2017—2019年貴州省閃電定位儀運行情況分析

李 迪，陸 揚

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

0 引言

雷電(也稱閃電)是發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害性天氣現象。雷電觀測是氣象觀測的重要組成部分，為天氣預報和氣象服務提供重要依據，主要監測：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。

貴州省雷電監測網始建于2007年7月，第1批建設了赤水、畢節、凱里等7個站，第2批建設了息烽、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、羅甸等地建設了6個三維閃電站。目前貴州省氣象局建設的雷電監測網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測網和貴州省級ASOM2.0運行監控系統的數據資料。新型三維閃電監測系統通過接收閃電回擊輻射的VLF/LF脈沖信號，采用TOA定位方法，實現閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強度和極性等主要參數的三維定位，系統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，垂直方向的探測精度在1000 m以內，即實現閃電的三維定位。貴陽、畢節、凱里等地共安裝了16臺三維閃電定位儀，貴州省級ASOM2.0運行監控系統[1]可提供閃電定位儀的業務可用性和故障發生情況。

2 閃電定位儀探測原理及結構

2.1 探測原理

閃電定位儀定位算法依據時差測量定位技術(TOA技術)。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，在實際應用中是利用低頻(VLF)波段的磁環天線接收信號后進行處理，然后通過信號的相關性判別算法進行定位。

TOA技術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 設備結構

閃電定位儀從結構上分為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的功能為信號相關性計算及判別；授時通信板的功能為對定位信號授時并發送至通信模塊；NPORT通信模塊是將RS-232串口通信轉換成以太網通信。

3 業務可用性分析

閃電監測站業務可用性Ao[2]計算方式如公式(1)所示：

(1)

式中，

Tt為應工作時次：雷電定位系統監控頻率為10 min/次，6次/h，1 d 為144次；

TZ正常時次：最近1次狀態數據經參數檢查正常，則該時次計“正常時次”1次；

TY可疑時次：最近1次狀態數據顯示自檢偏差大(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務可用性為91.39%，其中安順業務可用性是全省最高，為93.95%，黔西南業務可用性最低為88.38%。

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

2019年全省閃電定位儀平均業務可用性為98.94%，高于2018年度可用性。其中畢節業務可用性是全省最高，為99.15%，黔東南業務可用性最低，為98.37%。

根據3 a的可用性進行分析，2017年業務可用性最低，2019年業務可用性最高，3 a的業務可用性呈上升趨勢，說明近3 a閃電定位儀運行越來越穩定，以2019年最為穩定可靠，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 故障分析及應對措施

4.1 故障分析

2017年度全省閃電定位儀共出現故障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故障15站次，其中網絡故障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故障8站次，其中網絡故障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。

根據閃電定位儀3 a出現的故障分析，除網絡故障(非設備故障)外最易發生的為通信模塊故障，占總故障次數的34.21%；其次為電子盒故障，占比為28.95%。

4.2 應對措施

文章針對閃電定位儀故障情況提出排查故障方法及應對措施，供臺站人員進行技術參考，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個狀態燈，分別是PWR燈、LINK燈、Tx/Rx燈，正常工作狀態為PWR燈常亮(電源正常)，LINK燈常亮(網絡物理連接正確)，Tx/Rx燈閃爍(有數據包收發)；一旦狀態燈異?？煽焖俅_定是電源問題，還是網絡連接問題。網絡連接問題需要通過監控機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，則說明網絡沒有問題。

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接收機捕捉導航衛星進行定位階段。GPS接收機檢測結束后，探頭程序轉入自檢階段，此時CPU板上的5只LED燈全部點亮。自檢程序結束后，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，當閃電定位儀發生故障導致數據無法上傳時，先確定供電是否正常，根據4只LED燈的狀態判斷故障，一旦發生異常，需立即更換電源模塊保障設備正常運行。

5 結束語

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控系統，做好運行監控工作，及時發現問題，積極聯系省大探中心和廠家盡快解決故障，故障結束時及時填寫故障結束時間，避免影響業務可用性[5]。

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

3)根據故障情況分析，其中網絡故障占比最高，針對此問題應加強省市兩級運行監控，針對網絡問題及時發現并處理，應建立備份通信線路，可自動切換通信網絡，避免因網絡故障影響業務可用性。

4)針對故障處理不及時的問題，應嚴格按照分類分級管理規定執行和監督。