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2021年  第41卷  第6期

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前沿动态
中国首颗太阳探测科学技术试验卫星羲和号成功发射
环球时报
2021, 41(6): 845-845.
摘要:
NEOWISE任务将延期运行至2023年6月
王海名
2021, 41(6): 845-845.
摘要:
NASA选定VIPER月球漫游车着陆点
韩淋
2021, 41(6): 846-846.
摘要:
ESA启动Moonlight月球卫星星座建设
韩淋
2021, 41(6): 846-846.
摘要:
中国成功发射可持续发展科学卫星
中国科学院
2021, 41(6): 846-846.
摘要:
20亿年前玄武岩进一步揭示月球演化奥秘
中国科学院
2021, 41(6): 847-847.
摘要:
发展战略
国际空间站安全委员会建议延长空间站运行期限
范唯唯
2021, 41(6): 848-848.
摘要:
NASA资助10项深空探测技术研发青年项目
王海名
2021, 41(6): 848-848.
摘要:
研究论文
第21~24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析
苗娟, 李志涛, 任廷领, 王昕
2021, 41(6): 849-857. doi: 10.11728/cjss2021.06.849
摘要:
对第21~24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计,结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比,耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974,0.997;太阳质子事件主要发生在峰年前后1~2年,约占总发生次数的80%,峰值通量大于10pfu (1 pfu=1 cm-2·sr-1·s-1)的质子事件中,84%伴有耀斑爆发,并且主要伴随M或X级耀斑,少量伴随C级耀斑,峰值通量大于1000pfu的质子事件中,98%伴随M或X级耀斑,并且以X级耀斑为主;第21,22,23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982,1991,2003年和2015年,分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年;72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期,24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.
Multi-case Study of Current Sheet Flapping Motions Induced by Non-adiabatic Ions
WEI Xinhua, CAI Chunlin
2021, 41(6): 858-868. doi: 10.11728/cjss2021.06.858
摘要:
In this paper, the y-component of magnetic field line curvature in the plasma sheet was analyzed, and two kinds of shear structures of the flapping current sheet were found, i.e. symmetric and antisymmetric. The alternating bending orientations of the guiding field are exactly corresponding to alternating north-south asymmetries of the bouncing ion population in the sheet center. Those alternating asymmetric plasma sources consequently induce the current sheet flapping motion as a driver. In addition, a substantial particle population with downward motion was observed in the center of a bifurcated current sheet. This population is identified as the quasi-adiabatic particles, and provides a net current opposite to the conventional cross-tail current.
连续磁活动对等离子体层演化的影响
提烁, 沈超, 陈涛, 纪勇, 贺晗, 徐荣栏, 黄娅
2021, 41(6): 869-880. doi: 10.11728/cjss2021.06.869
摘要:
利用嫦娥三号极紫外相机观测的2014年2月21日等离子体层极紫外对数图像,分析了一系列磁活动状态下等离子体层晨侧视角的演化.由等离子体层质子的相空间分布,模拟了2014年2月18—22日发生一系列磁暴事件时等离子体层在磁赤道面的演化.通过观测与模拟发现,等离子体层实际的填充速度大于模拟时等离子体层的填充速度.推测昏侧与日侧之间的羽结构对侧面视角下向阳侧等离子体层顶的位置会造成影响.模拟中等离子体层整体对磁暴的响应在3h内,大磁暴对等离子体层的影响时间较长,可以达到1~2天.连续的磁暴事件对等离子体层的影响有叠加的效果.等离子体层的回填比侵蚀需要更长的时间.
外加正交电磁场等离子体中电磁波透射特性
张洁, 赵善超, 张国栋
2021, 41(6): 881-886. doi: 10.11728/cjss2021.06.881
摘要:
在基于磁流体动力学和电磁波传播理论的基础上,针对航天飞行器再入过程中的黑障问题,提出了一种物理模型.利用数值分析方法,研究电磁窗周围的电子密度在不同的飞行器轴向距离下,随着飞行器法向距离增加呈现出的变化趋势;改变外加电场和磁场的交叉角度,分析不同角度下电磁窗周围电子密度的变化趋势;研究有外加正交电磁场的电子密度与无外加电磁场电子密度比值的变化趋势和电磁波衰减的变化趋势.结果表明:当外加正交电磁场时,接收天线周围的电子密度随飞行器法向距离的增加而不断减小,其与无外加电磁场时电子密度之比呈现不断下降的趋势;电磁波的衰减在不同飞行高度和外加磁场强度下,随着电磁波频率的增加而不断减小.这为减缓“黑障”问题提供了一种新的方法.
一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析
欧明, 吴家燕, 陈龙江, 甄卫民
2021, 41(6): 887-897. doi: 10.11728/cjss2021.06.887
摘要:
地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI (Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲—非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚—澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.
国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能
唐丝语, 周春红, 黄智, 袁洪
2021, 41(6): 898-904. doi: 10.11728/cjss2021.06.898
摘要:
电离层峰值高度HmF2是描述电离层形态的重要参数之一,国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据,用以提升HmF2的预测精度.本文利用太阳活动低年(2007—2010年)气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC HmF2的三维形态变化,对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果,同时分析了IRI-2016模型输出HmF2的性能.结果表明,IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果,而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比,IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高,但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.
基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化
张炳炎, 闫召爱, 郭文杰, 胡雄
2021, 41(6): 905-910. doi: 10.11728/cjss2021.06.905
摘要:
根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO2观测数据,分析CO2浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO2浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO2浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO2浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.
安第斯山上空平流层山地波统计特征的AIRS观测研究
黄丑月, 张绍东, 黄春明, 黄开明, 龚韵
2021, 41(6): 911-919. doi: 10.11728/cjss2021.06.911
摘要:
利用AIRS红外探测仪在2013—2018年的辐射测量数据,对安第斯山20km,27km,35km及41km高度的山地波进行个例研究和统计分析.观测结果表明安第斯山上空山地波主要发生在5—10月,月平均水平波长、垂直波长及动量通量均没有明显的年际变化.水平波长在5月和10月相比6—9月较小,垂直波长和动量通量5—7月逐渐升高,达到峰值后在8—10月逐渐下降.在20~41km范围内,水平波长从43.5~53.9km缓慢升高至89.3~176.8km,垂直波长从7.4~14.7km上升至7.4~29.7km,动量通量由376.0~801.3mPa显著下降至10.4~239.3mPa.总体而言,山地波在向上传播的过程中,水平波长缓慢增加,在逆风传播的情况下,受到背景风场影响垂直波长随高度升高而增大.动量通量随高度升高显著下降,说明安第斯山山地波向上传播的同时伴有强烈耗散,耗散的能量将储存在背景大气中,对高平流层甚至中间层产生重要影响.
A Novel Magnetic Configuration for Space Radiation Active Shielding
CAI Minghui, XU Liangliang, YANG Tao, HAN Jianwei
2021, 41(6): 920-927. doi: 10.11728/cjss2021.06.920
摘要:
Space radiation has been identified as the main health hazard to crews involved in manned Mars missions. Active shielding is more effective than passive shielding to the very energetic particles from cosmic rays. Particle motion in a magnetic field is studied based on the single-particle theory and Monte Carlo method. By comparing the shielding efficiency of different magnetic field configurations, a novel active magnetic shielding configuration with lower mass cost and power consumption is proposed for manned Mars missions. The new magnetic configuration can shield 92.8% of protons and 84.4% of alpha particles with E < 4 GeV·n-1, when considering the passive shielding contribution of 10.0 g·cm-2 Al Shielding, the required magnetic stiffness can be reduced from 27 Tm to 16 Tm. The detailed analysis of mass cost and power consumption shows that active shielding will be a promising means to protect crews from space radiation exposure in manned Mars missions.
基于线性回归近似替代模型的分布式卫星系统不确定性分析方法
高辰, 杨震, 牛文龙
2021, 41(6): 928-935. doi: 10.11728/cjss2021.06.928
摘要:
分布式卫星系统在空间科学领域具有广泛的应用前景,同时也对概念设计阶段的分析工作提出了更高的要求.在分布式卫星系统概念设计阶段,评价不确定性参数对于最终探测效能的影响有着重要的工程应用价值.传统的不确定性分析方法存在解析困难、数值模拟计算效率低且耦合关系表征不明确的缺点.本文结合概念设计阶段不确定性分析的特点和需求,提出一种线性回归近似替代模型,将不确定性参数对于探测效能影响的结果计算降维为一个线性组合系数的求解问题.利用一个空间多点探测物理场分界面任务作为典型事例进行仿真验证,结果表明,相比传统数值模拟方法,本文方法在计算效率上具有明显优势且对关键不确定性参数有一定识别作用.
基于模糊应力—强度模型的空间系绳碰撞可靠性
韩志晨, 李爱军, 王长青, 李显鹏
2021, 41(6): 936-944. doi: 10.11728/cjss2021.06.936
摘要:
空间系绳系统由于其特殊的组成结构日益受到关注,空间系绳的碰撞可靠性研究是系绳任务设计的重要一环.本文采用可靠性分析基本原理中的应力—强度模型,根据近地轨道的空间碎片通量和泊松分布方法,进行空间系绳在轨碰撞可靠性的研究分析.根据对空间系绳碰撞可靠性有影响的系绳结构因素,即单股系绳的直径、长度,双股系绳的绳间距、碰撞角等,对空间碎片撞击切割系绳后碰撞点处的系绳剩余截面进行建模,利用模糊应力—强度模型计算空间系绳在撞击后发生毁灭性碰撞的概率,进而根据泊松方法计算空间系绳在轨可靠性随时间的变化,通过仿真分析,对比不同结构空间系绳的有效在轨时间.
一种用于深空探测的Chirp变换频谱分析仪设计与实现
王业欢, 董晓龙, 朱迪, 刘梦伟, 宫俊杰
2021, 41(6): 945-953. doi: 10.11728/cjss2021.06.945
摘要:
根据深空探测对频谱分析仪抗辐射、高分辨率、低功耗的需求,研究一种基于Chirp变换的高分辨率频谱分析仪设计及其实现.利用中心频率为1GHz、带宽为400MHz、色散时间为10μs的声表面波滤波器,提出了一种模拟和数字相结合的高分辨率频谱分析仪设计方案,并搭建原理实验系统完成了实测验证,其分析带宽为400MHz,频率分辨率达到152kHz,功耗约为3.6W.分析了压缩线器件非理想特性对频率分辨率的影响,利用实测压缩线频率响应特性获得幅度和相位补偿曲线,对展宽线信号进行幅相失配补偿.仿真结果表明,该补偿方法可将频率分辨率提高至108kHz.
双星跟飞立体成像的构形保持控制
陈高杰, 常琳, 李静, 杨秀彬, 杨春雷, 黎艳博
2021, 41(6): 954-961. doi: 10.11728/cjss2021.06.954
摘要:
针对强干扰及输出饱和条件下微小双星立体成像的构形保持问题,提出一种基于观测器的抗干扰复合控制策略.根据立体成像双星跟飞运动机理,建立双星相对运动动力学模型;设计了一种自适应干扰观测器,可同时实现系统状态和干扰信息的在线估计,并采用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出观测器存在条件.采用极点配置方法改善观测器系统的动态性能,引入指数衰减因子提高控制器的收敛速度.考虑执行机构的输出饱和特性,提出一种加权PD+LQR反馈与干扰前馈补偿的复合控制策略,能够抑制未知干扰的影响,保证系统的动态和稳态性能,具备双星构形保持控制能力.仿真结果验证了所提算法的有效性.
基于空间分层组合设计的火箭落点实时计算模型
王强, 张维, 任臻臻, 龚建泽, 净宇航
2021, 41(6): 962-967. doi: 10.11728/cjss2021.06.962
摘要:
为保证航天发射任务航区安全,实现火箭落点的高精度实时快速计算,提出一种基于空间分层的数学模型,对落点计算几何模型与动力学模型进行组合设计.该模型将弹道空间分层为自由段和再入段,自由段采用地球扁率修正的落点计算几何椭圆模型,而再入段采用考虑了空气阻力的动力学模型,并加入地球摄动及旋转等因素的修正.经与实际落点数据对比验证,该模型实现了精度和效率的最佳融合,能够满足航天发射任务火箭落点高精度、快实时的计算要求.
基于小波变换熵值及高阶累积量联合的卫星信号调制识别算法
闫文康, 闫毅, 范亚楠, 姚秀娟, 高翔, 孙文
2021, 41(6): 968-975. doi: 10.11728/cjss2021.06.968
摘要:
调制识别是信号检测与解调的关键环节,针对卫星调制中采用的MAPSK,MQAM,MFSK,MPSK方式,提出了一种计算小波变换熵值并结合高阶累积量的联合调制识别算法.根据小波变换对时频信息敏感的特点,不同调制方式高阶累积量计算结果的区分性以及不同复杂度的调制信号熵值结果不同,分析了以上4类调制信号的计算结果,提出了基于小波变换熵值及高阶累积量联合的卫星信号调制识别算法.计算调制信号小波系数,据此计算熵值,实现对调制信号的类别划分,使用高阶累积量实现类别内的信号分类.经过仿真分析,可实现在8dB以上达到0.9识别率的效果,该方法对高阶(64阶调制)信号识别具有一定借鉴意义.
低轨星座短报文通信中的扩频信号二维快捕优化与实现
张军, 郑立荣, 林宝军, 沈苑, 龚文斌, 帅涛
2021, 41(6): 976-982. doi: 10.11728/cjss2021.06.976
摘要:
极弱信号、大多普勒动态变化条件下的接收机抗干扰、快速捕获同步技术是低轨卫星短报文数据通信的研究难点.本文首先分析了多普勒特性对低轨卫星扩频信号快捕的影响,讨论了现有各种捕获策略的优缺点.在此基础上提出双倍采样、补零的部分匹配滤波与快速傅里叶变换相结合的二维并行快速捕获优化设计方案,并进行了性能仿真分析,最后结合面向判决的同步技术,给出接收机原理样机捕获时间的实现结果.在给定前导码条件下,优化后的二维并行捕获平均时间为10ms,远低于常规扩频码并行捕获的秒量级捕获时间,可以较好地满足低轨卫星星座全球短报文数据突发通信及随遇接入需求.
小天体的多种尺寸颗粒样品收集容器流域的数值模拟
杜永刚, 闫春杰, 王春勇, 王琎
2021, 41(6): 983-987. doi: 10.11728/cjss2021.06.983
摘要:
采集小天体表面的样品并返回是当前小天体探测的核心目标之一,样品容器流域设计是氮气激励采样技术的关键.为了保证样品容器具备高效的收集性能,要求样品容器的流域设计能够对样品颗粒形成陷阱效应,并对样品颗粒进行有效的分级.旋风式样品收集容器方案利用旋风离心力和引导叶片的共同作用对样品颗粒进行收集和分级.为了验证这种方案在微重力环境下的性能和可行性,本文利用Fluent软件进行了流域的数值模拟.模拟结果表明:在确定容器的结构下,样品容器的最优氮气入口速度为0.6 m·s-1,容器在该速度下的样品收集效率达到99.7%.样品容器的流域具备很好的颗粒分级功能,对小于2mm的样品颗粒的捕获率超过了90%,其压力损失也在合理的范围之内.本文研究结果可为小天体采样任务提供借鉴.