Пока идет дождь. Вычисляем молнию

Целью проекта Blitzortung.org является создание малобюджетной сети станций для высокоточного определения местоположения молний. Достигается это благодаря большого количества приемных станций расположенных близко друг к другу, как правило, на расстоянии 50 км — 250 км. Эти станции передают свои данные на центральный сервер, где места вспышек молний вычисляются по времени прихода сигналов. Владельцы этих приемников — добровольцы, которые покупают или собирают оборудование самостоятельно. Есть также команда программистов-добровольцев, которые разрабатывают и реализуют алгоритмы определения местоположения и визуализации и люди, которые помогают поддерживать работоспособность всей системы. Местоположения молний бесплатно доступны в исходном формате для тех участников, чьи станции передают свои данные на сервер проекта. Владелец приемной станции может использовать исходные данные для любых некоммерческих целей.

Оборудование, необходимое для участия в сети состоит из антенной системы, VLF (УНЧ) усилителя, платы контроллера и приемника GPS, обеспечивающего сигнал 1PPS (один импульс в секунду).

Нельзя гарантировать, что приемная станция будет хорошо работать в любом месте. Электрические устройства могут создавать помехи, например источники питания, компьютеры, энергосберегающие лампы, ЭЛТ-мониторы, телевизоры и т.п. В некоторых случаях на станциях с большим количеством помех должны быть установлены в не оптимальные настройки. Например, проволочные ограждения роботов газонокосилок или большие линии электропередач с большим напряжением производят очень сильные помехи. Но не волнуйтесь, данные со станции будут приниматься до тех пор, пока помехи будут эпизодическими. Так же не проблема, если приемная станция не передает данные в течение некоторого времени ежедневно из-за помех или других обстоятельств.

Немного теории

Как изначально формируется молния, все еще является предметом дискуссий. Ученые изучили причины, начиная с основных атмосферных возмущений (ветра, влажности, трения и атмосферного давления) до воздействия солнечного ветра и накопления заряженных солнечных частиц. Лед внутри облака считается ключевым элементом в развитии молнии, и может привести к насильственному разделению положительных и отрицательных зарядов в облаке и таким образом способствовать формированию молнии.

То что молния имеет электрическую природу не было очевидным, так как электрический ток не течет через воздух. 10 июня 1752, Бенджамин Франклин запустил воздушный змей во время грозы, когда в змей ударила молния, в лейденской банке был собран заряд, что позволило ему продемонстрировать электрическую природу молнии. Он также изобрел громоотвод, используемый для защиты зданий и кораблей.

Разряд молнии излучает энергию на радиочастотах в широком диапазоне частот. При возникновении высоких токов в ранее ионизированных каналах во время вспышек облако-земля, самые мощные выбросы происходят в диапазоне VLF.

Существенным преимуществом низких частот в отличие от более высоких частот, является способность этих сигналов распространяться на тысячи километров при отражении от ионосферы и земли.

Разряд молнии генерирует несколько импульсов короткой продолжительности запущенных между грозовым облаком и землей или между грозовых облаков. Ток создает электрическое поле параллельно направлению его течения, и соответствующее магнитное поле, перпендикулярное к электрическому полю.

Прием сигнала молнии

Волны с частотой от 3 кГц до 30 кГц имеют длину между 100 и 10 км. Подходящей антенной для этих частот является небольшая рамочная антенна с размером менее 1/10000 длины волны. Небольшие петли также называют магнитными, потому что они более чувствительны к магнитной составляющей электромагнитной волны и менее чувствительны к электрическим помехам при правильном экранировании. Если петля меньше длинны волны, то ток вокруг антенны будет почти полностью в фазе. Таким образом, волны приближающиеся в плоскости петли не будут приняты, а прием волн по оси, перпендикулярной к плоскости петли будут максимальным. Это свойство изменяется, если петля становится больше. Поляризация грозовых разрядов облако-земля, в основном, вертикальная, таким образом, магнитное поле ориентировано горизонтально. Для кругового покрытия (360 градусов) желательно использовать более одной петли. Подходящее решение может быть получено с помощью двух взаимно перпендикулярных скрещенных петель, такое решение используются в системах пеленгования.

Электромагнитные сигналы грозовых разрядов не волны фиксированной частоты. Сигналы имеют более или менее форму импульса и следовательно, излучает волны в широком диапазоне частот. Каждый из этих импульсов является уникальным и выглядит по-разному.

Метод TOA (метод по времени прибытия)
Методика определения расположения молнии ТОА основана на расчетах гиперболических кривых. Излучаемый радиосигнал от разряда молнии движется по воздуху со скоростью света. Это примерно в 300000 километров в секунду или 300 метров в микросекунду. Каждый принятый сигнал получает временную метку. Пусть tA(s) будет штампом времени для сигнала s от станции А. Отметка времени tA(s) устанавливается в UTC (Всемирное координированное время) в микросекундах с точностью до 1 мкс. Разность двух временных отметок для одного сигнала, принимаемого двумя различными станциями и разностью позиций этих станций можно задать гиперболической кривой. Пусть dА(р) расстояние от точки р до станции А в метрах. Гиперболическая кривая для сигнала s, есть множество всех позиций точки р, соответствующих разности расстояний dA(p) — dB(p) в метрах в соответствующих временных метках разности tA(s) — tB(s) в микросекундах, преобразованных по скорости света в метр.

dA(p) — dB(p) = (tA(s) — tB(s))*300

Источник сигнала должен находиться где-то на этой гиперболической кривой. Точка пересечения трех или более таких гиперболических кривых определяет уникальное местоположение источника радиосигнала.

Вычисленное положение, будет считаться расположением разряда молнии. Что бы определить уникальную точку пересечения, необходимо по крайней мере 4 станции находящиеся не на одной линии. Если сигнал принимается с более чем четырех станций, то некоторая избыточная информация позволит повысить точность. Пересечение всех трех кривых однозначно определяет местоположение источника радиосигнала (белая точка).

Разница во времени ±100 мкс соответствует разнице расстояния ±30 километров. То есть, если станция А получает тот же самый сигнал на 100 мкс ранее станции B, то все точки соответствующей гиперболической кривой будут находится на 30 км ближе к станции A, чем к В. Предположим, что временные метки имеют точность ±1 мкс и есть четыре станции расположенные так, что их позиции определяют квадрат. Если источник сигнала находится точно в середине квадрата, то точность определения местоположения будет меньше, чем 300м∗√2 = 424 м. Точность может быть гораздо меньше, если источник сигнала находится за пределами квадрата.

Аргументации некоторых коммерческих поставщиков, что их система имеет точность 300м, потому что отметка имеет точность 1 мкс, наивное заблуждение.

Основной сложностью системы TOA является распознавание уникальности принимаемого сигнала. Это нелегко, потому что контур сигнала меняется, когда он перемещается на большие расстояния. Единственный способ справиться с различными формами сигналов, является вычисление времени прибытия группы. Однако если временная метка не назначается последовательно, то гиперболические кривые не пересекаются в общей точке пересечения.

Расчеты на сервере проводятся в два этапа. На первом этапе стартовая точка вычисляется из первых 4 временных меток, далее с помощью численного метода. Все расчеты используют сферические координаты.

Сеть Blitzortung.org

Cеть определения местонахождения молний Blitzortung.org состоит из VLF приемных станций и одного центрального сервера обработки для каждого большого района. Приемные станции передают свои данные в реальном времени через Интернет на сервер. Каждая посылка содержит данные о точном времени принимаемого удара молнии и координат приемника.

По этой информации рассчитываются точные позиции разрядов. Сферические координаты доступны в исходном формате для всех пользователей, которые передают свои данные на сервер. Пользователи могут использовать исходные данные для любых некоммерческих целей. Деятельность молний последних двух часов отображаются на сайте Blitzortung.org на нескольких публичных картах и пересчитывается каждую минуту.Следует отметить, что не возможно, вычислить позицию или точные направления с данными одной станции. Нужны данные по крайней мере четырех станций, чтобы вычислить позиции удара молнии. В настоящее время нет программного обеспечения, которое позволяет установить соединение с другими системами пеленгования, например с LR software of LightningRadar.net. Расчеты позиций ударов молний делается только одиним из вычислительных серверов Blitzortung.org.

Более подробную информацию о проекте, моделях приемных антенн, аппаратном и программном обеспечении можно найти в документе www.blitzortung.org/Documents/TOA_Blitzortung_RED.pdf ^[1].

Данная публикация является переводом вступительной части этого документа.

Автор: scart

Источник ^[2]