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2024年  第44卷  第2期

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近邻宜居行星巡天计划: 利用空间天体测量法寻找下一个“地球”
季江徽, 李海涛, 张俊波, 李东, 方亮, 王素, 邓雷, 陈果, 李飞, 董瑶, 李保权, 高晓东, 鲜浩
2024, 44(2): 193-214. doi: 10.11728/cjss2024.02.yg03
摘要(10677) HTML全文 (4318) PDF 5109KB(2652)
摘要:
近邻宜居行星巡天计划(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)采用空间微角秒级别的高精度天体测量技术, 普查太阳系近邻(10 pc内)约100颗FGK等类型恒星, 探测宜居带类地行星或超级地球; 详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息, 这将是国际上首次近邻宜居带类地行星的空间探测任务. CHES的有效载荷是一台口径为1.2 m, 视场为0.44°×0.44°, 焦距为36 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜, 采用同轴三反TMA光学成像系统. 为实现宜居带类地行星探测, CHES任务中的测量精度为1 μas, 是目前国际测量精度最高的空间探测项目. 在空间科学先导专项背景型号项目的支持下, CHES团队深入凝练和论证科学目标, 成功突破了三项关键技术难题: 实现了畸变大视场高像质空间望远镜光学系统技术的重要突破; 突破了10–5 pixel级别星间距测量技术; 实现了卫星系统高稳定度姿态控制精度及热控精度的创新. CHES预计发现50颗类地行星, 引领中国空间科学探测技术的跨越式发展.
综述
国际空间站舱外多载荷运行任务规划
单亚东, 张汉勋, 杜昌帅, 钟红恩
2024, 44(2): 215-227. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0047
摘要(650) HTML全文 (243) PDF 7871KB(120)
摘要:
空间站舱外载荷平台支持部署众多不同类型的载荷, 为开展大规模空间科学研究提供了机会. 但随着舱外载荷数量及相应任务量的不断增加, 且在受限于资源约束的情况下, 需要制定科学合理的任务规划, 以提高舱外载荷的工作效率. 针对舱外多载荷运行任务规划方法, 深入分析了国际空间站舱外载荷任务规划现状, 重点分析了其舱外载荷平台、载荷类型及特点和多载荷运行任务规划方法, 分析当前任务规划策略、方法及未来发展方向. 根据中国空间站舱外载荷平台特点, 从载荷总体设计和运行任务规划方法等方面为中国空间站后续舱外多载荷系统运行任务规划提供参考和建议.
深空探测自主运行的一种可信性技术体系
党炜, 骆军委, 郑作环, 敖亮, 李博, 李鹏, 熊盛阳, 许鹏程, 宋恒旭, 胡剑桥, 冯业为
2024, 44(2): 228-240. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0138
摘要(1651) HTML全文 (273) PDF 1245KB(161)
摘要:
未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征. 本文基于战略导向的体系化基础研究, 建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系. 分析研究了深空探测场景下的可靠性概念; 面向精确感知、最优计算、准确决策、快精准执行的目标要素, 提出了深空探测自主运行的可信性体系框架以及“需求－认知－工程”总体技术架构; 针对自主运行可信性的关键技术难点, 开展了可靠性导向的多物理场、强耦合白盒建模, 复杂网络故障传播机制分析, COTS元器件深空探测应用的高可靠保证, 以及“模型+数据+知识”一体的融合机制分析等研究. 对该技术体系的关键技术验证策略及其最小系统在卫星星座中的应用进行了验证, 结果表明, 所提出的技术体系具有较高的工程价值.
空间物理
太阳耀斑预报深度学习建模中样本不均衡研究
周俊, 佟继周, 李云龙, 方少峰
2024, 44(2): 241-250. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0028
摘要(545) HTML全文 (135) PDF 785KB(75)
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和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和X类耀斑的预报性能. 在SDO/HMI太阳磁图预报未来24 h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和X类耀斑预报的精确率分别有了53.10%和38.50%的提升, 同时在召回率上有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精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中.
基于BiLSTM-Attention的F10.7指数预测模型与中国自主数据集的应用
闫帅楠, 李雪宝, 董亮, 黄文耿, 王晶, 闫鹏朝, 娄恒瑞, 黄徐胜, 李哲, 郑艳芳
2024, 44(2): 251-261. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040
摘要(659) HTML全文 (233) PDF 2137KB(107)
摘要:
F10.7指数是太阳活动的重要指标, 准确预测F10.7指数有助于预防和缓解太阳活动对无线电通信、导航和卫星通信等领域的影响. 基于F10.7射电流量的特性, 在双向长短时记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory Network, BiLSTM)基础上融入注意力机制(Attention), 提出了一种基于BiLSTM-Attention的F10.7预报模型. 在加拿大DRAO数据集上其平均绝对误差(MAE)为5.38, 平均绝对百分比误差(MAPE)控制在5%以内, 相关系数(R)高达0.987, 与其他RNN模型相比拥有优越的预测性能. 针对中国廊坊L&S望远镜观测的F10.7数据集, 提出了一种转换平均校准(Conversion Average Calibration, CAC)方法进行数据预处理, 处理后的数据与DRAO数据集具有较高的相关性. 基于该数据集对比分析了RNN系列模型的预报效果, 实验结果表明, BiLSTM-Attention和BiLSTM两种模型在预测F10.7指数方面具有较好的优势, 表现出较好的预测性能和稳定性.
中间层臭氧的夜间变化特征及与太阳活动的相关性
柳丹, 吴止境, 杨钧烽, 程旋, 王建美, 张依鸣, 胡雄
2024, 44(2): 262-269. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0061
摘要(394) HTML全文 (111) PDF 1651KB(60)
摘要:
基于ENVISAT-1/GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)和TIMED/SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星的臭氧廓线数据结合模式HAMMONIA (Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere)对热带低纬度地区(20°S－20°N)中间层(60～110 km高度)夜间(20:00 LT－24:00 LT)臭氧的分布进行统计, 分析其与27天太阳周期的相关性. 观测与模式均表明中间层夜间臭氧在95 km达到峰值, 并在中间层上层存在半年振荡. 通过与相同时间段内的太阳辐射强迫Lyman-α数据对比发现, 中间层上层臭氧与太阳强迫作用可能是反相关, 中间层下层臭氧与太阳强迫作用可能呈正相关. 虽然观测结果与模型结果在臭氧随月份的时间和空间分布上有一定的相同特征, 但在臭氧峰值的数值上发现有较大的差异, 其中臭氧敏感性的振幅被模型低估.
行星科学
行星科学研究中热发射光谱的实验测量与定标方法
杨亚洲, MILLIKEN Ralph E, BRAMBLE Michael S, PATTERSON William R, 邹永廖, 刘洋
2024, 44(2): 270-286. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0116
摘要(680) HTML全文 (163) PDF 1862KB(92)
摘要:
准确的物质组成信息是解译行星体形成与演化历史的关键, 可见–近红外遥感光谱探测一直是获取行星表面成分的主要技术手段. 在热红外谱段光谱特征更为丰富, 因此随着探测技术的发展, 其在行星探测中得到越来越多的应用. 尤其是在目前已经实施与立项的国内外小行星探测任务中, 都将热发射光谱仪作为核心载荷之一. 为了更好地对将来获取的热发射光谱数据进行解译, 建立科学合理的数据处理与定标方案是必不可少的. 本文对用于行星科学研究的热发射光谱测量装置的设计、测量及数据处理方法进行了系统分析. 针对低温、真空条件下热发射测量过程中样品辐射信号与仪器辐射信号难以分离的问题, 提出并论证了基于傅里叶变换红外光谱仪原始测量信号–干涉图的数据处理方法. 该方法可以更为有效地分离出样品实际辐射信号, 从而获得更为准确的发射率光谱数据. 研究结果可为国内相关热发射测量装置的设计与搭建以及未来天问二号等探测数据的处理与科学解译提供参考.
近地小行星撞击事件处置规则与处置流程
洪宇, 陈永强, 蔡铤彬, 常笑, 徐良, 景红宝
2024, 44(2): 287-298. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0064
摘要(979) HTML全文 (318) PDF 993KB(55)
摘要:
针对中国近地小行星防御研究在处置规则、协同机制、运行流程等方面存在的不足, 为了应对小行星防御和灾害救援方面不断提升的需求, 提出一种小行星防御仿真推演策略. 根据国内外小行星防御发展现状, 分析了中国小行星防御方面存在的差距. 从机制建立和协同应急处置的角度出发, 分析了国内外小行星防御仿真推演情况. 基于国内外研究现状, 设计了一套小行星防御仿真推演方案, 提出了中国开展小行星防御演练的组织架构, 包括指导层、事件处置层和业务支撑层等三个层次, 为小行星防御演练提供基本的组织支撑; 给出了小行星撞击事件的应急响应机制和一般处置规则设想, 为事件的处置和组织架构中各层次运行提供了规则基础; 初步设计了演练场景, 对机制和规则进行了验证, 为近地小行星防御工作组织及实施提供了参考.
火星沉降H-ENA的分布与特性
张艺腾, 李磊, 谢良海, 苟晓晨, 冯永勇
2024, 44(2): 299-308. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0044
摘要(403) HTML全文 (90) PDF 2134KB(53)
摘要:
能量中性原子(Energetic Neutral Atom, ENA)是由能量离子与中性背景成分电荷交换产生. 火星的外逸层扩展范围远高于弓激波, 上游太阳风质子与其相互作用并转化为太阳风氢ENA(Hydrogen-ENA, H-ENA), 新生的H-ENA可直接进入低层大气, 成为新的物质与能量输运通道. 本文基于单流体多成分MHD模型与中性外逸层模型, 计算了火星200 km等高面沉降H-ENA通量的空间分布, 统计了多种太阳风条件下沉降H-ENA的粒子与能量沉降率, 分析影响因素. 结果表明, 在一定模拟条件下, 产生于弓激波上游的太阳风H-ENA, 呈cosZ分布(Z为天顶角), 受磁异常影响较小, 是沉降H-ENA的主要成分, 占ENA总沉降量的59%, 占能量沉降的81%; 产生于磁鞘的磁鞘H-ENA受磁异常阻碍影响较大, 在最强磁异常上方其沉降通量显著下降; 沉降H-ENA与上游太阳风的通量呈正比例关系; 2.1%～3.5%上游太阳风质子转化为太阳风H-ENA.
月面原位水资源获取技术与发展趋势
张鹏, 刘光辉, 刘欣, 张光, 郑海菠, 代巍, 王之, 牛冉, 薄正, 高铭
2024, 44(2): 309-317. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0006
摘要(898) HTML全文 (616) PDF 2686KB(169)
摘要:
随着深空探测活动的持续推进, 月球探测已成为开展行星际探测的重要部分. 月球原位资源利用是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径, 中国已将月面原位水获取方法列为月球探测的关键技术之一. 月面原位水获取方法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. 目前研究提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方法, 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法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矿物成分富集等方面有所突破.
空间地球科学
毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计
班磊, 何杰颖, 张升伟
2024, 44(2): 318-325. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053
摘要(323) HTML全文 (88) PDF 2877KB(48)
摘要:
平流层臭氧浓度对于地球气候变化和生态环境有着重要影响. 具有谱分析能力的高光谱毫米波辐射计是一种用来探测大气痕量气体的被动式微波遥感器, 能够有效探测大气臭氧垂直廓线, 在空间地球科学领域中具有十分重要的应用价值. 本文研制了一种探测平流层大气臭氧吸收谱线的新型高光谱毫米波臭氧辐射计系统, 该系统结构包括射频接收机和数字后端谱分析仪. 射频接收机部分采用超外差结构获取142.175 GHz±100 MHz带宽信号, 数字后端谱分析部分采用高性能模数转换器对输入模拟信号进行5×108 sample·s–1采样, 14 bit量化, 输入信号3 dB带宽200 MHz, 通过高性能现场可编程门阵列(FPGA)获取信号功率谱, 实现了探测通道数16384, 谱分辨率12.2 kHz. 根据辐射计系统关键模块的设计方案、器件选型和测试方法, 开展大气探测实验, 并将实验结果与大气辐射传输模拟软件(ARTS)仿真结果进行对比, 得出系统灵敏度及各项指标可以满足大气臭氧反演需求, 验证了系统设计的正确性, 满足平流层臭氧浓度监测、预警及其导致的气候变化研究的应用需求.
CFOSAT散射计海面后向散射系数误差及影响
董楹, 林文明
2024, 44(2): 326-334. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0144
摘要(319) HTML全文 (384) PDF 1705KB(54)
摘要:
仪器噪声(Kpc)和地球物理噪声(Kpg)是影响星载微波散射计后向散射系数(σ0)测量精度以及海面风场反演精度的关键因素. 针对中法海洋卫星(CFOSAT)散射计(CSCAT), 详细分析了Kpc和Kpg随海面风速、入射角、风单元网格分辨率以及离岸距离等因素变化的特征. 结果表明, 低风速条件下海面风场变异性较大, Kpg为σ0测量误差的主导因素, 而且风单元网格越大、海面风场的不均匀性越强, Kpg也就越大, 而在高风速条件下, 海面风场变异性较小, Kpc与Kpg贡献相当. 此外, σ0测量误差总体上随着离岸距离的减小而增大, 表明近海岸区域的Kpg为散射计观测不可忽略的影响因子. 研究结果揭示了星载微波散射计σ0测量误差的影响因素, 对CSCAT近海岸风场反演具有重要的指导意义.
微重力与空间生命科学
激光光热效应对双层流体热毛细对流主动调控机理研究
段文豪, 周小明, 陈启生
2024, 44(2): 335-345. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0036
摘要(261) HTML全文 (94) PDF 2864KB(29)
摘要:
热毛细对流不稳定性的主动调控是微重力流体力学和传热传质学领域的前沿问题, 为了实现双层流体热毛细对流不稳定性的有效控制, 提出利用激光光热效应对其不稳定性进行主动调控, 并模型化研究了激光光热效应参数(激光束位置、激光功率和光斑尺寸)对双层热毛细对流不稳定性的调控作用机理. 计算结果显示, 激光功率和光斑尺寸的调整能够显著改变双层流体热毛细对流的对流涡结构, 并减小温度波的振动幅度. 在一定工况下, 热源附近温度波动范围由0.7 K变为0.1 K, 变化显著; 随光斑尺寸增大, 温度振荡幅度先减小后增大. 激光位置的调整能够影响液层局部对流涡的位置, 进而改变激光位置两侧对流强度, 实现局部区域的振荡不稳定流动的控制, 通过光热效应参数的合理选择, 可以实现对双层流体热毛细对流的有效控制.
附有集中质量的飞艇囊体材料动力特性
程靖淞, 王生, 聂营, 宋林
2024, 44(2): 346-355. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0008
摘要(299) HTML全文 (124) PDF 1438KB(39)
摘要:
针对平流层飞艇刚柔一体大型复杂结构系统设计与分析, 开展了附有集中质量的飞艇囊体材料动力特性仿真分析研究, 将刚度大、质量相对集中的结构零部件简化为集中质量, 飞艇囊体简化为双向拉伸的十字形囊体材料试样, 分析预张力大小、集中质量的质量和尺寸对囊体材料试样的动力特性影响. 结果表明, 试样的固有频率随着预张力增大而增大, 随着集中质量的质量增大而减小, 随着集中质量与试样连接的边长增加而增大; 试样的基频与集中质量的高度无关, 但第2, 3阶频率随着集中质量的高度增加而减小. 研究结论为飞艇结构的总体设计与分析以及进一步开展附有集中质量的飞艇囊体材料动力试验提供了理论依据.
空间探测技术
天基分布式光学合成孔径技术
王小勇, 张家福, 李凌, 郭崇岭
2024, 44(2): 356-367. doi: 10.11728/cjss2024.02.yg06
摘要(692) HTML全文 (269) PDF 3532KB(101)
摘要:
宜居带行星探测研究是近年系外行星研究的热点领域之一, 探测太阳系附近的宜居行星对研究生命起源等具有重要意义, 成为系外行星探测的重要内容. 天基分布式合成孔径技术作为系外宜居行星探测的重要手段, 已经成为目前前沿光学技术研究的热点方向, 但是仍有诸多技术问题需解决. 本文从宜居行星搜寻计划的需求出发, 根据以迈克尔逊干涉成像为基础的天基分布式合成孔径系统技术原理, 介绍了国内外典型分布式合成孔径系统的技术发展, 重点分析了实现天基分布式干涉成像所需采用的控制系统和技术, 并阐述了解决高精度空间测距、高精度时间同步、多层级位相同步等关键问题的技术要点. 为未来大型柔性可重构空间望远系统的建造提供了参考.
极紫外光电效应电荷驱动仿真与试验验证
王子栋, 周斌
2024, 44(2): 368-378. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0038
摘要(391) HTML全文 (104) PDF 2769KB(70)
摘要:
惯性传感器中的检验质量是精密引力测量系统中的核心, 其表面会因为宇宙高能粒子持续注入而积累电荷, 在惯性传感器内部电磁场作用下产生杂散噪声, 影响精密引力测量结果. 根据光电效应原理, 用UV LED产生极紫外光照射惯性传感器的电极与检验质量表面, 并在电极间施加适当电场, 就可以在不引入外力作用且无接触条件下改变检验质量的电荷量. 本文基于平行板电容器的简化电极模型, 对极紫外电荷驱动过程进行了理论建模仿真. 在此基础上设计和构建了一套电荷驱动验证试验系统, 针对光功率、偏置电压对充放电速率的影响和交流电荷驱动进行试验. 试验证明电荷充放电速率与极紫外光功率成正比, 其量子产率随极板间电场强度变化. 最终可实现稳定控制检验质量电荷放电速率在0.31～0.76 pC⋅s–1, 检验质量电荷充电速率在–0.05～–0.17 pC⋅s–1. 分析提出的检验质量电荷充放电速率理论模型与地面试验结果一致, 可以有力支撑电荷管理控制系统的研制.
空间平台与分离式载荷一体化热控设计
吴自帅, 张赪栋, 雷智博, 翟载腾, 姚建
2024, 44(2): 379-385. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0041
摘要(480) HTML全文 (113) PDF 5936KB(57)
摘要:
随着航天探索需求发展, 对组合式航天器通过空间平台在轨完成释放,分离出有效载荷或舱段来实现更复杂功能的需求愈加迫切. 空间平台为分离前舱段或载荷提供服务保障. 在假设的空间平台和分离式载荷条件下, 提出一种空间平台与分离式载荷一体化热控设计, 进行热控方案设计, 并对载荷存储控温、载荷与平台互相影响、分离时平台温度变化进行热仿真, 同时开展初步热真空试验, 验证稳态工况下热设计的正确性, 并校正热模型以开展更多工况的分析. 通过热试验和仿真获得了该设计的温度特性和热量传递特性, 数据分析表明该设计合理有效, 验证了热耦合的载荷和平台进行独立热试验方法的可行性, 可为此类航天器热控制提供依据.

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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