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2015年  第35卷  第6期

科学实验
An Introduction to Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere Coupling Small Satellite Constellation
LIU Yong, WANG Chi, XU Jiyao, LI Xiaoyu, CAI Jinrong, KONG Linggao, HUANG Jia, KLECKER Berndt, LEI Jiuhou, ZONG Qiugang, OCTAV Marghitu
2015, 35(6): 653-663. doi: 10.11728/cjss2015.06.653
摘要:
A future Chinese mission is introduced to study the coupling between magnetosphere, ionosphere and thermosphere, i.e. the Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere Coupling Small Satellite Constellation (MIT). The scientific objective of the mission is to focus on the outflow ions from the ionosphere to the magnetosphere. The constellation is planning to be composed of four small satellites; each small satellite has its own orbit and crosses the polar region at nearly the same time but at different altitude. The payloads onboard include particle detectors, electromagnetic payloads, auroral imagers and neutral atom imagers. With these payloads, the mission will be able to investigate acceleration mechanism of the upflow ions at different altitudes. Currently the orbits have been determined and prototypes of some have also been completed. Competition for next phase selection is scheduled in late 2015.
日球层物理和太阳系探测
两个临近脉冲型太阳能量电子事件的观测与拟合
胡仲旻
2015, 35(6): 664-672. doi: 10.11728/cjss2015.06.664
摘要:
WIND飞船在2010年11月15日观测到两个临近的脉冲型太阳能量电子事件, 这两个事件在1AU处呈现出不同类型的通量-时间曲线. 事件一的通量表现出快速上升及快速下降的特性; 事件二则表现为缓慢上升, 更缓慢下降, 事件二的持续时间是事件一的5~17倍. 以往的解释认为事 件二中的电子在行星际受到了更强的散射. 本文引入等腰三角形的释放函数并 求解电报方程, 利用得到的解对1AU处的观测进行拟合. 根据最佳拟合结果 反推两事件在太阳上的释放函数和在行星际传播的平均自由程, 发现造成两事 件在1AU处能谱和通量-时间曲线形状不同的原因是太阳上电子 加速过程的不同而非行星际散射. 结合SOHO卫星的白光观测, 发现两事件可能 与一个CME (日冕物质抛射)相关, 并进一步推测了这两个太阳电子事件可能 的加速图像.
Invariant Modulation of IMF Clock Angle on the Solar Wind Energy Input into the Magnetosphere
Han Jinpeng, Li Hui, Tang Binbin, Wang Chi
2015, 35(6): 673-678. doi: 10.11728/cjss2015.06.673
摘要:
By use of the global PPMLR Magnetohydrodynamics (MHD) model, a serial of quasisteady- state numerical simulations were conducted to examine the modulation property of the interplanetary magnetic field clock angle θ on the solar wind energy input into the magnetosphere. All the simulations can be divided into seven groups according to different criteria of solar wind conditions. For each group, 37 numerical examples are analyzed, with the clock angle varying from 0° to 360° with an interval of 10°, keeping the other solar wind parameters (such as the solar wind number density, velocity, and the magnetic field magnitude) unchanged. As expected, the solar wind energy input into the magnetosphere is modulated by the IMF clock angle. The axisymmetrical bell-shaped curve peaks at the clock angle of 180°. However, the modulation effect remains invariant with varying other solar wind conditions. The function form of such an invariant modulation is found to be sin(θ/2)2.70 + 0.25.
2006年12月13日太阳射电暴对GPS观测的影响
黄文耿, 阿尔察, 刘四清, 沈华, 陈艳红
2015, 35(6): 679-686. doi: 10.11728/cjss2015.06.679
摘要:
日地空间环境不仅影响航天器运行和安全, 也是导航、定位和通信等无线 电应用系统主要的误差源. 其中来自太阳L波段的射电暴被认为是全球导航卫星 系统(GNSS)稳定和性能的潜在威胁因素, 当L波段射电爆发达到一定阈值时, 将给用户带来不同程度的射电噪声干扰, 严重时会引起接收机失锁和定位服务 中断. 本文对2006年12月13日太阳射电暴对GPS造成的影响进行了研究, 利用太阳射电 观测数据、L波段闪烁观测数据和向阳面不同区域的GPS观测网数据, 分析 GPS观测对射电暴的响应. 结果表明, 此次事件对GPS观测产生了明显的影响, 射 电暴期间GPS发生幅度闪烁事件和明显失锁现象, 多个台站上空的多颗GPS 卫星 信号完全中断长达6min左右, 且多个台站上空锁定的卫星数目小于4颗, 使 得GPS定位完全失效. 相对而言, 射电暴期间日下点附近的GPS台站受到的影响 比远离日下点的大.
2012年3月9日中国某地球同步轨道卫星故障原因分析
田天, 吴耀平, 常峥, 李明, 马亮, 魏雅利, 朱国阳
2015, 35(6): 687-695. doi: 10.11728/cjss2015.06.687
摘要:
利用GOES-15, SDO, SOHO卫星以及国际地磁台网的地磁活动指数数据, 对中国 某颗地 球同步轨道卫星(以GEO-X代替)在2012年3月9日02:50UTC发生的异常原因进 行了研究, 分析故障发生期间的空间天气特点, 采用文献[8]提出的SEAES-GEO空 间环境引起地球同步轨道卫星异常的专家系统对卫星故障期间的内部充电危 险系数、单粒子效应危险系数以及表面充电危险系数进行定量计算和危险等 级划分. 结果表明, 在卫星故障时刻, 其内部充电危险系数小于3, 表面充电危险 系数约为0.0011, 表面充电和内部充电不是造成GEO-X故障的原因; 受故障期间 质子事件影响, 单粒子效应危险系数持续维持在1以上, GEO-X卫星故障时刻单 粒子效应危险系数ZSEE达到46.3, 正好处于单粒子效应危险等级的 红色阶段. 因此研究认为单粒子效应可能是造成本次卫星故障的主要原因.
风云elax-3A卫星TOU臭氧总量地基对比验证分析
刘利, 郑向东, 陈树, 王维和, 佘勇
2015, 35(6): 696-706. doi: 10.11728/cjss2015.06.696
摘要:
通过地基臭氧总量观测, 对风云三号(FY-3A)气象卫星TOU (2009年7月至2013 年12月)臭氧总量开展检验分析. 结果显示, TOU臭氧总量与地基测值之间的线 性相关系数达到0.95以上, 相对差别(RD)为(-0.16±4.3)%. 赤道地区 RD随地基测值的上升明显,太阳天顶角(SZA)为70° 以上时TOU臭氧总 量明显下降, 75°~85°有-4%~-10% 不等的降幅. 云量变化(0~100%)或云高变化(1~15km)对RD的影 响在±2%以内. RD随着吸收性气溶胶(AI为正值)有-2%~-5%的 变化, 在南半球中纬度地区明显. TOU与地基Dobson, Brewer及SAOZ光谱仪测值 的RD分别为(0.6±0.17)%, (0.05±0.2)%, (0.04±0.01)%. 当地基臭氧总量在200DU以下时, TOU值低于Dobson或SAOZ测值; 而在 430~500DU时, TOU 高于SAOZ 值2%~6%. TOU分别与Dobson, Brewer, SAOZ的RD对SZA (70°以下)、云量变化均不敏感, 但TOU分 别与Brewer, SAOZ的RD在云高5km以上时或随AI的增加均出现一定的趋 势特征.
中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验
黄聪, 余涛, 张效信, 王劲松, 吴谦, 李陶, 宗位国, 敦金平, 崔迎计
2015, 35(6): 707-714. doi: 10.11728/cjss2015.06.707
摘要:
介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s-1, 97km处 为1.3m·s-1, 250km处为4.1m·s-1, 测风数据 通过了可靠性检验.
空间探测技术
基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法
王文彬, 刘荣芳
2015, 35(6): 715-720. doi: 10.11728/cjss2015.06.715
摘要:
研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.
一种巡视器惯性/视觉组合导航新方法
徐勇志, 宁晓琳
2015, 35(6): 721-729. doi: 10.11728/cjss2015.06.721
摘要:
在以运动参数误差为状态量、视觉导航与惯导导航相对运动参数差为观测量 的传统惯性/视觉组合导航方法中, 为解决相对运动参数同时与前后两个时 刻状态相关的问题, 采用将前一时刻位置和姿态误差增广到状态量中的方法, 并且假设增广的状态量为常值, 导致状态模型中引入了较大的误差. 基于 真实位置、姿态建立观测量误差模型, 导致观测量同时与前后两个时刻的状 态相关. 本文以惯导误差方程为状态模型, 采用四元数差形式的相对运动 参数差作为观测量, 基于上一时刻组合导航位置、姿态估计值建立观测量误 差模型, 实现了状态的增广, 并使得量测信息仅与当前时刻的位置误差和平 台失准角相关, 克服了状态模型误差较大的问题. 月面仿真和地面模拟实验 均表明, 该方法能够达到较高的位置和姿态估计精度.
基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨
李晓杰, 黄勇, 郭睿, 朱凌凤, 苏冉冉, 吴杉
2015, 35(6): 730-737. doi: 10.11728/cjss2015.06.730
摘要:
北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.
挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制
张庆展, 靳永强, 康志宇, 肖余之
2015, 35(6): 738-745. doi: 10.11728/cjss2015.06.730
摘要:
针对挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制问题, 提出了一种期望姿态运动规 律解析模型和输出反馈自适应滑模控制律. 通过定义期望姿态坐标系, 将挠性航天器掠飞 观测目标时的姿态指向运动转化为坐标系旋转运动. 基于绝对轨道递推, 推导出 其掠飞观测目标时的期望姿态运动规律解析模型, 进而建立了挠性航天器观测目标时的相对姿态动力学模型. 在此动力学模型基础上, 考虑惯量不确定性、挠性 模态不可测和未知有界干扰, 基于Lyapunov稳定性原理设计了含有惯量自适应 律和挠性模态观测器的滑模控制律, 给出了全局渐近稳定性证明. 数值仿真结 果表明, 所建模型和设计控制律是有效的.
基于分层介质模型的HF雷达高度计火星回波仿真研究
徐曦煜, 刘和光, 杨双宝
2015, 35(6): 746-754. doi: 10.11728/cjss2015.06.746
摘要:
火星次表层中的水探测是当前深空探测领域中的热门问题之一. 高频(HF)雷达高度计具有较强的穿透能力, 且能同时实现距离和功率测量, 是火星次表层探测的重要手段. 介绍了高频雷达高度计系统的原理和设计, 通过分析高度计电磁脉冲与多层光滑介质之间的相互作用, 得出其回波功 率随时间变化的模型, 并考虑了表面粗糙度对表面回波功率的影响. 选用典型的火星分层介质模型, 对其介电常数特性和高度计回波波形 进行了仿真. 仿真结果表明, 采用高频雷达高度计系统可实现对火星次表 层介电特性垂直廓线的反演, 对火星中水的识别具有重要 作用.
A Satellite-borne Miniature Ion Mass Spectrometer for Space Plasma
Kong Linggao, Zhang Aibing, Zheng Xiangzhi, An Yaya, Wang Wenjing, Tian Zhen, Guan Yibing, Liu Chao, Ding Jianjing, Sun Yueqiang
2015, 35(6): 755-762. doi: 10.11728/cjss2015.06.755
摘要:
The miniature design technology is an important trend in space exploration. Mass spectrometer is used extensively in the space environment detection. The miniature ion mass spectrometer utilizes a 127° cylindrical electrostatic analyzer accompanied with a Time of Flight (TOF) unit based on ultrathin carbon foil to measure the energy spectra and composition of space plasma. The Time of Flight technique has been used broadly in space plasma measurement. A new type of miniature method for the ion mass spectrometer is introduced. The total mass of the instrument is 1.8 kg and the total power consumption is 2.0W. The calibration results show that the energy measurement range is 8.71~43550eV, the energy resolution is 1.86% and the ion mass from 1 amu (1 amu = 1.67 × 10-27 kg) to 58 amu can be resolved by the miniature mass spectrometer. The miniature ion mass spectrometer also has a potential to be increased in the field of view by an electrostatic deflecting system to extend its application in space plasma detection. The miniature ion mass spectrometer has been selected for pre-study of Chinese Strategic Priority Research Program on Space Science.
利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试研究
刘超, 关燚炳, 张爱兵, 孙越强, 梁金宝, 郑香脂, 丁建京, 孔令高, 田峥, 王文静
2015, 35(6): 763-768. doi: 10.11728/cjss2015.06.763
摘要:
研究讨论了一种利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试的方法. 设计的朗缪尔探针性能测试方法对外界因素要求较低,在常温常压的通常实 验室环境下即可进行,其测试结果可作为利用地面等离子体环境进行定标测试 前的初步性能验证. 通过实验室环境下的测试试验, 验证了该方法的有效性和 可行性.