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2018年  第38卷  第2期

前沿动态
中国首颗X射线卫星慧眼投入使用
李橙媛
2018, 38(2): 133-133.
摘要:
人工智能协助发现新的系外行星
王海名
2018, 38(2): 133-133.
摘要:
NASA整合太阳物理卫星任务数据研究地球磁层亚暴
范唯唯
2018, 38(2): 133-133.
摘要:
中卢将共建深空探测研究实验室
李橙媛
2018, 38(2): 134-134.
摘要:
NASA新前沿计划遴选出二项任务概念
韩淋
2018, 38(2): 134-134.
摘要:
ISS开展TSIS-1实验测量太阳辐照度
范唯唯
2018, 38(2): 135-135.
摘要:
CATS结束ISS科学任务
范唯唯
2018, 38(2): 135-135.
摘要:
空间中的基因-3实验成功在ISS鉴定空间微生物
王海名
2018, 38(2): 135-135.
摘要:
发展战略
美国《2017年国家安全战略》中的空间战略
范唯唯
2018, 38(2): 136-136.
摘要:
日本政府修订《宇宙基本计划》实施进度表
惠仲阳, 范唯唯
2018, 38(2): 137-137.
摘要:
政策研讨
中外科学家总结空间先导专项经验
倪思洁
2018, 38(2): 138-138.
摘要:
空间物理
空间科学任务及其特点综述
吴季
2018, 38(2): 139-146. doi: 10.11728/cjss2018.02.139
摘要:
人类进入太空以来已经发射了近1万个人造航天器,其中大约10%执行的是空间科学和探测任务.近年来中国经济快速发展,提供了更多的基础研究经费,经济转型也对创新驱动发展提出了更高需求,中国对空间科学的投入开始逐年增加.2015年以来先后成功发射了悟空号、实践十号、墨子号和慧眼号4颗科学卫星,天宫2号空间实验室也成功实施了一系列空间科学实验.重要科学发现和成果正在不断地产出.空间科学卫星任务(或称计划)与应用卫星从提出到评价都有很大不同,因此有必要对其所具有的特点进行分析,从而引导空间科学界从科学团队、技术团队到管理团队提高认识,确保未来的空间科学任务发挥最大效益,获得最大科学产出.
MMS星座对磁层顶磁通量绳内离子惯性尺度结构的观测
刘杨, 濮祖荫, 谢伦, 郭瑞龙, 王晓钢, 肖池阶, 史全岐, DUNLOP M, BOGDANOVA Y V, MOORE T E, RUSSELL C T, LINDQVIST P A, TORBERT R B, POLLOCK C, ZHAO Cong
2018, 38(2): 147-168. doi: 10.11728/cjss2018.02.147
摘要:
利用MMS观测数据,对磁层顶通量绳内离子惯性尺度(di)的结构进行分析研究.结果发现,许多不同尺度(约1di至数十di)的通量绳内都存在具有di尺度的电流 j m,其方向在磁层顶局地坐标系的-M方向,即与磁层顶查普曼-费拉罗电流同向,由电子在+M方向的运动( v em)携带.这些电流结构具有以下特征:磁鞘与磁层成分混合,磁场为开放形态;离子去磁化,电子与磁场冻结;N方向(即垂直于磁层顶电流片方向)的电场 E n显著增大,幅度达到约20mV·m-1,并伴有明显的尖峰状起伏,该增强和尖峰状起伏的电场对应于霍尔电场.分析表明,电流、电子与离子运动的偏离以及霍尔电场之间遵从广义欧姆定律,三者密切关联.进一步对磁层顶磁重联的探测数据进行分析发现,在很多重联区内也存在与通量绳内相似的结构,其尺度约为di量级,其中霍尔电场 E N、电流 j M和电子速度 v eM均与通量绳内对应物理量的方向相同且幅度相近.基于上述观测事实,采用经典FTE通量绳模型,对通量绳内电流、电子运动和霍尔电场的起源进行了初步探讨,认为其来源于磁层顶无碰撞磁重联区内的相应结构,并且后者在离子尺度通量绳的形成过程中起到重要作用.
通量传输事件相关的动力学磁场湍流观测研究
周招弟, 张辉, 倪彬彬, 张晓佳, 朱昌波, 付松
2018, 38(2): 169-177. doi: 10.11728/cjss2018.02.169
摘要:
THEMIS卫星观测到通量传输事件(FTE)的同时,也在磁层侧涡流区域观测到强磁场扰动现象.利用快速傅里叶变换分析磁场扰动频谱特征发现:大约在FTE的扰动频率(约0.1Hz)处,功率谱密度达到峰值;在质子回旋频率(约1Hz)至64Hz的频段内,功率谱密度随着频率的增大而减小,服从幂律分布P0 f-α.因此,可以认为这些磁场扰动为低纬边界层中的动力学磁场湍流.研究结果表明,当低纬边界层(Low Latitude Boundary Layer,LLBL)中卫星相对磁层顶或FTE的位置越来越远时,功率谱密度与功率谱斜率α(幂律指数)降低,但FTE所在的方位角或低纬磁层顶的磁地方时对幂律指数α和功率谱密度没有显著影响.这些观测特征表明移动的FTE是磁场湍流的源.磁层顶上的大规模扰动(如FTE)和相关的磁场湍流从动力学尺度揭示了磁鞘与磁层的类黏滞相互作用.然而低纬边界层中FTE磁层侧涡流形成所需的黏滞性是否可由磁场湍流来提供还需要验证.
卡尔曼滤波和自相关分析方法短期预报电离层f0F2的比较
周燚, 张援农, 姜春华, 赵正予, 刘静
2018, 38(2): 178-187. doi: 10.11728/cjss2018.02.178
摘要:
电离层参数f0F2的预报是电离层研究的一个重要方向.本文选取2011年北京、长春、青岛和苏州四个常规观测站的f0F2数据,分别采用卡尔曼滤波、自相关分析法和国际参考电离层模型(IRI)对f0F2实施短期预报(提前1h预报),并通过与实际观测数据的对比,对三种方法预报f0F2的性能进行了比较.研究结果表明,在磁平静时期,采用卡尔曼滤波方法进行f0F2预报的均方误差为0.532MHz,相对误差8.11%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.47MHz和14.58%;采用自相关分析方法进行f0F2预报的均方根误差为0.967MHz,相对误差11.46%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.035MHz和11.23%.比较结果说明二者对f0F2短期预报的精度相对于国际电离层参考模型均有大幅提升.对磁暴期间三种方法的预测性能做了进一步比较,试验结果表明卡尔曼滤波短期预报性能总体上优于自相关分析法,这为f0F2短期预报的方法选择提供了一定指导.
卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证
姚志刚, 洪军, 韩志刚, 赵增亮
2018, 38(2): 188-200. doi: 10.11728/cjss2018.02.188
摘要:
以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW(V3.5)初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.
CHAMP和GRACE-A/B反演大气密度数据评估分析
苗娟, 任廷领, 龚建村, 刘四清, 李志涛
2018, 38(2): 201-210. doi: 10.11728/cjss2018.02.201
摘要:
利用Colorado大学公开发布的2001-2008年CHAMP和GRACE-A/B三颗卫星加速度计反演的400km高度上的大气密度数据,以大气模式NLRMSISE-00为参考,分析反演数据与模式值的误差特点、产生误差的原因、密度的变化及合理性,并通过卫星轨道两行根数(TLE)的反演结果进行验证,主要结论如下.CHAMP密度值整体稍高于GRACE-A/B,CHAMP密度与模式值之间的误差整体小于GRACE-A/B,2007-2008年 GRACE-A/B与模式的相对误差变化起伏较大.2001年CHAMP与模式存在整体偏差,通过相似空间环境条件下的密度变化比对以及利用TLE的反演结果验证,确定2001年的CHAMP反演密度整体偏低.CHAMP及GRACE-A/B密度变化个例显示,卫星密度值会出现一些个性化特征,使用时应根据需求进行分析处理.研究结果可为合理应用该数据提供参考.
时间序列法在临近空间大气风场预报中的应用
刘涛, 肖存英, 胡雄, 涂翠, 杨钧烽, 徐轻尘
2018, 38(2): 211-220. doi: 10.11728/cjss2018.02.211
摘要:
受多种因素影响,临近空间大气环境要素复杂多变,预报难度很大.本文采用时间序列法中的自回归滑动平均(ARMA)模型对临近空间大气风场开展统计预报方法研究,基于廊坊(39.4°N,116.7°W)中频雷达在88km高度的大气纬向风数据开展预报试验.本次预报试验的样本数据为2015年9月24日至10月24日风场数据,利用过去7天数据对未来第8天风场数据进行预报.试验结果显示,ARMA模型对临近空间大气风场预报有一定的适用性.当风场变化规律性较强,即样本数据风场呈现出比较显著的24h周期性变化时,ARMA模型预报效果较好;当风场发生突变时,预报效果变差.与实测数据的对比结果表明,ARMA模型预报结果的误差在9~27m·s-1,预报效果优于同阶自回归(AR)模型,略优于高阶AR模型.
微重力科学
微重力池沸腾中的气泡行为实验研究
刘鹏, 吴克, 杜王芳, 赵建福, 李会雄, 李凯
2018, 38(2): 221-226. doi: 10.11728/cjss2018.02.221
摘要:
采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.
浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究
李丹, 王双峰
2018, 38(2): 227-233. doi: 10.11728/cjss2018.02.227
摘要:
对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测,分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰,较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响,使火焰发生转捩的临界Reynolds数(Recr)增大,即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时,Recr保持不变,转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡,振荡幅度随着伴流速度的增大而减小,继续增大伴流速度,火焰振荡的周期性最终消失,转而呈现随机性.实验还发现,喷嘴直径较大的扩散火焰的Recr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响,对此现象进行了解释.
天宫二号碲化锌晶体生长
陆液, 王仍, 杜云辰, 焦翠灵, 李向阳
2018, 38(2): 234-238. doi: 10.11728/cjss2018.02.234
摘要:
在天宫二号飞船综合材料实验炉六工位采用碲熔剂法生长了碲化锌晶体,生长时最高温度为800℃,以0.5mm·h-1的提拉速度向炉膛内部提拉生长晶体.飞行实验后,用相同实验参数在地面进行了对比实验.结果发现,空间样品尾部有一个非常大的橙色结晶区域(约10mm×6mm×2mm),而地面生长样品中碲化锌晶体尺寸仅为约3mm×3mm×1mm,空间生长的碲化锌晶粒尺寸明显优于地面.空间微重力环境下,由于毛细作用,空间样品的塞子处有Te和ZnTe的外延膜生成.而地面生长的锭条在塞子处只有零星点状气相生产物.因此微重力条件有利于碲化锌晶体材料的生长.
空间探测技术
月球车地球敏感器图像地心位置提取算法
蒲俊宇, 郑勇, 陈少杰, 李崇辉, 王鼎蔚, 何东汉
2018, 38(2): 239-248. doi: 10.11728/cjss2018.02.239
摘要:
地球是月球上可视半径最大的天体,且在天球上运动范围较小,不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时,利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一,直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律,提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法,采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选,并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明,本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心,外符合平均精度约为9.78"~16.68",在实验条件随机改变的情况下,地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".
基于伪距差分增强的分布式节点时间同步方法
欧阳晓凤, 吕大千, 曾芳玲
2018, 38(2): 249-254. doi: 10.11728/cjss2018.02.249
摘要:
传统时频同步方法维持分布式节点之间同步的精度较高,但并不适用于空间非接触节点的时频同步问题.本文提出一种基于伪距差分增强的时间同步方法,给出了系统原理和基本组成,运用总体最小二乘法解算分布式节点的先验钟差信息,并利用卡尔曼滤波构建了主从节点间的时间同步算法模型.仿真校验与结果分析显示,相比独立GPS授时同步,本文提出的系统同步算法能够提高空间分布式节点同步精度,在基线距离平均为25km的条件下,可将节点同步精度控制在亚纳秒量级.
鲲鹏elax-1B火箭头体分离后章动运动分析与仿真
高东, 崔峰, 韩鹏, 刘成, 卞春江
2018, 38(2): 255-260. doi: 10.11728/cjss2018.02.255
摘要:
2016年4月鲲鹏elax-1B探空火箭在海南儋州台站发射.箭头与箭体分离之后,瞬间进入大章动运动状态,超出预期设计的技术指标范围.基于这种运动现象,分析了鲲鹏elax-1B头体分离后箭头章动可能的产生原因,建立了稀薄大气下准刚体箭头的姿态动力学方程,并通过数字仿真方法模拟了箭头的章动运动.与实际飞行姿态进行对比,得出了导致章动发散的主要原因,为后续探空火箭的设计提供理论参考.
一种基于FPGA的图像自动增强算法与实现
范斌, 于起峰
2018, 38(2): 261-270. doi: 10.11728/cjss2018.02.261
摘要:
图像灰度分布不均匀是影响画质的重要因素,集中表现在对空间场景成像时,图像中存在大量过亮或过暗的区域.同时,算法的实时性和嵌入式平台的可实现性是设计实现空间应用载荷需要着重考虑的问题.针对上述问题,提出一种适合于FPGA实现的图像自动增强算法.算法以分段线性变换方法为基础,采用K均值聚类对视频图像的灰度直方图进行动态的区间划分;构建分段函数系数与直方图之间的定量关系,自动计算线性变换系数;采用高效的并行流水线结构设计,实现了基于FPGA的硬件处理系统.仿真和成像试验结果表明,该FPGA硬件系统实时性好,适应性强,针对不同的场景均取得较好的处理效果,具有广阔的应用前景.