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doi: 10.11728/cjss2023-0022
摘要:
利用GUVI探测器观测的OI 135.6 nm气辉辐射数据，研究了2003年10月和11月两次持续时间不同的强磁暴期间气辉辐射强度的经纬度分布及纬度-高度分布的变化情况。结果表明，全球大部分区域内OI 135.6 nm气辉辐射强度在磁暴期间会随着Dst指数的降低而增强，与Dst指数呈现近似的负相关关系。从纬度上看增强会由磁静期的磁赤道两侧附近一直扩散至高纬度地区，且经纬度分布在磁暴期间的变化情况呈现出南北不对称性和纬向不对称性；从高度上看增强会由磁静期的电离层F2层高度附近扩散至其他高度，特别是在部分纬度的低热层高度上会出现相比其他高度更为显著的增强，增强出现的时间与磁暴相位基本同步。
利用GUVI探测器观测的OI 135.6 nm气辉辐射数据，研究了2003年10月和11月两次持续时间不同的强磁暴期间气辉辐射强度的经纬度分布及纬度-高度分布的变化情况。结果表明，全球大部分区域内OI 135.6 nm气辉辐射强度在磁暴期间会随着Dst指数的降低而增强，与Dst指数呈现近似的负相关关系。从纬度上看增强会由磁静期的磁赤道两侧附近一直扩散至高纬度地区，且经纬度分布在磁暴期间的变化情况呈现出南北不对称性和纬向不对称性；从高度上看增强会由磁静期的电离层F2层高度附近扩散至其他高度，特别是在部分纬度的低热层高度上会出现相比其他高度更为显著的增强，增强出现的时间与磁暴相位基本同步。
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doi: 10.11728/cjss2023-0017
摘要:
月球熔岩管是月球探索中的高价值目标之一，对月球熔岩管的探测中的重要问题之一是月球表面杂波和熔岩管回波间的区分。本文利用高频电磁波和低频电磁波在月壤中的路径衰减快慢不同，因此熔岩管道高低频功率比和地表杂波高低频功率比存在不同特征，提出了一种利用高低频电磁波功率比，确定回波来源的方法。本文主要利用伪谱时域方法，通过建立仿真系统，对月球表面，月球地层及月球熔岩管进行建模仿真。回波仿真结果表明利用回波的高低频功率比区分月球地表杂波和熔岩管回波是有效方法之一。熔岩管道高低频回波和地表杂波高低频回波功率比与熔岩管埋深呈正向关、和频率比呈正相关。
月球熔岩管是月球探索中的高价值目标之一，对月球熔岩管的探测中的重要问题之一是月球表面杂波和熔岩管回波间的区分。本文利用高频电磁波和低频电磁波在月壤中的路径衰减快慢不同，因此熔岩管道高低频功率比和地表杂波高低频功率比存在不同特征，提出了一种利用高低频电磁波功率比，确定回波来源的方法。本文主要利用伪谱时域方法，通过建立仿真系统，对月球表面，月球地层及月球熔岩管进行建模仿真。回波仿真结果表明利用回波的高低频功率比区分月球地表杂波和熔岩管回波是有效方法之一。熔岩管道高低频回波和地表杂波高低频回波功率比与熔岩管埋深呈正向关、和频率比呈正相关。
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doi: 10.11728/cjss2023-0014
摘要:
磁场重联是等离子体中非常重要的能量转换过程，研究该过程中的能量转化形式及其分配十分重要。我们挑选了MMS卫星观测到的10个经过EDR的磁层顶重联事件进行了分析，发现在不同的事件中能量通量的分配情况不一样，但在大多数事件中，离子焓通量占主导地位，其次是坡印廷通量，离子热通量略小于坡印廷通量，离子动能通量、电子焓通量和电子热通量占比在10%以下。我们通过对事件进行归一化处理，得到了L方向和M方向的不同能量通量随L方向的磁场和离子速度的关系图，并分析了每种能量通量的分布特征。
磁场重联是等离子体中非常重要的能量转换过程，研究该过程中的能量转化形式及其分配十分重要。我们挑选了MMS卫星观测到的10个经过EDR的磁层顶重联事件进行了分析，发现在不同的事件中能量通量的分配情况不一样，但在大多数事件中，离子焓通量占主导地位，其次是坡印廷通量，离子热通量略小于坡印廷通量，离子动能通量、电子焓通量和电子热通量占比在10%以下。我们通过对事件进行归一化处理，得到了L方向和M方向的不同能量通量随L方向的磁场和离子速度的关系图，并分析了每种能量通量的分布特征。
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doi: 10.11728/cjss2023-0009
摘要:
地面检测设备（下文简称地检）对载荷管理器功能和性能进行检测，是载荷管理器研发中的重要保障设备。由于不同型号任务中载荷硬件接口和软件协议差异较大，载荷管理器地检的通用性一直是地检的设计难点。本文提出了一种面向星上产品，尤其是载荷管理器的基于配置文件的通用地检测试板卡设计。针对不同任务中载荷管理器电接口的物理层约定、通信机制和遥测遥控不同的难题，采用软件配置和硬件可重构的方法实现板卡硬件的通用设计。针对不同任务的科学数据和总线协议数据格式不同的难题，采用基于序列解析的数据包生成方法和超时接收方法实现软件协议、数据格式可配置。最后，通过测试，验证了本文提出的通用地检测试板卡设计的可行性和通用性。
地面检测设备（下文简称地检）对载荷管理器功能和性能进行检测，是载荷管理器研发中的重要保障设备。由于不同型号任务中载荷硬件接口和软件协议差异较大，载荷管理器地检的通用性一直是地检的设计难点。本文提出了一种面向星上产品，尤其是载荷管理器的基于配置文件的通用地检测试板卡设计。针对不同任务中载荷管理器电接口的物理层约定、通信机制和遥测遥控不同的难题，采用软件配置和硬件可重构的方法实现板卡硬件的通用设计。针对不同任务的科学数据和总线协议数据格式不同的难题，采用基于序列解析的数据包生成方法和超时接收方法实现软件协议、数据格式可配置。最后，通过测试，验证了本文提出的通用地检测试板卡设计的可行性和通用性。
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doi: 10.11728/cjss2022-0073
摘要:
感应式磁传感器具有较高的探测灵敏度和极低的噪声水平，在空间探测、地质勘探中有着广泛的应用。为了实现更大带宽的磁场探测，本文对基于跨阻抗前置放大器的磁传感器进行了研究。这种感应式磁传感器将感应线圈的输出信号直接接入跨阻抗前置放大器，两者联合起来的电路特性实现了磁场变化信号转换为电信号的功能。本文建立了基于跨阻抗前置放大器的磁传感器的信号传递模型，并在此该模型的基础上推导出磁传感器的灵敏度和噪声的理论值。根据理论推导的结果，进一步研究了感应式磁传感器设计方法，并以带宽10~10kHz，噪声1fT/√Hz@1kHz~10kHz作为设计目标设计了一个感应式磁传感器，最后对这一传感器进行了性能验证试验。在处理频率响应测试数据时设计一种基于信号调制的处理方法，有效提取特定频率得到幅值和相位，并降低了随机噪声的干扰，磁传感器-3dB带宽达到了10~10kHz。在评估传感器噪声时，采用双探头差分的方法消除了环境的干扰，设计了相位差分析的评估方法，确认在哪些频带双探头探测的信号是同源的，在这些频带采用差分法评估是有效的。评估的结果是，传感器在1kHz~10kHz 实现了1fT/√Hz噪声水平。
感应式磁传感器具有较高的探测灵敏度和极低的噪声水平，在空间探测、地质勘探中有着广泛的应用。为了实现更大带宽的磁场探测，本文对基于跨阻抗前置放大器的磁传感器进行了研究。这种感应式磁传感器将感应线圈的输出信号直接接入跨阻抗前置放大器，两者联合起来的电路特性实现了磁场变化信号转换为电信号的功能。本文建立了基于跨阻抗前置放大器的磁传感器的信号传递模型，并在此该模型的基础上推导出磁传感器的灵敏度和噪声的理论值。根据理论推导的结果，进一步研究了感应式磁传感器设计方法，并以带宽10~10kHz，噪声1fT/√Hz@1kHz~10kHz作为设计目标设计了一个感应式磁传感器，最后对这一传感器进行了性能验证试验。在处理频率响应测试数据时设计一种基于信号调制的处理方法，有效提取特定频率得到幅值和相位，并降低了随机噪声的干扰，磁传感器-3dB带宽达到了10~10kHz。在评估传感器噪声时，采用双探头差分的方法消除了环境的干扰，设计了相位差分析的评估方法，确认在哪些频带双探头探测的信号是同源的，在这些频带采用差分法评估是有效的。评估的结果是，传感器在1kHz~10kHz 实现了1fT/√Hz噪声水平。
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doi: 10.11728/cjss2022-0037
摘要:
采用磁控溅射技术制备了Al: WS2薄膜。为考察不同气氛热冲击下Al: WS2薄膜摩擦学性能的响应机理，采用自行研制的温度交变真空摩擦试验机开展了真空、氮气及氧气气氛的-100~+250℃的热冲击试验，并对热冲击后Al: WS2薄膜结构、成分以及摩擦学性能进行了研究。研究发现，热冲击后，Al: WS2薄膜柱状晶长大， S含量减少，部分WS2被氧化为WO3，薄膜硬度增加。经真空和氧气热冲击，Al: WS2薄膜摩擦学性能变差。然而，经氮气热冲击后，在Al: WS2薄膜表面出现WO3，并掺入晶体结构，导致层间尺寸的增大，使得摩擦系数降低，由于表面生成的一层WO3的阻碍作用，薄膜寿命延长，因此，氮气热冲击使Al: WS2薄膜摩擦学性能得以提升。
采用磁控溅射技术制备了Al: WS2薄膜。为考察不同气氛热冲击下Al: WS2薄膜摩擦学性能的响应机理，采用自行研制的温度交变真空摩擦试验机开展了真空、氮气及氧气气氛的-100~+250℃的热冲击试验，并对热冲击后Al: WS2薄膜结构、成分以及摩擦学性能进行了研究。研究发现，热冲击后，Al: WS2薄膜柱状晶长大， S含量减少，部分WS2被氧化为WO3，薄膜硬度增加。经真空和氧气热冲击，Al: WS2薄膜摩擦学性能变差。然而，经氮气热冲击后，在Al: WS2薄膜表面出现WO3，并掺入晶体结构，导致层间尺寸的增大，使得摩擦系数降低，由于表面生成的一层WO3的阻碍作用，薄膜寿命延长，因此，氮气热冲击使Al: WS2薄膜摩擦学性能得以提升。
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doi: 10.11728/cjss2023-0007
摘要:
分析热层物理模型和热层经验、半经验模型原理，通过经验热层模型的基本理论和代码分析，理清模型构建方法。基于国内在热层大气建模方面现状，分析难点并给出发展建议。基于GOST模型，围绕地磁扰动期大气模型预报性能问题，分析误差来源，开展磁暴期大气模型构建研究。基于实测密度数据构建磁暴期大气密度模型(DAM)，并验证有效性。验证发现，地磁指数Ap 在100-132范围内，GOST、MSIS00和DAM模型的相对误差均值分别是：64.32%，-176.72%，-14.83%，Ap 80-132时，相对误差均值对应是：77.44%，-136.74%，-14.14%，DAM模型较GOST、MSIS00均有明显提升。
分析热层物理模型和热层经验、半经验模型原理，通过经验热层模型的基本理论和代码分析，理清模型构建方法。基于国内在热层大气建模方面现状，分析难点并给出发展建议。基于GOST模型，围绕地磁扰动期大气模型预报性能问题，分析误差来源，开展磁暴期大气模型构建研究。基于实测密度数据构建磁暴期大气密度模型(DAM)，并验证有效性。验证发现，地磁指数Ap 在100-132范围内，GOST、MSIS00和DAM模型的相对误差均值分别是：64.32%，-176.72%，-14.83%，Ap 80-132时，相对误差均值对应是：77.44%，-136.74%，-14.14%，DAM模型较GOST、MSIS00均有明显提升。
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doi: 10.11728/cjss2023-0028
摘要:
不同等级耀斑发生的频次存在数量级上的差别使基于常规卷积神经网络的耀斑预报模型通常难以捕捉M,X类耀斑先兆特征，导致高等级耀斑预报精度低的问题。本文对于这种耀斑预报中的长尾分布问题，通过控制变量法讨论不同深度长尾学习方法对于耀斑预报精度提升。尝试从训练集优化、损失函数优化、网络权重优化等角度改进模型对于M,X类耀斑的预报性能。在SDO/HMI太阳磁图预报未来24小时耀斑的实验中, 相比于常规方法训练的基准模型，改进模型在M,X类耀斑预报的准确率分别有了53.10%和38.50%的提升，同时在召回率方上有64%和52%的提升。表明在耀斑预报问题中，数据长尾分布的处理至关重要，验证了深度长尾学习方法的有效性，这种提升尾部类预报准确率的方法不仅可以应用于耀斑预报领域，还可以迁移到其他具有长尾分布现象的空间天气典型事件的预报分析。
不同等级耀斑发生的频次存在数量级上的差别使基于常规卷积神经网络的耀斑预报模型通常难以捕捉M,X类耀斑先兆特征，导致高等级耀斑预报精度低的问题。本文对于这种耀斑预报中的长尾分布问题，通过控制变量法讨论不同深度长尾学习方法对于耀斑预报精度提升。尝试从训练集优化、损失函数优化、网络权重优化等角度改进模型对于M,X类耀斑的预报性能。在SDO/HMI太阳磁图预报未来24小时耀斑的实验中, 相比于常规方法训练的基准模型，改进模型在M,X类耀斑预报的准确率分别有了53.10%和38.50%的提升，同时在召回率方上有64%和52%的提升。表明在耀斑预报问题中，数据长尾分布的处理至关重要，验证了深度长尾学习方法的有效性，这种提升尾部类预报准确率的方法不仅可以应用于耀斑预报领域，还可以迁移到其他具有长尾分布现象的空间天气典型事件的预报分析。
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doi: 10.11728/cjss2023-0023
摘要:
晶体生长过程中温度的稳定性对晶体形貌及结构有着显著影响，为了提高晶体的性能及质量，必需要保证晶体生长过程中温度的稳定性。现阶段我国空间高温材料科学实验炉均采用PID控制器对晶体生长温度进行控制。由于空间实验机会珍贵且稀少，控制参数的整定工作需要在地面完成。然而，由于地面与空间环境传热的不同，导致高温材料实验炉的传热特性存在差异，其传递函数也不相同，若将地面整定的控制参数直接应用于空间工况，将会导致温控效果变差。为此，本文提出了一种基于数据驱动的减压法，在地面实现了对空间微重力环境下高温炉传热特性的近似与模拟，并给出了地面适配工况的压强值，克服了传统减压法由于先验知识缺乏导致地面适配工况压强难以确定的问题。
晶体生长过程中温度的稳定性对晶体形貌及结构有着显著影响，为了提高晶体的性能及质量，必需要保证晶体生长过程中温度的稳定性。现阶段我国空间高温材料科学实验炉均采用PID控制器对晶体生长温度进行控制。由于空间实验机会珍贵且稀少，控制参数的整定工作需要在地面完成。然而，由于地面与空间环境传热的不同，导致高温材料实验炉的传热特性存在差异，其传递函数也不相同，若将地面整定的控制参数直接应用于空间工况，将会导致温控效果变差。为此，本文提出了一种基于数据驱动的减压法，在地面实现了对空间微重力环境下高温炉传热特性的近似与模拟，并给出了地面适配工况的压强值，克服了传统减压法由于先验知识缺乏导致地面适配工况压强难以确定的问题。
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doi: 10.11728/cjss2022-0038
摘要:
本文对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚-液-柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉-伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。设计干扰观测器，对系统的集总干扰进行补偿；然后在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，来达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：设计的复合控制器可行且有效。
本文对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚-液-柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉-伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。设计干扰观测器，对系统的集总干扰进行补偿；然后在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，来达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：设计的复合控制器可行且有效。
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doi: 10.11728/cjss2023-0006
摘要:
随着深空探测活动的持续推进，月球探测将是人类开展行星际探测、拓展生存疆域的第一步。而月球原位资源利用将是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径。随着月面勘探技术和月面原位资源利用技术的不断进步，目前各航天大国都针对月面原位水获取技术开展持续研究，我国也将月面原位水获取方案列为月球探测任务的关键技术之一。月面原位水获取方案主要分为极区水冰勘探开采和月壤氢还原制水两种技术途径。现有勘探到的水冰资源主要位于月球极区，分布不均匀，开采难度大。目前人们提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方案，但实际效果有待月面原位试验验证。月壤加氢还原制水技术方案工作条件不受区域限制，应用范围较广，但仍存在反应条件要求高、能耗大等技术限制，未来需在节能和有效成分富集等方面有所突破。
随着深空探测活动的持续推进，月球探测将是人类开展行星际探测、拓展生存疆域的第一步。而月球原位资源利用将是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径。随着月面勘探技术和月面原位资源利用技术的不断进步，目前各航天大国都针对月面原位水获取技术开展持续研究，我国也将月面原位水获取方案列为月球探测任务的关键技术之一。月面原位水获取方案主要分为极区水冰勘探开采和月壤氢还原制水两种技术途径。现有勘探到的水冰资源主要位于月球极区，分布不均匀，开采难度大。目前人们提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方案，但实际效果有待月面原位试验验证。月壤加氢还原制水技术方案工作条件不受区域限制，应用范围较广，但仍存在反应条件要求高、能耗大等技术限制，未来需在节能和有效成分富集等方面有所突破。
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doi: 10.11728/cjss2022-0061
摘要:
为确保高温材料科学实验柜科学实验系统能够成功地进行空间材料科学实验，在空间进行高温材料科学实验的时候要求其温度稳定在±0.25℃范围内，即温控稳定度小于万分之二。面对如此之高的温度稳定度要求，本文提出一个新的解决方案：在实验输入和输出数据的基础上，确定一个与高温炉内部等价模型，为获得满足实验要求的控制参数提供依据。本文将高温炉内部看作黑盒模型，基于XGBoost方法分别对四类样品实验的高温炉内部温区2和温区3进行建模，模型精确度全部可达到99.98%以上。与传递函数和状态空间法的传统建模方式相对比，在传统方法表现最好的情况下，模型精度仍提高了0.039，为精准控制高温炉温度提供了重要支持。
为确保高温材料科学实验柜科学实验系统能够成功地进行空间材料科学实验，在空间进行高温材料科学实验的时候要求其温度稳定在±0.25℃范围内，即温控稳定度小于万分之二。面对如此之高的温度稳定度要求，本文提出一个新的解决方案：在实验输入和输出数据的基础上，确定一个与高温炉内部等价模型，为获得满足实验要求的控制参数提供依据。本文将高温炉内部看作黑盒模型，基于XGBoost方法分别对四类样品实验的高温炉内部温区2和温区3进行建模，模型精确度全部可达到99.98%以上。与传递函数和状态空间法的传统建模方式相对比，在传统方法表现最好的情况下，模型精度仍提高了0.039，为精准控制高温炉温度提供了重要支持。
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doi: 10.11728/cjss2023-0003
摘要:
研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础。与常重力和低重力环境不同，微重力下Marangoni效应变得突出。为了求解气泡脱离半径，首先，建立了包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、粘性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型。然后，针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题，依托数值仿真方法，拟合得到了更精确的修正因子计算公式，进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围。最后使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3MPa下的饱和液氧物性参数，计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系。结果表明，气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分。微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡，而低重力区内只能形成0.1毫米级的小气泡。相比于之前的模型，本文的模型可以同时适用于三个区，更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性，可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑。
研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础。与常重力和低重力环境不同，微重力下Marangoni效应变得突出。为了求解气泡脱离半径，首先，建立了包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、粘性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型。然后，针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题，依托数值仿真方法，拟合得到了更精确的修正因子计算公式，进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围。最后使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3MPa下的饱和液氧物性参数，计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系。结果表明，气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分。微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡，而低重力区内只能形成0.1毫米级的小气泡。相比于之前的模型，本文的模型可以同时适用于三个区，更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性，可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑。
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doi: 10.11728/cjss2022-0057
摘要:
由于卫星受到复杂空间环境以及卫星自身的影响，在轨异常和故障时有发生。地面系统通过卫星遥测参数序列预测未来航天器性能的变化趋势，对保障卫星的安全运行非常必要。针对卫星遥测参数序列具有趋势性和局部波动性以及易受到相关环境因素影响的特点，本文提出了基于改进LSTM-Attention 的预测模型，使用全局模型和局部模型分别获取遥测参数序列的趋势成分和局部波动成分，且利用对预测目标序列有影响的协变量使模型学习到更多的序列信息，提高了预测精度。此模型既可以对遥测参数序列提供点预测，又可以提供区间预测的结果。采用科学卫星真实遥测参数数据集和时间序列公开数据集进行实验验证，结果表明，该方法相比改进前算法取得了良好的效果。
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doi: 10.11728/cjss2022-0010
摘要:
超低轨道飞行器在军用、遥感、科学研究等领域有着广泛的应用需求，已经成为各国的热门研究领域。由于超低轨的特殊空间环境，从而需要面临和解决众多技术难点，主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文介绍了典型的超低轨飞行器任务，主要的大气模型及反演方法，超低轨飞行器气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法，气动防热材料及防热散热可变切换技术。本综述有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验论证，将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。
超低轨道飞行器在军用、遥感、科学研究等领域有着广泛的应用需求，已经成为各国的热门研究领域。由于超低轨的特殊空间环境，从而需要面临和解决众多技术难点，主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文介绍了典型的超低轨飞行器任务，主要的大气模型及反演方法，超低轨飞行器气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法，气动防热材料及防热散热可变切换技术。本综述有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验论证，将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。
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doi: 10.11728/cjss2022-0008
摘要:
天问一号是我国第一次实现地火转移行星际飞行的探测器，在长达6.5个月的行星际转移飞行期间，经历了4次中途修正及1次深空机动控制。本文对深空探测期间的动力学模型进行了分析，制定了转移飞行期间积分中心转换原则，需要在出地球影响球后，积分中心更换为日心；对行星星历表的使用进行了分析，确定了使用DE436历表进行计算对定轨影响最小，制定了一种基于逐日迭代定轨策略的精度评估方法。基于实测数据分析表明，火星探测器行星际转移段定轨位置误差优于2km，速度误差优于20mm/s(1σ)。
天问一号是我国第一次实现地火转移行星际飞行的探测器，在长达6.5个月的行星际转移飞行期间，经历了4次中途修正及1次深空机动控制。本文对深空探测期间的动力学模型进行了分析，制定了转移飞行期间积分中心转换原则，需要在出地球影响球后，积分中心更换为日心；对行星星历表的使用进行了分析，确定了使用DE436历表进行计算对定轨影响最小，制定了一种基于逐日迭代定轨策略的精度评估方法。基于实测数据分析表明，火星探测器行星际转移段定轨位置误差优于2km，速度误差优于20mm/s(1σ)。
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doi: 10.11728/cjss2022-0027
摘要:
X射线掩星是一种常见的天文现象，基于X射线掩星探测的大气密度反演新技术通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演，是一种涉及学科交叉的新方法。本文在简要介绍X射线掩星探测应用需求的基础上，重点对基于X射线掩星反演大气密度新技术进行分析和论证，主要介绍了X射线掩星探测反演大气密度的国内外研究进展和研究方法，并对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论，最后对X射线掩星探测的应用场景进行展望。
X射线掩星是一种常见的天文现象，基于X射线掩星探测的大气密度反演新技术通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演，是一种涉及学科交叉的新方法。本文在简要介绍X射线掩星探测应用需求的基础上，重点对基于X射线掩星反演大气密度新技术进行分析和论证，主要介绍了X射线掩星探测反演大气密度的国内外研究进展和研究方法，并对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论，最后对X射线掩星探测的应用场景进行展望。
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doi: 10.11728/cjss2022-0064
摘要:
本文以增强太阳图像为例，探索了尺度不变特征变换算法、加速稳健特征算法、二进制鲁棒不变可伸缩关键点算法、快速特征点提取与描述算法这四种增强现实中典型的图像特征提取与匹配算法在空间天气领域的适用性。本文从匹配准确率、特征点丰富度和运行时间三个维度进行实验分析。实验表明四个算法中没有任何一个算法能够满足在运行时间少的同时保证较高准确率的要求，且无一算法适用于增强太阳图像的图像特征提取与匹配。为解决该问题，本文采用两帧法，将尺度不变特征变换算法的高准确率和快速特征点提取与描述算法的低运行时间相结合，提出了一个改进的方法。本文进一步将本文提出的方法与四个典型的图像特征提取与匹配算法应用于增强太阳图像中。最终应用实验的结果表明，本文提出的方法能够达到与尺度不变特征变换算法相近的识别率，且明显高于其他算法；本文提出的方法能够保持与快速特征点提取与描述算法相近的运行时间，且明显低于其他算法。
本文以增强太阳图像为例，探索了尺度不变特征变换算法、加速稳健特征算法、二进制鲁棒不变可伸缩关键点算法、快速特征点提取与描述算法这四种增强现实中典型的图像特征提取与匹配算法在空间天气领域的适用性。本文从匹配准确率、特征点丰富度和运行时间三个维度进行实验分析。实验表明四个算法中没有任何一个算法能够满足在运行时间少的同时保证较高准确率的要求，且无一算法适用于增强太阳图像的图像特征提取与匹配。为解决该问题，本文采用两帧法，将尺度不变特征变换算法的高准确率和快速特征点提取与描述算法的低运行时间相结合，提出了一个改进的方法。本文进一步将本文提出的方法与四个典型的图像特征提取与匹配算法应用于增强太阳图像中。最终应用实验的结果表明，本文提出的方法能够达到与尺度不变特征变换算法相近的识别率，且明显高于其他算法；本文提出的方法能够保持与快速特征点提取与描述算法相近的运行时间，且明显低于其他算法。
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doi: 10.11728/cjss2022-0040
摘要:
在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境，其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元的工作性能有重要影响。建立了微重力液氪贮箱CFD模型，采用VOF法及Lee气液相变理论，研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明：常重力g0下贮箱的压升率分别为10-4g0、10-5g0、10-6g0的1.843倍、1.98倍、2.04倍，微重力下温度分层程度（2-3K）远低于常重力（90K）；不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势，且初始液氪温度越低，贮箱压升率越小；微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率，当初始充满率Ф>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大，当Ф<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。
在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境，其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元的工作性能有重要影响。建立了微重力液氪贮箱CFD模型，采用VOF法及Lee气液相变理论，研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明：常重力g0下贮箱的压升率分别为10-4g0、10-5g0、10-6g0的1.843倍、1.98倍、2.04倍，微重力下温度分层程度（2-3K）远低于常重力（90K）；不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势，且初始液氪温度越低，贮箱压升率越小；微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率，当初始充满率Ф>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大，当Ф<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。
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doi: 10.11728/cjss2022-0054
摘要:
实时监测卫星状态、进行异常检测，有利于保障卫星安全稳定运行。聚类分析已在许多工程异常检测问题中证明有效，但聚类质量对参数高度敏感，目前还没有便捷的参数选择方法。为实现聚类参数的自适应选择，本文将参数调整视为一个单目标优化问题，并引入智能优化算法进行求解。据此，将基于层次的聚类算法 BIRCH 和改进的联合多算子进化算法 UMOEAs-II 结合，提出了 UMOEAsII_BIRCH 算法。在某空间科学卫星真实数据的基础上，模拟含有点异常的遥测数据，经预处理后用于异常检测效果测试。选取传统聚类算法 K-Means , MeanShift , OPTICS , DBSCAN , BIRCH 和本文提出的算法进行实验，对比异常检测的精确率、召回率、F1-score 和假阳率。结果证明 UMOEAsII_BIRCH 算法异常检测效果优于其它算法，F1-score 可达到 0.861017 。同时，对比网格搜索，提出的算法需要较少的人工干预，实现了最优聚类参数的自动选择，符合改进预期。
实时监测卫星状态、进行异常检测，有利于保障卫星安全稳定运行。聚类分析已在许多工程异常检测问题中证明有效，但聚类质量对参数高度敏感，目前还没有便捷的参数选择方法。为实现聚类参数的自适应选择，本文将参数调整视为一个单目标优化问题，并引入智能优化算法进行求解。据此，将基于层次的聚类算法 BIRCH 和改进的联合多算子进化算法 UMOEAs-II 结合，提出了 UMOEAsII_BIRCH 算法。在某空间科学卫星真实数据的基础上，模拟含有点异常的遥测数据，经预处理后用于异常检测效果测试。选取传统聚类算法 K-Means , MeanShift , OPTICS , DBSCAN , BIRCH 和本文提出的算法进行实验，对比异常检测的精确率、召回率、F1-score 和假阳率。结果证明 UMOEAsII_BIRCH 算法异常检测效果优于其它算法，F1-score 可达到 0.861017 。同时，对比网格搜索，提出的算法需要较少的人工干预，实现了最优聚类参数的自动选择，符合改进预期。
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doi: 10.11728/cjss2022-0026
摘要:
本文以我国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造出三种观测量，全面分析了其在探测器定轨中的贡献。首先建立了小行星探测器动力学模型，根据小行星及探测器相对位置确定了观测纲要，在此基础上再进行仿真观测。定轨实验结果表明：观测时长为100小时，探测器三轴位置误差小于50km，可满足工程上对巡航段轨道精度要求，但X和Y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。同时，还发现单一观测类型数据比联合观测量的定轨精度低3~4个量级，第三类观测值相对于其它两类观测量在定轨精度方面有显著贡献，这表明在2016HO3任务中利用太阳系大天体的位置信息更有助于约束探测器轨道。本文将为我国未来小行星探测任务提供一定参考。
本文以我国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造出三种观测量，全面分析了其在探测器定轨中的贡献。首先建立了小行星探测器动力学模型，根据小行星及探测器相对位置确定了观测纲要，在此基础上再进行仿真观测。定轨实验结果表明：观测时长为100小时，探测器三轴位置误差小于50km，可满足工程上对巡航段轨道精度要求，但X和Y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。同时，还发现单一观测类型数据比联合观测量的定轨精度低3~4个量级，第三类观测值相对于其它两类观测量在定轨精度方面有显著贡献，这表明在2016HO3任务中利用太阳系大天体的位置信息更有助于约束探测器轨道。本文将为我国未来小行星探测任务提供一定参考。
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doi: 10.11728/cjss2022-0014
摘要:
目标区域多维特征的建模表征是实现目标跟踪搜索的前提。传统的特征提取先连通出目标区域，再计算目标特征，实时性不强。提出了一种基于像素连通域标记及目标特征同步计算的方法，目标区域连通完成即可输出目标特征。该方法建立了特征传递机制，在扫描图像时同步建立标号表、标号映射表与特征属性表，利用标号映射表关联了标号表与特征属性表。区域邻接时进行标号合并和特征属性同步传递计算，保证了目标特征提取的实时性。给出一种基于FPGA硬件设计的实现方案。仿真测试结果显示，此方法具有几项突出的特点：连通域标记耗时接近理论最小值；利用循环缓存区存储图像，资源消耗小；标记与计算并行流水处理，提升检测跟踪效率；多目标特征经测试验证结果准确，可有效支持后续的目标跟踪检测；具有理论与实用价值。
目标区域多维特征的建模表征是实现目标跟踪搜索的前提。传统的特征提取先连通出目标区域，再计算目标特征，实时性不强。提出了一种基于像素连通域标记及目标特征同步计算的方法，目标区域连通完成即可输出目标特征。该方法建立了特征传递机制，在扫描图像时同步建立标号表、标号映射表与特征属性表，利用标号映射表关联了标号表与特征属性表。区域邻接时进行标号合并和特征属性同步传递计算，保证了目标特征提取的实时性。给出一种基于FPGA硬件设计的实现方案。仿真测试结果显示，此方法具有几项突出的特点：连通域标记耗时接近理论最小值；利用循环缓存区存储图像，资源消耗小；标记与计算并行流水处理，提升检测跟踪效率；多目标特征经测试验证结果准确，可有效支持后续的目标跟踪检测；具有理论与实用价值。
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doi: 10.11728/cjss2022-0039
摘要:
星基增强是支持民航航路运行和终端区运行的重要手段，为验证北斗星基增强系统（BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS）是否符合国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）空间信号性能要求，对其进行评估分析。本文以实际广播星历、精密星历和BDSBAS增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差(Signal in Space Range Error，SISRE)和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标,评估分析了BDSBAS的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差、卫星钟差和空间信号测距误差相比增强前均有改善；BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；电离层延迟播发间隔达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°到15°N范围内误差较大，可信度较差，在20°N-55°N范围内误差较小，可信度较好。
星基增强是支持民航航路运行和终端区运行的重要手段，为验证北斗星基增强系统（BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS）是否符合国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）空间信号性能要求，对其进行评估分析。本文以实际广播星历、精密星历和BDSBAS增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差(Signal in Space Range Error，SISRE)和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标,评估分析了BDSBAS的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差、卫星钟差和空间信号测距误差相比增强前均有改善；BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；电离层延迟播发间隔达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°到15°N范围内误差较大，可信度较差，在20°N-55°N范围内误差较小，可信度较好。
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doi: 10.11728/cjss2022-0022
摘要:
受通信能力低、能源不足等限制，火星车有效载荷科学探测需提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。根据火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况，针对性设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合，解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务，设计的科学探测模式全部经过了在轨验证。结果表明这些模式设计合理、有效，满足安全、自主、高效地开展科学探测的需求。
受通信能力低、能源不足等限制，火星车有效载荷科学探测需提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。根据火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况，针对性设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合，解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务，设计的科学探测模式全部经过了在轨验证。结果表明这些模式设计合理、有效，满足安全、自主、高效地开展科学探测的需求。
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doi: 10.11728/cjss2022-0020
摘要:
Space environment simulation can produce several correlated variables at the same time. For space environment volume data with multi-correlated variables, based on HVQ-1d method we propose a further improved HVQ method by compositing variable-specific levels to reduce the redundant information among these variables. We further take advantage of progressive rendering based on GPU for real-time interactive visualization. The results of our experiments prove that the method proposed in this paper can pays the least cost of quality at compression and provides satisficed fidelity while ensuring interactive rendering speed in space environment domain. The proposed method can also be applied in other domains.
Space environment simulation can produce several correlated variables at the same time. For space environment volume data with multi-correlated variables, based on HVQ-1d method we propose a further improved HVQ method by compositing variable-specific levels to reduce the redundant information among these variables. We further take advantage of progressive rendering based on GPU for real-time interactive visualization. The results of our experiments prove that the method proposed in this paper can pays the least cost of quality at compression and provides satisficed fidelity while ensuring interactive rendering speed in space environment domain. The proposed method can also be applied in other domains.
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doi: 10.11728/cjss2022-0035
摘要:
本研究基于瑞利散射激光雷达对中层大气的回波光子信号，应用最优估计法，对大气温度廓线进行了反演。利用瑞利散射激光雷达方程构建正向模型，根据光电探测器的泊松计数特性来确定测量信号的协方差矩阵，选定大气模型的温度廓线作为先验状态信息，在此基础上确定成本函数，最后利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理。利用平均核矩阵来评估真实信息对反演结果的贡献占比，并对反演结果的不确定度进行了计算。结果证明，正向模型可以正确地描述瑞利散射激光雷达探测大气的真实物理过程。在回波光子信号信噪比高的区域，真实信息对反演结果占主要贡献，且垂直分辨率小。在90km以下的高度范围内反演温度的不确定度在0~10K之间。
本研究基于瑞利散射激光雷达对中层大气的回波光子信号，应用最优估计法，对大气温度廓线进行了反演。利用瑞利散射激光雷达方程构建正向模型，根据光电探测器的泊松计数特性来确定测量信号的协方差矩阵，选定大气模型的温度廓线作为先验状态信息，在此基础上确定成本函数，最后利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理。利用平均核矩阵来评估真实信息对反演结果的贡献占比，并对反演结果的不确定度进行了计算。结果证明，正向模型可以正确地描述瑞利散射激光雷达探测大气的真实物理过程。在回波光子信号信噪比高的区域，真实信息对反演结果占主要贡献，且垂直分辨率小。在90km以下的高度范围内反演温度的不确定度在0~10K之间。
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doi: 10.11728/cjss2022-0044
摘要:
随着我国遥感工程技术的高速发展，遥感图像数据的获取量剧增，图像背景的复杂度也日益提高，然而传统的遥感图像目标检测算法精确度低下且泛化能力较弱，对遥感图像处理的精确性逐渐难以满足要求，针对这一难题提出了一种基于宇航级FPGA的用于卷积神经网络前向推断加速的处理架构，并选用YOLOv5s网络模型作为基准算法进行处理架构的设计。由于YOLOv5s主体上是由大量的卷积层构成，因此该加速器架构设计的重心位于卷积层，在架构的设计上采用了输入通道和输出通道并行展开以及数据流水线控制的优化策略，有效提高了推理阶段的实时处理性能。实验结果表明，在使用该处理架构加速YOLOv5s的推理阶段时，卷积模块的工作频率可以达到200MHz，其运算性能高达394.4GOP/s，FPGA的功耗为14.662W, DSP计算矩阵的平均计算效率高达96.29%，说明在资源和功耗受限的星上平台中使用FPGA对卷积神经网络进行硬件加速具有显著的优势。
随着我国遥感工程技术的高速发展，遥感图像数据的获取量剧增，图像背景的复杂度也日益提高，然而传统的遥感图像目标检测算法精确度低下且泛化能力较弱，对遥感图像处理的精确性逐渐难以满足要求，针对这一难题提出了一种基于宇航级FPGA的用于卷积神经网络前向推断加速的处理架构，并选用YOLOv5s网络模型作为基准算法进行处理架构的设计。由于YOLOv5s主体上是由大量的卷积层构成，因此该加速器架构设计的重心位于卷积层，在架构的设计上采用了输入通道和输出通道并行展开以及数据流水线控制的优化策略，有效提高了推理阶段的实时处理性能。实验结果表明，在使用该处理架构加速YOLOv5s的推理阶段时，卷积模块的工作频率可以达到200MHz，其运算性能高达394.4GOP/s，FPGA的功耗为14.662W, DSP计算矩阵的平均计算效率高达96.29%，说明在资源和功耗受限的星上平台中使用FPGA对卷积神经网络进行硬件加速具有显著的优势。
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doi: 10.11728/cjss2022-0013
摘要:
先进天基太阳天文台卫星（简称ASO-S）是中国首颗综合性太阳观测任务，计划于2022年秋季发射。太阳硬X射线成像仪（简称HXI）是ASO-S卫星三大载荷之一，主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法，共计包含91个子准直器探测单元。作为空间科学仪器，在地面完成定标是必要的，HXI地面定标包含准直器调制功能定标与量能器探测单元定标，难点在于准直器的定标。本文重点介绍了HXI研制过程中为准直器地面定标所研制的X射线束流调制定标装置；随后利用该装置对HXI所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符，充分证明了准直器的优良性能，为其在轨正常工作和后期科学数据处理提供调制参数参考，试验结果也确证了X射线束流定标装置的优良性能。
先进天基太阳天文台卫星（简称ASO-S）是中国首颗综合性太阳观测任务，计划于2022年秋季发射。太阳硬X射线成像仪（简称HXI）是ASO-S卫星三大载荷之一，主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法，共计包含91个子准直器探测单元。作为空间科学仪器，在地面完成定标是必要的，HXI地面定标包含准直器调制功能定标与量能器探测单元定标，难点在于准直器的定标。本文重点介绍了HXI研制过程中为准直器地面定标所研制的X射线束流调制定标装置；随后利用该装置对HXI所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符，充分证明了准直器的优良性能，为其在轨正常工作和后期科学数据处理提供调制参数参考，试验结果也确证了X射线束流定标装置的优良性能。
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doi: 10.11728/cjss2022-0028
摘要:
本文利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，统计研究了在2018年3月至2019年11月期间两雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征，并进行了对比分析。研究比较了在地磁平静期（Kp<3）和地磁扰动期（Kp>3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45º-64º MLAT范围内普遍存在，其中55º-64º MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45º-54º MLAT的地区，除了秋季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。
本文利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，统计研究了在2018年3月至2019年11月期间两雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征，并进行了对比分析。研究比较了在地磁平静期（Kp<3）和地磁扰动期（Kp>3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45º-64º MLAT范围内普遍存在，其中55º-64º MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45º-54º MLAT的地区，除了秋季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。
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doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0018
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doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0017
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doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0011
2023, 43(2): 212-218.
doi: 10.11728/cjss2023.02.220219018
2023, 43(2): 241-250.
doi: 10.11728/cjss2023.02.2022-0066
2023, 43(2): 260-272.
doi: 10.11728/cjss2023.02.211108111
2023, 43(2): 302-309.
doi: 10.11728/cjss2023.02.211125124
2023, 43(2): 340-351.
doi: 10.11728/cjss2023.02.220310027
2023, 43(2): 369-380.
doi: 10.11728/cjss2023.02.220120008
