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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2期 刊出日期:2021-03-15 上一期   
前沿动态
NASA遴选两项太阳物理小卫星机会任务
范唯唯
2021 (2):  175-175. 
摘要 ( 35 )   PDF(183KB) ( 22 )  
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韩国推进月球探测任务地面通信站建设
叶京
2021 (2):  175-175. 
摘要 ( 12 )   PDF(161KB) ( 14 )  
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印度发布Chandrayaan-2任务初步数据
韩淋
2021 (2):  175-175. 
摘要 ( 15 )   PDF(139KB) ( 19 )  
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发展战略
SpaceNews分析拜登政府将如何重塑NASA
王海名
2021 (2):  176-177. 
摘要 ( 20 )   PDF(282KB) ( 17 )  
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Euroconsult发布2020政府航天计划报告
杨帆
2021 (2):  178-179. 
摘要 ( 15 )   PDF(268KB) ( 9 )  
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欧洲智库评论阿尔忒弥斯协定对欧洲的意义
韩淋
2021 (2):  179-179. 
摘要 ( 15 )   PDF(230KB) ( 45 )  
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2021年世界重要空间科学发射任务
时蓬, 王琴, 苏晓华, 白青江, 范全林
2021 (2):  180-182. 
摘要 ( 35 )   PDF(424KB) ( 33 )  
2021年全球重要的空间科学发射任务逾10次,主要是美欧的空间天文、月球和深空探测任务,我国也将发射首颗空间地球科学卫星“广目”。此外,多个中外载人航天任务亦将为空间科学与探索搭建新的平台。
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会讯
2021年空间机电与空间光学暨第一届空间智能会议
2021 (2):  348-348. 
摘要 ( 22 )   PDF(213KB) ( 21 )  
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2021全国空间材料学术研讨会
2021 (2):  348-348. 
摘要 ( 10 )   PDF(213KB) ( 7 )  
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研究论文
太阳爆发抵近探测——“触碰计划”
林隽, 黄善杰, 李燕, 种晓宇, 张毅, 李明涛, 张艺腾, 周斌, 欧阳高翔, 项磊, 董亮, 季海生, 田晖, 宋红强, 刘煜, 金振宇, 冯晶, 张洪波, 张贤国, 张伟杰, 黄旻, 吕群波, 邓雷, 符慧山, 程鑫, 汪敏
2021 (2):  183-210.  doi: 10.11728/cjss2021.02.183
摘要 ( 51 )   PDF(6315KB) ( 65 )  
本文旨在介绍一项具有重大科学意义和应用价值的深空探测任务构想.该任务将对驱动恒星大尺度爆发过程的中心结构(即磁重联电流片)进行抵近(原位)探测,主要目的是详细研究发生在离地球最近的恒星-太阳上的大尺度磁重联过程的精细物理特征,揭示太阳系中最为剧烈的能量释放过程(即太阳爆发或太阳风暴)的奥秘.该任务的科学目标:磁重联过程是发生在宇宙磁化等离子体中的能量转换和释放的核心过程,其一直是太阳物理、等离子体物理、空间科学研究领域内的一个极为重要的研究课题及研究方向.通过抵近观测可以将同样设备的分辨能力提高5~20倍,将提供在地球附近无法获得的太阳超清晰图像以及相应的物理信息,让人类在一个前所未有的平台上来研究、认识和了解太阳,从而解决太阳爆发核心驱动过程的精细物理性质与日冕加热等长期困扰太阳物理研究领域的难题.
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An Event Horizon Imager (EHI) Mission Concept Utilizing Medium Earth Orbit Sub-mm Interferometry
KUDRIASHOV V, MARTIN-NEIRA M, ROELOFS F, FALCKE H, BRINKERINK C, BARYSHEV A, HOGERHEIJDE M, YOUNG A, POURSHAGHAGHI H, KLEIN-WOLT M, MOSCIBRODZKA M, DAVELAAR J, BARAT I, DUESMANN B, VALENTA V, PERDIGUES ARMENGOL J M, DE WILDE D, MARTIN IGLESIAS P, ALAGHA N, VAN DER VORST M
2021 (2):  211-233.  doi: 10.11728/cjss2021.02.211
摘要 ( 71 )   PDF(5803KB) ( 39 )  
Submillimeter interferometry has the potential to image supermassive black holes on event horizon scales, providing tests of the theory of general relativity and increasing our understanding of black hole accretion processes. The Event Horizon Telescope (EHT) performs these observations from the ground, and its main imaging targets are Sagittarius A* in the Galactic Center and the black hole at the center of the M87 galaxy. However, the EHT is fundamentally limited in its performance by atmospheric effects and sparse terrestrial (u,v)-coverage (Fourier sampling of the image). The scientific interest in quantitative studies of the horizon size and shape of these black holes has motivated studies into using space interferometry which is free of these limitations. Angular resolution considerations and interstellar scattering effects push the desired observing frequency to bands above 500 GHz.
This paper presents the requirements for meeting these science goals, describes the concept of interferometry from Polar or Equatorial Medium Earth Orbits (PECMEO) which we dub the Event Horizon Imager (EHI), and utilizes suitable space technology heritage. In this concept, two or three satellites orbit at slightly different orbital radii, resulting in a dense and uniform spiral-shaped (u,v)-coverage over time. The local oscillator signals are shared via an inter-satellite link, and the data streams are correlated on-board before final processing on the ground. Inter-satellite metrology and satellite positioning are extensively employed to facilitate the knowledge of the instrument position vector, and its time derivative. The European space heritage usable for both the front ends and the antenna technology of such an instrument is investigated. Current and future sensors for the required inter-satellite metrology are listed. Intended performance estimates and simulation results are given.
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空间物理
磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件
宋小健, 左平兵, 周梓露
2021 (2):  234-241.  doi: 10.11728/cjss2021.02.234
摘要 ( 15 )   PDF(4131KB) ( 12 )  
最近研究表明,磁层顶凹陷对磁层-电离层耦合具有重要作用.但是,磁层顶凹陷现象的确认需要多颗卫星的联合观测,目前为止报道的磁层顶凹陷事例非常少.本文利用THEMIS5颗卫星的联合观测结果,分析了一例由磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件.2007年7月21日10:00 UT—10:45 UT,位于日下点磁层顶附近的THEMIS卫星在磁鞘观测到很强的地向流(约400km·-1),随后THEMIS5颗卫星相继穿越磁层顶进入磁层.通过最小方差MVA方法确认局部磁层顶法向,与经典磁层顶模型比较发现,磁鞘快速流压缩磁层顶形成局部凹陷.为了探究此磁鞘快速流的起源,对位于L1点的WIND卫星观测到的太阳风数据进行分析发现:在这个时间段内太阳风条件非常稳定,行星际磁场主要为径向,磁场南北向分量非常小.由此推测此磁鞘快速流的产生很可能与径向行星际磁场有关.
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等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响
刘吉, 周斌, 李磊, 冯永勇, 张艺腾, 叶建成
2021 (2):  242-249.  doi: 10.11728/cjss2021.02.242
摘要 ( 17 )   PDF(2054KB) ( 8 )  
在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS(Spacecraft Plasma Interaction Software)模拟了卫星平台和探针与等离子体的相互作用,从而得到了不同环境下卫星周围等离子体鞘层的厚度,以及探针电位与电流的对应关系.模拟结果表明:由于光电子和二次电子的影响,卫星鞘层的厚度小于等离子体的德拜半径,且温度越高其偏差越大;模拟得到的探针表面电流与电位的关系表明,施加偏置电流的探针可明显提高对电流扰动的抗干扰能力.此外,估计了不同轨道高度上探针处于最佳工作点时应施加偏置电流的大小.
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磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异
孙璐媛, 王慧, 何杨帆
2021 (2):  250-260.  doi: 10.11728/cjss2021.02.250
摘要 ( 26 )   PDF(3824KB) ( 10 )  
利用Swarm卫星的高精度(50 Hz)磁场观测数据,对2015年3月16—25日磁暴期间中纬度电离层电磁离子回旋(EMIC)波时空分布特征进行了研究.结果表明:晨侧EMIC波事件数与昏侧大致相当,午前时段明显多于子夜前时段.昏侧EMIC波高发生率与等离子体羽状结构有关,晨侧EMIC波高发生率与太阳风动压增强及稠密冷等离子体有关.晨侧-正午前EMIC波频率高于昏侧-子夜前,表明源区位置以及离子成分占比存在地方时差异.昏侧事件大多发生在早期恢复相,晨侧事件大多发生在晚期恢复相,晨-昏两侧的时间差异源于磁暴期间高能离子西向漂移所需时间及等离子体层顶位置的地方时差异.磁暴期间,EMIC波以H+波和He+为主,其中H+波主要分布在06:00 MLT—10:00 MLT(磁地方时)扇区,He+波主要分布在18:00 MLT—22:00 MLT扇区.在磁暴主相期间没有出现H+带波,但是出现He+-O+双波段EMIC波,表明磁暴主相期间环电流高浓度氧离子对H+带EMIC波具有抑制作用.
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地磁暴期间北半球高纬度地区电离层变化特征及对精密定位的影响
王格, 王宁波, 李子申, 周凯, 刘昂
2021 (2):  261-272.  doi: 10.11728/cjss2021.02.261
摘要 ( 21 )   PDF(6134KB) ( 8 )  
基于加拿大地区高纬度电离层观测网的电离层闪烁观测数据,分析了2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球高纬度地区电离层总电子含量(TEC)异常变化、TEC变化率指数(ROTI)及电离层相位闪烁的变化特征.结果表明:加拿大地区最大异常值约6 TECU,磁暴引发全球电离层TEC异常峰值高达20 TECU;加拿大地区电离层相位闪烁发生率最大增至12.6%,而磁静日期间约为1%;强电离层闪烁期间,电离层相位闪烁指数与ROTI之间具有较强的一致性.对GPS双频精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)结果进行分析发现:无闪烁期间定位误差随测站纬度的增高呈现出增大趋势,但均方根误差小于0.4m;闪烁发生期间各测站的定位误差均显著增大,水平和垂直方向定位误差分别增至约0.9m及1.7m.
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Kalman滤波估算电离层延迟的一种优化方法
薛伟峰, 倪育德
2021 (2):  273-278.  doi: 10.11728/cjss2021.02.273
摘要 ( 17 )   PDF(1415KB) ( 18 )  
频间偏差(Inter Frequency Bias,IFB)通常会给电离层延迟的解算带来误差.目前从电离层延迟中消除频间偏差的方法是基于GPS双频观测数据建立垂直电离层模型,利用卡尔曼滤波实时估算电离层模型系数和频间偏差.然而滤波过程中的测量噪声协方差矩阵没有考虑系统观测量之间的相关性,这会导致滤波模型不准确,进而影响最后求解的电离层延迟的准确性.本文选取了美国19个参考站的GPS双频观测数据,利用卡尔曼滤波实时估算电离层模型系数以及频间偏差.在滤波过程中,通过将先验频间偏差的估计方差引入测量噪声方差,实现对测量噪声协方差矩阵的优化.计算结果表明,优化后得到的卫星频间偏差与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)得到的频间偏差更接近.将优化后的电离层延迟代入伪距解算,得到的位置误差的标准差在东向和天顶向分别下降了12.5%和15.4%,天顶向误差平均值下降了17.6%,定位精度得到提高.
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北纬30°中层顶区域钠与铁原子层的结构和年际变化
胡云杰, 易帆
2021 (2):  279-285.  doi: 10.11728/cjss2021.02.279
摘要 ( 17 )   PDF(2092KB) ( 13 )  
基于武汉大学Na和Fe激光雷达在2004年1月至2011年12月期间的观测数据,得到武汉上空中层顶区域Na和Fe原子层的平均特性、夜间变化和季节变化特征.Na层平均质心高度为91.36km,平均RMS(均方根)宽度为4.64km.Fe层平均质心高度为88.99km,平均RMS宽度为4.57km.在充分考虑金属层夜间变化和季节变化对数据样本影响的基础上,获取了Na层和Fe层结构在此期间的年际变化特征.对Na层和Fe层质心高度及RMS宽度的年际变化进行线性拟合,发现Na层和Fe层在此期间均相对稳定,Na层质心高度在近8年间仅有约58m的下降,变化率为-7.91m·a-1,Na层RMS宽度减小约151m,变化率为-20.60m·a-1.同期,Fe层的质心高度下降了约230m,变化率为-31.36m·a-1,Fe层RMS宽度则有所增大,变化率为21.01m·a-1.
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空间生命与微重力科学
空间微生物实验技术研究进展
袁俊霞, 印红, 马玲玲, 张文德, 张秦, 徐侃彦
2021 (2):  286-292.  doi: 10.11728/cjss2021.02.286
摘要 ( 18 )   PDF(3072KB) ( 10 )  
微生物具有结构简单、生长周期短、繁殖快、便于搭载等优点,被作为生物模型用于空间环境下的生命现象研究、地外生命探测以及开展以微生物为重点关注对象的行星保护任务研究.随着中国空间站在轨建造任务的临近,微生物空间实验技术开发以及相应的实验装置研制需要加快部署.本文以已实现空间应用的微生物技术为基础,从微生物空间培养、保存、检测技术及用于地外生命探测中的微生物识别技术等方面分析了空间微生物实验技术的发展现状与趋势,提出了未来利用中国空间站开展空间微生物实验的技术发展建议.
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180天长期密闭环境对志愿者骨代谢、糖脂代谢的影响及其相关性分析
杨超, 徐子涵, 李铠, 张洪玉, 王海龙, 吴峰, 许梓, 戴钟铨, 李莹辉
2021 (2):  293-300.  doi: 10.11728/cjss2021.02.293
摘要 ( 14 )   PDF(2168KB) ( 3 )  
长期空间飞行过程中航天员处于狭小密闭的失重环境中,密闭环境对机体骨代谢与糖脂代谢的影响尚不明确.通过4人180天受控生态生保系统集成实验,分析长期处于密闭环境的4名志愿者血清中骨代谢、糖脂代谢指标变化,并根据骨与能量代谢相互调控理论,分析二者相关性.实验结果表明,长期密闭舱内生活影响了骨代谢与糖脂代谢,表现为骨形成指标(BGP,PICP,BAP)的下降趋势.入舱前中后期Insulin的变化幅度较大.脂代谢类指标也有下降趋势.相关性分析表明BGP与FRUC呈极显著的正相关(r=0.525,p=0.001);BGP与CHOL和LDL也呈显著正相关(r=0.376,p=0.024;r=0.391,p=0.018).长期密闭环境影响机体的骨代谢与糖脂代谢,且二者存在一定关联.
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中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析
张晓武, 郑会龙, 王琨, 杨肖芳
2021 (2):  301-309.  doi: 10.11728/cjss2021.02.301
摘要 ( 25 )   PDF(7634KB) ( 13 )  
中国空间站燃烧科学实验系统能够在轨进行多种燃料的微重力燃烧实验,其关键组件燃烧室是可实现密封的压力容器,为实验插件提供机械、氧化剂、废气排放、供电、控制、冷却等接口,支持实验插件完成相关功能.本文依据承压范围、漏率、透射光波段等设计技术指标进行燃烧室结构设计与力学分析.燃烧室采用分段式结构,由合叶门、锁紧圈、连接环、筒体等组件依次连接组成,连接结构处使用密封圈.通过燃烧室的承压分析、模态分析以及随机响应分析,校核了燃烧室结构的强度、刚度及随机振动响应特性,验证了燃烧室设计的安全性与可靠性,能够满足发射及在轨工作要求.
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空间探测技术
基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道设计
张佳文, 郑建华, 王有亮, 李明涛
2021 (2):  310-319.  doi: 10.11728/cjss2021.02.310
摘要 ( 26 )   PDF(2732KB) ( 20 )  
对于太阳抵近探测任务,从地球直接发射探测器至太阳附近需要消耗巨大能量,通过多次金星借力飞行,可有效降低地球发射能量C3及中途变轨的燃料消耗.本文研究基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道优化设计,建立了连续共振借力和混合共振借力的转移轨道优化设计模型,并针对2025—2028年的发射窗口开展太阳抵近探测任务轨道优化设计.仿真结果表明,相比连续共振借力,混合共振借力可以有效缩短太阳抵近探测任务的轨道转移时间,对于地球发射能量C3和中途变轨燃料消耗的影响未见明显的规律性,能量降低与序列中的共振比相关.
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基于多源影像的探测器月面着陆点定位与精度验证
王镓, 辛鑫, 万文辉, 崔晓峰, 荣志飞, 游祎, 何锡明
2021 (2):  320-328.  doi: 10.11728/cjss2021.02.320
摘要 ( 22 )   PDF(5155KB) ( 15 )  
探测器月面着陆点高精度定位是探测器着陆的重要技术环节,也是地外天体探测器开展各项工作的重要前提.本文基于多源图像数据,利用图像特征匹配和多重覆盖影像定位技术,设计了探测器月面着陆点高精度定位方法,并使用嫦娥三号任务相关影像进行了定位实验与精度验证.在高精度图像匹配和几何变换的基础上,降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素,LRO NAC影像与中分辨率降落图像的匹配精度优于1pixel,最终解算的嫦娥三号探测器着陆点坐标为(44.1196°N,19.5148°W).本文方法综合利用了多源图像数据,不完全依靠着陆区DOM底图的制图精度,是对影像与DOM底图配准定位结果的进一步精化,在未来的月球着陆探测任务中具有应用价值.
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基于Gooding算法的天基光学目标跟踪定轨
闫瑞东, 王荣兰, 龚建村, 刘四清, 师立勤, 罗冰显, 王宏
2021 (2):  329-336.  doi: 10.11728/cjss2021.02.329
摘要 ( 15 )   PDF(1320KB) ( 5 )  
开展了基于Gooding算法的400km天基平台光学目标监测的轨道确定研究,当测量误差为3”和6”时,分别对800,1500及36000km轨道高度目标进行初始轨道确定及轨道改进分析.仿真结果表明,利用400km轨道高度平台对800~1500km轨道高度目标进行初定轨,测量数据误差为3”~6”时,4~15min弧段的初定轨精度约在10km量级,1~2min弧段的初定轨精度约在100km量级;15min初定轨弧段轨道改进后误差在100m量级,弧段小于10min时轨道改进误差精度在km量级.利用400km轨道高度平台对36000km轨道高度目标进行初定轨,测量数据误差为3”时,15~20min弧段的初定轨精度约在数十km量级,8~10min弧段的初定轨精度在100km量级;轨道改进后误差在km量级.测量数据误差为6”时,20min弧段初定轨精度在10km量级,8~15min弧段初定轨精度在100km量级,轨道改进后误差精度在10km量级.
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精密热控技术在太极一号卫星上的应用
刘红, 张晓峰, 冯建朝, 诸成, 蔡志鸣, 徐雨
2021 (2):  337-341.  doi: 10.11728/cjss2021.02.337
摘要 ( 18 )   PDF(2613KB) ( 14 )  
为探测空间引力波,中国科学院提出了太极计划,其第一步是通过近地轨道卫星太极一号对核心载荷的关键技术进行验证.由于温度稳定性直接影响干涉仪测距和加速度的测量精度,太极一号卫星提出了(T±0.1)K的高精度、高稳定度温控指标.针对该指标要求设计热控方案,从热组件的选取到单机设备的应用均依照高指标进行控制.为了保证方案实施的有效性,在热设计实现过程中进行了详细的控制.热控方案采用“恒温笼”的设计思路以及三级控温方式,采取主动与被动相结合的原则,实现了在轨飞行(T±0.005)K的高稳定性温控指标.通过对高精度、高稳定度技术的应用研究发现,热控加热方案、漏热控制、控温仪单机的分辨率、测温电路、控制算法、控制精度、测温元件的测温分辨率仍然是制约高精度控温技术的重要因素.
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嫦娥四号着陆器载荷电控箱地面测试系统设计
崔天舒, 安军社, 吴琦
2021 (2):  342-347.  doi: 10.11728/cjss2021.02.342
摘要 ( 22 )   PDF(2067KB) ( 13 )  
航天器电子设备的地面综合测试是航天器研制过程中的重要环节,对设备功能验证及性能评估具有重要作用.传统的地面综合测试系统可重用性差,导致研制周期长且人力、设备投入较大.嫦娥四号着陆器载荷电控箱的地面测试系统采用模块化、可重用和CPU+FPGA单机集成体系结构,是集供配电测试、1553B通信总线仿真测试、间接指令测试、异步串口通信测试、实时数据处理等功能于一体的综合测试系统,适用于航天器电子设备单板调试、单机测试、软件配置项测试以及环境模拟试验等不同类型的测试.通过嫦娥四号着陆器载荷电控箱各项接口、功能、性能指标等的测试,证明该系统满足支持设备单机调试、软件配置项测试、状态确认和问题排查等测试需求,有力支撑了嫦娥四号着陆器载荷电控箱的单机设备研发,为嫦娥四号着陆器任务实施提供了有效保障.
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