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基于聚类分析的雷电定位算法研究

张帅弛  
【摘要】:雷电定位系统通过探测站实时监测雷击发生的时间、位置、回击次数等各种雷电参数,是进行雷电预警的科学依据。由于探测站接收的雷电数据受多种复杂因素的影响,目前的雷电定位系统难以对这些因素带来的误差作精确的修正。因此,研究抗误差干扰的雷电定位算法,对于提高定位系统的探测效率和精度以及气象部门进行防雷减灾具有重要意义。本文在归纳雷电定位原理和算法的基础上,深入研究了聚类分析在雷电定位中的应用和误差分析的理论与方法,并评估了国家业务网的探测性能,主要研究内容包括:(1)对雷电定位原理及基本算法进行了总结,主要研究对象为地闪定位。分别介绍了常用的雷电定位方法:地闪方向定位法、地闪时差定位法和地闪联合定位法;讨论了地闪平面定位模型和地闪椭球面定位模型的差异和适用场景;同时列出了两站混合定位、多站时差定位和泰勒级数展开法的基本方程。(2)研究了基于聚类分析的雷电定位算法,结合国家业务网雷电数据的特点在定位计算中引入不同的聚类算法。主要包括划分聚类算法K-Means、模糊聚类算法FCM和密度聚类算法DBSCAN,并针对雷电定位的适用场景改进算法,确定算法所需的最优参数,通过实例和区域仿真验证了算法的有效性。(3)通过蒙特卡罗误差分析法对雷电定位误差进行定量评估。主要研究定位系统中探测站数目和布站方式对地闪定位误差的影响,并研究了提高地闪定位精度的网格搜索优化方法,满足国家业务网实际应用的需要。(4)评估了国家业务网的探测性能,采用本文基于聚类分析的雷电定位算法对历史数据进行重新定位,从闪电次数及时间分布、闪电空间分布、区域空间分布三个方面进行对比分析。结果验证了本文算法的有效性和应用于实际业务的可行性。


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