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2012年  第32卷  第6期

日球层物理和太阳系探测
火星空间大尺度电流体系分布特征
刘童笛, 李磊, 张艺腾, 谢良海
2012, 32(6): 765-770. doi: 10.11728/cjss2012.06.765
摘要:
在MHD模型基础上, 对火星空间环境的电流分布进行了模拟. 结果表明, 火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流. 弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系, 电流密度在弓激波顶区域较大. 在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路, 在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.
太阳X射线耀斑特征参数预报方法研究
郭策, 薛炳森, 林兆祥
2012, 32(6): 771-777. doi: 10.11728/cjss2012.06.771
摘要:
太阳耀斑是重要的空间天气事件, 有关太阳耀斑参数的预报对于电离层突然骚扰(SID)影响的评估具有实用意义. 本文采用GOES-8卫星上第23太阳周软X射线通量的数据, 通过数值拟合的方法对X级耀斑强度的峰值以及X级耀斑的结束时间进行预测. 利用这种方法对第23太阳周中的X级耀斑进行分析, 最多可以提前17min预测出X级耀斑的峰值, 在预测X级耀斑结束时间时, 预测的X级耀斑结束时间最多可以提前60min左右, 从预报结果来看, 预报方法具有一定的有效性和实用性.
太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征
徐晓军, 魏奉思, 冯学尚
2012, 32(6): 778-784. doi: 10.11728/cjss2012.06.778
摘要:
利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.
2.5维自适应磁场重联MHD模式
张绍华, 冯学尚, 杨利平
2012, 32(6): 785-792. doi: 10.11728/cjss2012.06.785
摘要:
磁雷诺数(Rm)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中Rm往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中Rm通常大于104量级. 高Rm条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高Rm条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.
高速流前端磁场Bz分量的变化
盛程, 傅绥燕, 郑昊, 白曦, 杨彪, 王永福
2012, 32(6): 793-803. doi: 10.11728/cjss2012.06.793
摘要:
等离子体片高速流在磁层活动中起着重要作用, 其形成机制以及与背景等离子体的相互作用日益引起关注. 本文利用搭载于Cluster四颗卫星上的磁场和等离子体观测仪器, 对2001和2002两年发生在磁尾等离子体片中高速流事件期间的磁场变化进行了统计研究. 结果表明, 在高速流前端, 伴随着等离子体整体速度的增加, 绝大多数高速流前端磁场的Bz分量经常出现先短暂减小然后剧烈增大的现象, 符合以往利用Geotail卫星观测数据获得的统计特性. 然而个例研究发现Bz的下降与上升常常是不对称的, 且Bz分量下降的程度并不是总能达到反向的程度, 说明这种变化特征并不一定是存在磁结构的表现. 我们认为更多时候这种磁场的变化特征是高速流挤压背景等离子体磁场造成的, 是相互作用的结果. 当偶极化锋面形成后, 由类似间断面的磁场界面反射的热离子产生抗磁效应, 可能对Bz下降形成部分贡献, 而Bz增加则是高速流携带磁通量堆积的效果.
太阳周期活动对低高度内辐射带高能质子的影响
师立勤, 林瑞淋, 刘四清, 郑惠南
2012, 32(6): 804-811. doi: 10.11728/cjss2012.06.804
摘要:
利用NOAA-15卫星1998年到2011年近13年的高能质子全向通量观测资料, 分析了一个太阳活动周内, 低高度内辐射带高能质子通量的分布变化特性及其物理原因, 比较了观测结果与AP8模型的不同. 研究表明, 低高度内辐射带高能质子通量与太阳活动水平的反相关关系与磁壳参数L值及磁场B值有关; L值越低, B值越大的空间点, 其高能质子通量与太阳活动水平的反向相关性越明显. 高能质子通量随太阳活动水平的变化存在明显滞后现象, L值越高、 B值越小的空间点, 滞后现象就越明显, 滞后严重时可以达到一年左右的时间; 这种滞后现象反映出低高度内辐射带高能质子的源与损失达到平衡是一个中长期过程. 通过与AP8模型计算结果的比较分析可以看出, 利用AP8模型时, 仅考虑地磁场长期变化对质子通量的影响可能会夸大低高度内辐射带局部高能质子通量的增强.
磁暴对赤道地区L波段电离层闪烁的影响研究
杨升高, 方涵先, 李刚, 牛俊, 王凯
2012, 32(6): 812-817. doi: 10.11728/cjss2012.06.812
摘要:
利用赤道地区Vamimo站闪烁数据, 选取两次典型大磁暴时段重点分析, 对比磁暴发生前、发生时以及发生后连续几天电离层幅度闪烁强度和发生率的变化, 引入瑞利elax-elax泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor, R-T不稳定性)线性增长率γ0, 对磁暴影响闪烁的机制进行初步探讨. 结果表明, 磁暴可能触发闪烁发生, 也可能抑制闪烁发生, 这既与观测季节有关, 也与磁暴不同发展阶段的地方时有关. 触发发生于闪烁少发季节磁暴主相所在的午夜至黎明时段, 可能是磁层穿透电离层的东向电场所致; 抑制发生于闪烁多发季节磁暴恢复相所在的午夜前时段, 可能是西向电场作用的结果. 磁暴发生时的电场变化可能是抑制或触发闪烁的主导因素, 但仍需进一步分析研究.
大功率无线电波加热低电离层
汪四成, 方涵先, 杨升高, 翁利斌
2012, 32(6): 818-823. doi: 10.11728/cjss2012.06.818
摘要:
等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高, 进而导致电子密度和其他等离子体参数改变, 实现电离层的地面人工变态. 本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型, 分析了不同入射条件下电离层参数的变化, 主要结论如下: 电离层D区是电波的主要吸收区, 并且其吸收强度随入射频率的升高而降低, 当入射频率为6MHz (有效入射功率为200MW)时电子温度的最大增幅约为520K, 电子密度最大增幅为7300cm-3左右; 电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间, 前者具有μs量级, 后者具有ms量级; 停止加热后, 电子温度和密度迅速恢复到初始状态, 恢复时间均小于各自的饱和时间, 但量级相当; 入射功率越高, 电子温度和密度的增幅越大, 并且饱和时间也越长, 在相同入射条件下, 夜晚的饱和时间要大于白天.
2009年1月5日廊坊OH气辉观测图像的谱分析
涂翠, 胡雄
2012, 32(6): 824-828. doi: 10.11728/cjss2012.06.824
摘要:
2009年1月5日在中国河北省廊坊市韩村镇(39.4°N, 116.6°E) 进行了中国首次中间层顶大气重力波成像观测实验, 记录了近4h的OH气辉辐射数据, 给出了依据该数据计算所得的该时间段内廊坊韩村附近水平方向约185km范围内的中间层顶OH气辉扰动的谱分析结果. 所得到的传播方向确定的二维功率谱和角度谱揭示了该时间段内重力波活动的波长和传播方向分布特点, 表明波长下限较短, 西向传播分量明显大于东向分量.
2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化
李永平, 朱光武, 秦国泰
2012, 32(6): 829-833. doi: 10.11728/cjss2012.06.829
摘要:
在第23至第24太阳活动周的峰年之间, 太阳活动谷年具有持续时间长, 极低F10.7太阳辐射通量(低至65)和超长期的零太阳黑子数记录等特点, 因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会. 尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性. 本文利用高度650km以上星载大气密度探测器2007-2009年的连续探测数据进行分析, 结果表明, 在太阳辐射通量F10.7极低值期间, 较高热层大气密度对F10.7的起伏具有更显著的响应变化. 当F10.7由70降至65时, 日均大气密度会有4~5倍的显著降变, 远大于通常大气模式中的降变值. 同样在F10.7极低值期间, 较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变, 当日Kp指数之和由23增至30时, 较高热层大气密度则会有80%~160%的强增变.
空间探测技术
电离层综合探测器数据采集处理单元设计研究
刘巍, 曾立, 宋景星
2012, 32(6): 834-840. doi: 10.11728/cjss2012.06.834
摘要:
电离层综合探测器(CDI)是一种面向快速响应航天器平台、用于原位综合探测电离层等离子体及未完全电离中性气体的新概念空间环境探测仪器, 实现了对常规平板朗缪尔探针、阻滞势分析器和离子阱质量分析器的小型化、一体化设计与集成. 本文基于USB2.0接口和FPGA (Field-Programmable Gate Array)技术, 选用高集成度的COTS (Commercial-Off-The-Shelf)器件, 对CDI多通道数据采集处理单元的系统方案和硬件设计进行研究, 并对FPGA的逻辑资源利用情况和Fusion器件内部ADC采样以及FIFO (First Input First Output)读写时序进行了仿真和分析.
微重力环境中的气体质量流量控制器研究
李明, 于强, 翟光杰, 孙志斌
2012, 32(6): 841-845. doi: 10.11728/cjss2012.06.841
摘要:
提出了一种高可靠气体质量流量控制器设计. 介绍了该流量控制器的原理和结构. 通过比较不同的气体流量传感器和阀门, 选择了可满足空间科学实验设备可靠性要求的MEMS传感器和针阀. MEMS质量流量计的输出电压(代表实际气体流量), 经过减法电路放大和A/D采样之后, 与设定电压(代表设定的气流流量)进行比较, 差值信号输入给PID控制器, 由其输出步进电机的控制脉冲数和方向, 步进电机驱动器驱动电机调节流过针阀的气体流量, 使之与设定流量相等. 给出了利用该气体质量流量控制器控制氧气流量的实验结果. 该系统可实现流量的灵活调节, 并具备空间科学实验设备所要求的性能, 为未来在空间利用气体流量连续可调的质量流量控制计进行燃烧科学实验奠定了基础.
航天器内环境监测的无线传感器网络应用研究
周莉, 曹松, 安军社
2012, 32(6): 846-854. doi: 10.11728/cjss2012.06.846
摘要:
无线接口技术是航天器电子系统技术发展的前沿和热点之一, 具有广泛应用前景. 提出了用于监测航天器内部及其设备环境参数的无线传感器网络设计方案, 详细介绍了构建航天器内无线传感器网络的通信协议、网络架构、软硬件设计方法, 并给出一个将ZigBee Pro技术应用于航天器内的典型设计实例, 以TI公司最新的CC2530芯片和ZigBee协议栈Z-Stack为基础, 用于监测航天器内部及其设备的温度、湿度、电压、电流等参数. 实验证明, 本设计具有低功耗、 传输可靠、网络鲁棒性及组网灵活等优点.
飞轮扰动经验模型参数的识别与改进
朱敏, 张永合, 尹增山
2012, 32(6): 855-861. doi: 10.11728/cjss2012.06.855
摘要:
对飞轮扰动模型参数的精确识别是研究光学卫星高稳定度、高分辨率成像的基础. 目前, 飞轮的扰动模型识别主要有两种: 经验模型和分析模型. 经验模型需要识别的参数是谐波级数和幅值系数, 而当前存在的参数识别算法忽略了时域截断的影响, 导致幅值系数识别存在较大偏差, 这会引起扰动响应分析的不确定性. 针对上述情况, 提出了窗函数法和与其相关的频域恢复技术, 有效弥补了时域截断的影响. 通过实验仿真结果可见, 该方法大幅度提高了幅值系数的识别精度.
材料次级电子发射特性对表面充电影响的数值计算研究
张健, 谢爱根, 王玲, 王铁邦
2012, 32(6): 862-868. doi: 10.11728/cjss2012.06.862
摘要:
表面充电是最早被人们发现的空间环境效应, 是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一. 采用较精确的金属二次电子发射公式和局部电流平衡模型, 在无光照的情况下, 对不同表面材料及不同几何形体的航天器表面充电电位进行计算, 并绘制了表面材料的充电电位与最大二次电子发射系数之间的关系曲线. 根据数值计算结果及次级电子发射系数和曲线图得知, 航天器阴面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关. 该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值.
航天器用新型聚酰亚胺薄膜性能研究
王磊, 卿凤翎, 范含林
2012, 32(6): 869-873. doi: 10.11728/cjss2012.06.869
摘要:
原子氧是低地球轨道环境中对航天器影响较为严重的因素之一. 为了提高聚酰亚胺薄膜抗原子氧侵蚀的性能, 依据结构与性能的关系, 设计合成了新型的聚酰亚胺薄膜. 采用这种新型聚酰亚胺薄膜制备了二次表面镜, 利用地面模拟设备对热控涂层进行原子氧暴露试验, 结果表明其具有优异的耐原子氧侵蚀性能. 此外, 真空elax-elax紫外、真空elax-elax质子、真空elax-elax电子辐照等空间环境模拟试验表明, 这种耐原子氧聚酰亚胺薄膜二次表面镜热控涂层具有良好的空间稳定性.
基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究
李海林, 吴德伟
2012, 32(6): 874-880. doi: 10.11728/cjss2012.06.874
摘要:
针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题, 研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案. 论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理, 通过对高超声速临近空间飞行器受力分析, 建立了动力学方程; 利用矢量倒数法则推导出空间运动方程; 设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型, 采用卡尔曼滤波进行了仿真验证. 仿真结果表明, 基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.
Galileo卫星导航系统广播Nequick模型及其参数拟合
谢杰, 张博, 侯博, 姚志诚, 刘光斌
2012, 32(6): 881-886. doi: 10.11728/cjss2012.06.881
摘要:
提出了基于IGRF模型的Galileo广播Nequick模型及其参数拟合算法, 解决了Galileo信号仿真中地理场景映射与地磁坐标下的电离层延时修正参数拟合问题. 应用IGRF模型, 可计算出任意给定位置和时间点的地磁参数以及E层、 F1层、F2层的电子密度, 从而计算出Galileo电离层修正参数. 仿真结果表明, 该算法拟合的全球电离层延时与IGS提供的实际观测值基本一致, 仿真精度高于一般的经验电离层模型, 实现了Galileo卫星信号的电离层延时修正参数的精确仿真.
准惯性定向探测卫星GPS接收天线安装角度研究
吴会英, 陈宏宇
2012, 32(6): 887-892. doi: 10.11728/cjss2012.06.887
摘要:
研究了准惯性定向探测卫星GPS接收天线的安装角度问题. 根据卫星任务需求分析其姿态需求, 再由姿态需求对GPS接收天线的安装方式进行理论分析和仿真计算, 通过GDOP值优选了安装角度方案. 仿真结果表明, GPS接收天线的轴向在本体±y轴即轨道面法向或负法向方向附近.
星载可展开天线波束指向测试方法研究
王宏建, 张德海, 刘和光, 陈雪, 易敏, 刘广
2012, 32(6): 893-896. doi: 10.11728/cjss2012.06.893
摘要:
综合天线方向图测量和光学测量方法研究了天线远场测量和近场测量光学测试系统, 进而利用光学仪器测试了星载天线波束指向的两种测试方法. 望远镜结合天线远场测试系统能较准确地测试出天线波束指向. 同时, 提出了采用准直仪及波罗棱镜在天线平面近场测试系统测试波束指向的方法. 海洋二号卫星载荷校正辐射计观测天线波束指向的测试表明, 该方法是有效性和准确性的, 其可以推广至一般高增益天线测试.
空间冗余度机器人混沌自运动研究
葛新锋, 殷志锋
2012, 32(6): 897-902. doi: 10.11728/cjss2012.06.897
摘要:
建立了空间自由飘浮冗余度机器人的模型和运动学方程, 分析了其Jacobian矩阵, 得出相应的运动学逆解, 通过仿真验证了空间自由飘浮冗余度机器人自运动中存在混沌运动, 利用混沌分析的直接观察法、时间历程法、相图法和poincare映射法, 对一个空间3R刚性冗余度机器人, 采用PD控制器控制其末端执行器重复跟踪工作空间内一平面路径时连杆的自运动进行了研究. 结果表明, 该机器人的自运动存在混沌运动.