１??２９??３３°Ｎ??３１??２９??３３。Ｎ??３１??１１１??１１３??１１５°Ｅ??１０９??１１５°Ｅ??图３不同方法定位误差分布对比??（ａ）?ＴＤＯＡ?法，（ｂ）Ｔａｙｌｏｒ?级数展开法，（ｃ）?ＤＢＳＣＡＮ，（ｄ）ＤＯＬＬＡ??Ｆｉｇ．?３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｅｒｒｏｒ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??（ａ）ＴＤＯＡ?ｍｅｔｈｏｄ，?（ｂ）Ｔａｙｌｏｒ?ｓｅｒｉｅｓ?ｅｘｐａｎｓｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ，?（ｃ）ＤＢＳＣＡＮ，?（ｄ）ＤＧ－ＬＬＡ??ｕｎｉ／糊ｍＫｌ聛杓讶??图４定位均方根误差与时间标准差关系曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｒｏｏｔ?ｍｅａｎ?ｓｑｕａｒｅ?ｅｒｒｏｒ?ｏｆ?ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｔｉｍｅ?ｓｔａｎｄａｒｄ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]气象常用表(第三号)可照时数订正[J]. 王丽娜,莫月琴,陶法,张雪芬. 太阳能学报. 2018(11)
[2]青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系[J]. 孟青,樊鹏磊,郑栋,张义军,姚雯. 应用气象学报. 2018(05)
[3]雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响[J]. 林辉,谭涌波,马宇翔,杜赛,周洁晨,仇梦扬. 应用气象学报. 2018(03)
[4]雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度[J]. 姜睿娇,董万胜,刘恒毅,杨磊. 应用气象学报. 2018(02)
[5]云闪K过程的三维时空特征[J]. 刘恒毅,董万胜,张义军. 应用气象学报. 2017(06)
[6]闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型[J]. 武斌,张广庶,文军,张彤,李亚珺,王彦辉. 应用气象学报. 2017(05)
[7]暴雨和雹暴个例中闪电特征对比[J]. 王婷波,郑栋,周康辉,张义军,徐良韬. 应用气象学报. 2017(05)
[8]闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征[J]. 张志孝,郑栋,张义军,陆高鹏. 应用气象学报. 2017(04)
[9]建筑物上侧击雷电的三维数值模拟[J]. 谭涌波,张鑫,向春燕,夏艳羚,马肖. 应用气象学报. 2017(02)
[10]基于改进果蝇优化算法的雷电定位研究[J]. 郭小红,赵雪松,朱永利,陈旭,赵磊,高艳丰. 电测与仪表. 2016(16)
本文编号：2997885
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