李 迪，陸 揚(yáng)

(1.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴陽(yáng) 550002；2.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴陽(yáng) 550002)

0 引言

雷電(也稱閃電)是發(fā)生于大氣中的一種具有瞬時(shí)高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射特征的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。雷電觀測(cè)是氣象觀測(cè)的重要組成部分，為天氣預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，主要監(jiān)測(cè)：云地閃、云閃、大氣電場(chǎng)、雷電電流、雷電光學(xué)及雷電聲學(xué)特征等項(xiàng)目。

貴州省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)始建于2007年7月，第1批建設(shè)了赤水、畢節(jié)、凱里等7個(gè)站，第2批建設(shè)了息烽、望謨等5個(gè)站，目前共有12個(gè)站(二維閃電站)。2013年7月，在貴陽(yáng)、羅甸等地建設(shè)了6個(gè)三維閃電站。目前貴州省氣象局建設(shè)的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要用于云地閃觀測(cè)。

1 資料來(lái)源

文章所用的閃電資料來(lái)源于貴州省三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)和貴州省級(jí)ASOM2.0運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料。新型三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)接收閃電回?fù)糨椛涞腣LF/LF脈沖信號(hào)，采用TOA定位方法，實(shí)現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度和極性等主要參數(shù)的三維定位，系統(tǒng)既能探測(cè)云地閃又能探測(cè)云閃，其水平面探測(cè)精度在500 m以內(nèi)，垂直方向的探測(cè)精度在1000 m以內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)閃電的三維定位。貴陽(yáng)、畢節(jié)、凱里等地共安裝了16臺(tái)三維閃電定位儀，貴州省級(jí)ASOM2.0運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)[1]可提供閃電定位儀的業(yè)務(wù)可用性和故障發(fā)生情況。

2 閃電定位儀探測(cè)原理及結(jié)構(gòu)

2.1 探測(cè)原理

閃電定位儀定位算法依據(jù)時(shí)差測(cè)量定位技術(shù)(TOA技術(shù))。主要是利用3個(gè)已知位置的接收機(jī)接收某1個(gè)未知位置的輻射源信號(hào)確定輻射源的位置，在實(shí)際應(yīng)用中是利用低頻(VLF)波段的磁環(huán)天線接收信號(hào)后進(jìn)行處理，然后通過(guò)信號(hào)的相關(guān)性判別算法進(jìn)行定位。

TOA技術(shù)是一種重要的精確定位方式，是通過(guò)處理3個(gè)或更多觀測(cè)站采集到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間對(duì)輻射源進(jìn)行定位。在二維平面中，輻射源信號(hào)到達(dá)兩觀測(cè)站的時(shí)間差確定了1對(duì)以兩站為焦點(diǎn)的雙曲線，利用3站就可以確定兩對(duì)雙曲線產(chǎn)生的交點(diǎn)。若要確定三維空間中的任一輻射源，則至少需要4個(gè)站產(chǎn)生3對(duì)雙曲面，并利用面面相交得線，線面相交得點(diǎn)，從而確定輻射源的位置。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

閃電定位儀從結(jié)構(gòu)上分為6個(gè)功能模塊，分別是天線單元、前置板、波形板、CPU、授時(shí)通信板和NPORT通信模塊。其中前置板的功能是信號(hào)濾波及功放；波形板的主要功能是信號(hào)波形處理；CPU的功能為信號(hào)相關(guān)性計(jì)算及判別；授時(shí)通信板的功能為對(duì)定位信號(hào)授時(shí)并發(fā)送至通信模塊；NPORT通信模塊是將RS-232串口通信轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)通信。

3 業(yè)務(wù)可用性分析

閃電監(jiān)測(cè)站業(yè)務(wù)可用性Ao[2]計(jì)算方式如公式(1)所示：

(1)

式中，

Tt為應(yīng)工作時(shí)次：雷電定位系統(tǒng)監(jiān)控頻率為10 min/次，6次/h，1 d 為144次；

TZ正常時(shí)次：最近1次狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)參數(shù)檢查正常，則該時(shí)次計(jì)“正常時(shí)次”1次；

TY可疑時(shí)次：最近1次狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示自檢偏差大(自檢的通過(guò)標(biāo)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(shí)次計(jì)“可疑時(shí)次”1次。

2017年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為91.39%，其中安順業(yè)務(wù)可用性是全省最高，為93.95%，黔西南業(yè)務(wù)可用性最低為88.38%。

2018年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為97.35%，高于2017年度可用性。其中安順業(yè)務(wù)可用性仍是全省最高，為98.28%，貴陽(yáng)業(yè)務(wù)可用性最低為95.9%。

2019年全省閃電定位儀平均業(yè)務(wù)可用性為98.94%，高于2018年度可用性。其中畢節(jié)業(yè)務(wù)可用性是全省最高，為99.15%，黔東南業(yè)務(wù)可用性最低，為98.37%。

根據(jù)3 a的可用性進(jìn)行分析，2017年業(yè)務(wù)可用性最低，2019年業(yè)務(wù)可用性最高，3 a的業(yè)務(wù)可用性呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明近3 a閃電定位儀運(yùn)行越來(lái)越穩(wěn)定，以2019年最為穩(wěn)定可靠，同時(shí)反映出全省閃電定位儀維護(hù)人員的保障能力也在逐年增強(qiáng)。

4 故障分析及應(yīng)對(duì)措施

4.1 故障分析

2017年度全省閃電定位儀共出現(xiàn)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(xiàn)故障15站次，其中網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)故障8站次，其中網(wǎng)絡(luò)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(jù)閃電定位儀3 a出現(xiàn)的故障分析，除網(wǎng)絡(luò)故障(非設(shè)備故障)外最易發(fā)生的為通信模塊故障，占總故障次數(shù)的34.21%；其次為電子盒故障，占比為28.95%。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

文章針對(duì)閃電定位儀故障情況提出排查故障方法及應(yīng)對(duì)措施，供臺(tái)站人員進(jìn)行技術(shù)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(gè)狀態(tài)燈，分別是PWR燈、LINK燈、Tx/Rx燈，正常工作狀態(tài)為PWR燈常亮(電源正常)，LINK燈常亮(網(wǎng)絡(luò)物理連接正確)，Tx/Rx燈閃爍(有數(shù)據(jù)包收發(fā))；一旦狀態(tài)燈異常可快速確定是電源問(wèn)題，還是網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題需要通過(guò)監(jiān)控機(jī)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(yīng)及時(shí)更換NPORT模塊；如果可以ping通，并且telnet也可以登上NPORT模塊，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有問(wèn)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(shí)，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(jī)捕捉導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行定位階段。GPS接收機(jī)檢測(cè)結(jié)束后，探頭程序轉(zhuǎn)入自檢階段，此時(shí)CPU板上的5只LED燈全部點(diǎn)亮。自檢程序結(jié)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(cè)4只LED燈點(diǎn)亮，標(biāo)志著+5 V、+15 V、-15 V以及+12 V電源正常工作，當(dāng)閃電定位儀發(fā)生故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法上傳時(shí)，先確定供電是否正常，根據(jù)4只LED燈的狀態(tài)判斷故障，一旦發(fā)生異常，需立即更換電源模塊保障設(shè)備正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)貴州省2017—2019年閃電定位儀運(yùn)行情況分析，文章提出改進(jìn)建議如下：

1)臺(tái)站人員應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)工作，提高保障效率。同時(shí)，臺(tái)站需熟練掌握運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，做好運(yùn)行監(jiān)控工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，積極聯(lián)系省大探中心和廠家盡快解決故障，故障結(jié)束時(shí)及時(shí)填寫故障結(jié)束時(shí)間，避免影響業(yè)務(wù)可用性[5]。

2)對(duì)于低于全省可用性的市州，應(yīng)對(duì)縣級(jí)維護(hù)維修人員及市州級(jí)保障中心技術(shù)人員開展專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)。

3)根據(jù)故障情況分析，其中網(wǎng)絡(luò)故障占比最高，針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)加強(qiáng)省市兩級(jí)運(yùn)行監(jiān)控，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，應(yīng)建立備份通信線路，可自動(dòng)切換通信網(wǎng)絡(luò)，避免因網(wǎng)絡(luò)故障影響業(yè)務(wù)可用性。

4)針對(duì)故障處理不及時(shí)的問(wèn)題，應(yīng)嚴(yán)格按照分類分級(jí)管理規(guī)定執(zhí)行和監(jiān)督。