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 空间科学前沿领域及其相关技术与研究进展的学术刊物

刊载范围 与空间相关的研究性成果,空间科学和探测计划综述及总体方案。具体包括:空间天文与太阳物理,空间物理、空间环境及其效应、空间天气研究及预报方法,空间科学探测有效载荷设计方法与相关技术,行星与空间地球科学及相关遥感技术,微重力科学、空间生命科学、生命起源与地外生命探索,轨道、时空基准、飞行器设计相关技术。及时刊登具有国家重大航天任务和空间科学研究计划背景的研究成果。
2021年, 第41卷, 第3期 刊出日期:2021-05-15 上一期   
前沿动态
AMS-02测量宇宙线中铁元素光谱
王海名
2021 (3):  349-349. 
摘要 ( 81 )   PDF(201KB) ( 65 )  
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首次发现太阳羽流存在精细结构
王海名
2021 (3):  349-349. 
摘要 ( 59 )   PDF(226KB) ( 36 )  
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NASA论证阿尔忒弥斯大本营选址关键要素
韩淋
2021 (3):  350-350. 
摘要 ( 51 )   PDF(257KB) ( 23 )  
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美意加日四国共同研究火星冰任务
范唯唯
2021 (3):  350-350. 
摘要 ( 37 )   PDF(241KB) ( 28 )  
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发展战略
阿联酋、 中国、 美国火星探测器齐聚火星
韩淋
2021 (3):  351-351. 
摘要 ( 50 )   PDF(242KB) ( 46 )  
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CNES主席展望 2021年空间活动计划
王海名
2021 (3):  352-352. 
摘要 ( 41 )   PDF(272KB) ( 33 )  
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俄罗斯科学院空间研究所所长谈俄罗斯空间科学发展
范唯唯
2021 (3):  353-353. 
摘要 ( 40 )   PDF(216KB) ( 20 )  
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中俄签署合作建设国际月球科研站谅解备忘录
范唯唯
2021 (3):  354-354. 
摘要 ( 43 )   PDF(176KB) ( 22 )  
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NASA与SpaceX签署航天安全联合协议
韩淋
2021 (3):  354-354. 
摘要 ( 14 )   PDF(221KB) ( 11 )  
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研究论文
太阳高能粒子观测特征经向分布统计
钱天麒, 丁留贯, 周坤论, 王智伟, 朱聪
2021 (3):  355-367.  doi: 10.11728/cjss2021.03.355
摘要 ( 63 )   PDF(2606KB) ( 40 )  
基于多卫星联合观测数据,筛选了2006年12月至2017年10月期间122个太阳高能粒子(SEP)事件及其伴随的日冕物质抛射(CME),分析了SEP事件属性随相对经度的变化、与CME属性之间相关性的经向分布以及与Fe/O比值的关联.研究结果显示:低Fe/O类事件的峰值通量Ip通常更高,伴随CME更大,但通量上升速度较慢,且其Du(持续时间)和Ip与CME速度呈现更强的相关性;SEP特征时间TO(CME爆发至SEP事件爆发)与TR(SEP事件爆发至半峰值)随相对经度增加而增大,DuIp随相对经度增加而减小,通量上升斜率K在±90°范围内自东向西递减;SEP事件属性与伴随CME属性的相关性随相对经度的改变有明显变化,在磁连接好的位置,TO与CME速度等属性呈现负相关,TR与CME速度等属性呈现正相关,DuIp与CME速度之间的相关性更强.研究结果进一步表明,SEP事件观测属性既与CME参数相关,同时又具有很强的经度依赖性,在磁连接越好的位置卫星观测到的SEP事件强度越高,SEP观测参数受CME的影响越大,这对大型SEP事件的预报很有意义.此外,高Fe/O类SEP事件与CME相关性的减弱暗示了耀斑加速、种子粒子源等因素的影响.
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基于机器学习方法对23太阳活动周质子事件的研究
熊森林, 李昕璐, 方少峰, 邹自明
2021 (3):  368-374.  doi: 10.11728/cjss2021.03.368
摘要 ( 52 )   PDF(827KB) ( 39 )  
在耀斑伴随日冕物质抛射(CME)事件编目数据的基础上,进行太阳质子事件(SPE)匹配,构建研究数据集.利用Apriori算法挖掘SPE与耀斑级别、耀斑发生日面位置以及CME角宽度和速度的关联关系.结果表明:X级耀斑、全晕CME、高速(>1000km·-1) CME和日面西半球耀斑是最可能伴随质子事件的4种特征,其诱发质子事件概率依次为0.366,0.355,0.30,0.155.角宽度低于120°或速度低于400km·-1的CME产生质子事件的概率为0.高速CME产生质子事件的概率是低速(400~1000km·-1) CME的8.6倍,X级耀斑产生质子事件的概率是M级耀斑的6.2倍,日面西部耀斑产生质子事件的概率是日面东部耀斑概率的3.9倍,全晕CME产生太阳质子事件的概率是非全晕(120°~360°) CME的3.8倍.对太阳质子事件样本进行过采样处理,利用随机森林等5种典型有监督学习算法,构建了基于第23太阳活动周耀斑和CME特征的质子事件预测模型.结果表明,该预报模型的质子事件预测准确率、精确率和召回率均控制在91%以上.
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磁层顶穿越事件自动识别算法
宋小健, 左平兵, 周梓露
2021 (3):  375-383.  doi: 10.11728/cjss2021.03.375
摘要 ( 50 )   PDF(6641KB) ( 19 )  
磁层顶是太阳风与磁层进行质量、动量、能量交换的关键区域.磁层顶穿越事件(MCEs)可通过对卫星探测到的粒子能谱和磁场数据图进行人工分析的方式来识别.因太阳风动压和行星际磁场的易变性,位于磁层顶附近的卫星经过长期观测可能会经历成千上万次的磁层顶穿越.人工分析的方法工作量巨大,而且识别速度慢.本文发展了一种新的日下点附近MCEs自动识别算法.此算法综合分析卫星探测到的粒子和磁场数据,能有效地减少误判的发生.为了验证算法的有效性,采用单CPU计算机对THEMIS卫星在2007—2018年靠近日下点附近观测到的数据进行MCEs自动识别,最终在约6h共识别出16758个MCEs.这些自动识别出来的MCEs样本可用于统计研究磁层顶相关的诸多物理问题,如凹陷磁层顶、太阳风与磁层相互作用,磁层顶磁场重联等.同时还分析了算法的精确性和局限性.
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伴随磁层稳态对流的磁暴及磁暴期间环电流的特征
提烁, 沈超, 陈涛, 曾刚
2021 (3):  384-391.  doi: 10.11728/cjss2021.03.384
摘要 ( 41 )   PDF(2147KB) ( 9 )  
参考活跃的磁层稳态对流标准,选取了2001—2017年12个伴随磁层稳态对流的磁暴,研究发现这些磁暴存在以下共性:有长达约10h的漫长主相;其SYM-H存在一个最小值的平台期,约持续3~10h;这些磁暴发生时,部分环电流持续位于昏侧,其持续时间和行星际磁场分量Bz的稳定南向驱动时间相等.此外,这些磁暴发生时,其平台期的环电流离子的寿命为2.4~5.5h,比一般的大磁暴事件中离子寿命长,且其寿命与平台期长短没有明显关系.伴随稳态对流的大磁暴发生时,环电流离子寿命长,环电流衰减慢,推测是稳态对流期间能量持续而稳定注入磁层导致的.
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基于神经网络的磁平静期赤道电集流预测
郑志超, 张科灯, 万欣, 何杨帆, 虞蕾, 孙璐媛, 高洁, 仲云芳
2021 (3):  392-401.  doi: 10.11728/cjss2021.03.392
摘要 ( 39 )   PDF(2885KB) ( 18 )  
利用BP神经网络技术分别对2008年后磁平静期印度扇区、秘鲁扇区以及CHAMP卫星的赤道电集流(EEJ)变化进行预测,其中神经网络训练数据为对应的2000—2007年磁平静期EEJ观测数据,输入参量为天数、地方时、太阳天顶角、太阳活动指数(F10.7)、太阴时以及卫星地理经度,输出参量为EEJ.对EEJ预测结果进行了统计学分析,并且与实际观测结果进行对比.结果表明:BP神经网络对事件中EEJ的变化具有很好的预测能力,预测结果能够反映EEJ的重要分布特征;EEJ预测值与观测值之间具有很好的相关性,其中地磁台站观测值与预测值相关性系数可达85%以上.此外,将BP神经网络模型的预测结果与Yamazaki提出的经验模型结果进行对比,结果显示BP神经网络与其经验模型性能相当.研究结果表明,BP神经网络技术在平静期EEJ变化预测方面性能优异,具有良好的应用前景.
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基于SDO/HMI全日面实时磁图的活动区自动识别
崔延美, 刘四清, 师立勤
2021 (3):  402-410.  doi: 10.11728/cjss2021.03.402
摘要 ( 38 )   PDF(3991KB) ( 15 )  
太阳活动区是太阳活动的主要发生源区,活动区的形态、结构、特征是预报太阳爆发的主要依据.因此,活动区的识别是实现太阳爆发预报的前提.SDO/HMI能够提供连续、高时空精度的全日面光球观测图像.参照文献[1]SOHO/MDI综合磁图中活动区的自动识别方法,利用实时可得的HMI全日面磁图,通过阈值法、数学形态法和区域增长法相结合的方式,开展了活动区的快速自动识别研究.将2010—2018年的自动识别结果与NOAA/SWPC每日发布的活动区结果进行比较发现:通过磁图自动识别的活动区数目与SWPC活动区数目整体变化趋势基本一致,两者的相关系数为0.87;从活动区整体标识的数目上来看,通过磁图自动识别的活动区数目少于SWPC发布的结果.未被自动标识的活动区主要为面积小、磁场弱且磁类型简单的活动区,引发太阳爆发的可能性极小,因此不会对太阳爆发的实际预报产生影响.本文的研究方法和结果能够为太阳活动预报提供实时的活动区数据,加速太阳爆发预报模型的实际应用.
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全球电离层地图TEC数据的插值算法
曲仁超, 苗洪利, 苟瑞锟, 毛鹏
2021 (3):  411-416.  doi: 10.11728/cjss2021.03.411
摘要 ( 53 )   PDF(1626KB) ( 16 )  
由IGS工作组提供的全球电离层地图(GIM)是电离层重要的应用数据.卫星高度计能够提供全球实时的电离层延迟误差校正.利用GIM数据,以Jason-3时空分辨率进行电离层总电子含量(TEC)的时间维度插值和空间维度插值,其中空间维度插值采用了Kriging插值和双线性插值两种方法.针对两种插值方法得到的总电子含量,与平滑处理的Jason-3高度计cycle80双频延迟校正值转化的总电子含量进行对比分析.结果显示:其与Kriging插值的平均偏差为0.94TECU,均方根误差为2.73TECU,相关系数为0.91;与双线性插值的平均偏差为1.43TECU,均方根误差为6.85TECU,相关系数为0.61.这说明Kriging插值方法的精度明显高于双线性插值方法.
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地基单站GNSS的电离层VTEC高精度解算方法
刘琨, 盛冬生, 王飞飞, 张红波, 李建儒
2021 (3):  417-424.  doi: 10.11728/cjss2021.03.417
摘要 ( 58 )   PDF(1527KB) ( 28 )  
利用IGS提供的双频GNSS观测数据,分析了Kalman方法解算电离层垂直总电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)存在的问题,提出了Kriging-Kalman改进解算方法,并对两种方法解算的电离层VTEC进行分析和比较.结果表明:在低纬地区,当观测卫星数量发生改变时,Kalman方法解算的VTEC存在跳变异常,Kriging-Kalman方法解算的VTEC变化较为平稳,不存在跳变现象.对比分析耀斑期间两种方法解算VTEC的变化,发现Kalman方法解算的VTEC变化明显小于耀斑引起VTEC的增量;Kriging-Kalman方法解算结果与实际变化相一致.表明Kriging-Kalman方法计算精度更高,能够更精确计算耀斑等剧烈异常空间天气活动期间的VTEC及其变化,有利于电离层VTEC日常精确监测、研究和工程应用.
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基于权重的层次矢量量化体压缩算法及其在空间环境中的应用
包黎莉, 蔡燕霞, 林瑞淋, 刘四清, 师立勤, 曹勇
2021 (3):  425-430.  doi: 10.11728/cjss2021.03.425
摘要 ( 28 )   PDF(2006KB) ( 17 )  
空间环境数据可视化是空间环境预报和服务的重要手段.目前基于矢量量化的压缩体绘制算法均只考虑了数据特点和压缩效果,并未结合具体应用需求.为适应空间环境体数据可视化具体应用需求,提出了一种应用驱动的压缩体绘制算法——基于权重的层次矢量量化算法(WHVQ).算法将体数据划分为43的数据块,并为数据块设置权重,重点关注区域的数据块赋予相对较大的权重值.然后,对各数据块用三层结构表示.最后,对次高层和最高层分别采用基于权重的主成分分析分裂法产生初始码书,并采用基于权重的LBG算法进行码书优化和量化.实验结果表明,该算法能够在保证整体压缩效果的同时,提升局部重点关注区域的重构质量.
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镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用
金泰峰, 李磊, 张艺腾
2021 (3):  431-438.  doi: 10.11728/cjss2021.03.431
摘要 ( 24 )   PDF(2099KB) ( 9 )  
镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θminθmax作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θmin> 40°,θmax < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.
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LND两年月表辐射剂量测量结果
张坤毅, 侯东辉, WIMMER-SCHWEINGRUBER R F, 孙越强, 王春琴, 常峥, 徐子贡, 沈国红, 袁斌, 薛长斌
2021 (3):  439-444.  doi: 10.11728/cjss2021.03.439
摘要 ( 47 )   PDF(4380KB) ( 26 )  
月球表面的辐射剂量是影响航天员安全和月表驻留时间的重要参数,通过对月表的粒子辐射测量可以为航天员的辐射安全防护提供重要依据.利用嫦娥四号着陆器上搭载的月表中子与辐射剂量探测仪二年的观测数据得到:月表粒子辐射在硅中的平均总吸收剂量率为12.66±0.45μGy·h-1,中性粒子吸收剂量率为2.67±0.16μGy·h-1.辐射剂量率随时间出现缓慢的下降,LET谱的变化则很小.同时观测到了2020年12月太阳活动末期由于银河宇宙线福布斯下降导致的辐射剂量率降低.
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空间小鼠实验有效载荷研究进展
李洁, 刘方武, 张涛
2021 (3):  445-456.  doi: 10.11728/cjss2021.03.445
摘要 ( 34 )   PDF(4546KB) ( 12 )  
啮齿动物是空间研究中常见的模型对象,已开展的空间生物实验中,小鼠表现出对飞行条件的有效适应.通过空间培养,研究者可对失重环境下小鼠的生理行为、骨骼和神经系统变化做进一步研究分析.本文对空间小鼠实验有效载荷的研究进展及其空间飞行实验进行了概述,为中国空间站上的小鼠培养箱设计提供参考.概述了地面小鼠培养技术和装置,为空间小鼠实验有效载荷设计提供地面对照;从实验研究内容和硬件系统设计两方面介绍了国际上已开展的空间小鼠实验,为中国空间生命科学研究和工程研制提供参考;对于中国发展空间小鼠实验有效载荷提出了建议.
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太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析
李卓, 郑建华, 李明涛, 于锡峥, 王有亮
2021 (3):  457-466.  doi: 10.11728/cjss2021.03.457
摘要 ( 36 )   PDF(2351KB) ( 13 )  
针对太极空间引力波探测任务,建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型,利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响,提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法,能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明,在行星和月球中,地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大,行星和月球的引力叠加影响达到-2.78×10-11km·-2.矮行星的引力叠加影响不大于1.25×10-17km·-2,小行星引力的叠加影响不大于1.1180×10-15km·-2.另外,编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.
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量子科学实验卫星的多维数据立方体方法研究
郭国航, 李虎, 胡钛, 谢夏洁, 战风林
2021 (3):  467-474.  doi: 10.11728/cjss2021.03.467
摘要 ( 41 )   PDF(1572KB) ( 28 )  
科学实验卫星以科学目标为任务战略导向,需要任务团队结合实际业务运行情况制定阶段实验计划.这些实验计划以任务运行数据为依据,由科学卫星任务各分系统数据分析获得的策略集合综合得到.量子科学实验卫星在轨运行期间会产生大量运行数据,如何有效利用这些数据给不同决策层提供辅助是当前面临的一大难题.目前主流方式主要借助值班日志统计和常规的数据库系统数据统计,需耗费较多时间和人力成本,对分析人员专业技能要求较高,无法满足多角度和多粒度任务研判的要求,并且该方法可扩展性差,当问题的观察角度变化时,往往需要重新组织数据统计分析.针对上述问题,本文提出一种基于数据立方体的多维数据建模和分析方法,对于不同主题,能够对数据进行多层次、多角度、多粒度统计分析,为决策提供良好支持.
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GNSS遥感探测卫星星座设计
王珏瑶, 符养, 白伟华, 魏世隆, 郭碧波, 闫峰, 谢成清
2021 (3):  475-482.  doi: 10.11728/cjss2021.03.475
摘要 ( 49 )   PDF(2551KB) ( 30 )  
随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)掩星大气探测技术的兴起,GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位,但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求,未来更需要充分利用GNSS信号资源,开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考,提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下,利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响,并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座,给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明,具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求,三种构型方案中,由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.
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基于萤火虫优化神经网络算法的气浮台自动调平衡研究
周国光, 金光, 徐伟, 朴永杰, 常琳
2021 (3):  483-490.  doi: 10.11728/cjss2021.03.483
摘要 ( 31 )   PDF(2346KB) ( 8 )  
为了利用气浮台在地面精准演示分布式多星组网技术及验证多模式高分成像过程,提出一种基于改进型BP神经网络PID控制的气浮台快速自动调平衡算法.针对以往算法调平时间较长、容易得到非最优解的问题,引入仿生萤火虫算法对神经网络初始权值进行优化,提高了算法的收敛速度和稳定性.基于构建的三轴气浮台运动学和动力学模型,通过仿真实验验证了优化算法对自动调平衡具有良好的控制效果,满足多星地面仿真的调平衡要求.
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基于LightGBM的卫星飞轮温度预测
朱家熙, 刘玉荣
2021 (3):  491-498.  doi: 10.11728/cjss2021.03.491
摘要 ( 37 )   PDF(1674KB) ( 8 )  
为保障卫星的正常在轨运行,地面系统需要对卫星运行状态进行监控预警,其中对卫星各系统的温度监控尤为重要.温度不仅直接反映卫星系统的健康状态,更会对系统器件的性能和寿命造成影响.飞轮作为卫星姿态控制系统的重要组件,其温度变化是识别姿态控制系统状态的重要信息.卫星飞轮温度的预测与预警对卫星在轨稳定运行具有重要意义.本文基于某在轨卫星遥测数据,结合空间环境数据,应用LightGBM机器学习框架研究建立梯度提升决策树模型,对卫星飞轮温度进行预测.经与实际遥测温度值进行对比验证,预测精度可以满足对卫星飞轮温度的监视需求.研究结果可应用于地面系统,对卫星姿态控制系统可能发生的温度异常进行预警,使地面运控人员能够提前规避风险,保障卫星的安全在轨运行.
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基于硬件信号模拟器的电离层TEC监测仪 差分码偏差长期变化
刘裔文, 章振中, 欧明
2021 (3):  499-504.  doi: 10.11728/cjss2021.03.499
摘要 ( 34 )   PDF(1552KB) ( 5 )  
利用硬件信号模拟器可以标定电离层TEC监测仪的差分码偏差.通过对相同接收机时隔近41.5月进行的两次差分码偏差标定实验,以GPS系统为例分析了硬件标定法得到的差分码偏差随时间的长期变化情况.结果表明:接收机差分码偏差均值从第一次实验的16.122ns增加至第二次实验的16.749ns,在约41.5月的时间内增加约0.627ns,月增量为0.0151ns,增加比较缓慢;第二次实验的差分码偏差标准差也有所增加,但增量也不大(均值分别为0.05ns和0.07ns).此外,两次标定实验的TEC测量精度(均方根误差)均达到约0.3TECU,对应的差分码偏差误差约0.1ns,这说明该接收机差分码偏差变化的一致性较好.若不加以再次标定,第二次实验时TEC测量误差将增加至约1.8TECU,月增量约为0.0434TECU.
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Study on Satellite-to-ground Laser Communications with Existence of Atmosphere
LI Hu, HU Tai, SHAO Shiyong, WU Pengfei
2021 (3):  505-510.  doi: 10.11728/cjss2021.03.505
摘要 ( 32 )   PDF(1330KB) ( 7 )  
The laser beam used to establish a communication channel between satellite and ground segments has a small divergence angle and a tiny spot on the Earth’s surface, which may lead to the fail of the system. So it’s important to study the deflection of laser beam by the Earth’s atmosphere and find a way to calibrate this error. Both theoretical analysis and real data processing method are used to obtain the mathematical model for divergence angle of laser communication beam and its correction function. Then the model has been applied to the data, which was used to describe the atmosphere state by traditional ground segments to obtain the critical elevation angle. According to the results of calculation, our conclusion will be that the correction should be done when the critical elevation happens.
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全极化散射计极化失真误差校正方法
胡继伟, 任泓璇, 吕爱玲, 党红杏, 谭小敏
2021 (3):  511-518.  doi: 10.11728/cjss2021.03.511
摘要 ( 34 )   PDF(2703KB) ( 18 )  
全极化散射计是一种新型微波散射计,可以同时测量目标的同极化和交叉极化散射系数.一方面能够解决传统散射计在海面风场反演中的风向模糊问题,提高海面风场测量精度,另一方面交叉极化散射系数可以有效提高海面风速测量范围,解决台风灾害监测和预报问题.利用全极化散射计数据进行高精度海面风场反演,首先需要解决全极化散射计系统极化失真误差导致无法准确测量目标不同极化散射系数的问题.本文基于全极化散射计信号模型推导了极化失真误差影响下极化散射系数模型,并对极化失真误差影响进行了定量分析.在极化散射系数模型基础上,通过引入海面散射特性假设和极化定标技术推导了极化散射系数校正模型.基于RADARSAT-2获取的不同区域海面全极化散射系数数据仿真误差影响下极化散射系数并利用该模型进行校正,结果表明该方法可以有效校正极化失真误差,显著提高极化散射系数测量精度.
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