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2024年  第44卷  第5期

发展战略
国外金星探测发展态势及战略规划解析
韩淋, 杨帆, 范唯唯, 王海名
2024, 44(5): 753-762. doi: 10.11728/cjss2024.05.2024-yg08
摘要:

当前, 欧洲以及美、俄、印等均部署了面向2030年左右的金星探测任务, 全球金星探测即将迎来新高潮. 本文系统梳理国外已发射和未来明确规划的金星探测任务, 对美国金星探测路线图进行系统研究, 分析金星探测的科学目标体系、平台任务类型、关键支撑技术体系及成熟度, 揭示国外金星探测任务特点及长期科学和技术战略谋划的新成果、新进展. 通过综合分析国际发展态势, 提出中国应把握时机尽快启动部署金星探测任务, 同时加强支持科学任务规划长期战略研究储备, 以期为中国金星任务研究和规划提供参考.

空间物理
融合电离层参数相似特征的f0F2参数深度学习预测方法
郑丹丹, 陈亮, 王俊江, 柳文
2024, 44(5): 763-771. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0110
摘要:
电离层临界频率f0F2参数是重要的电离层参数之一, 开展f0F2参数预测具有重要的研究意义和应用价值. 提出了一种融合f0F2参数变化特性的深度学习预测方法, 采用双向长短时记忆神经网络(BiLSTM)和电离层参数相似特征相结合的模型实现电离层临界频率f0F2参数提前24 h预测. 结果表明, BiLSTM结合电离层参数相似特征模型预测f0F2参数的平均相对误差在8%~10%. 对不同纬度的探测站的f0F2参数预测结果表明, 随着纬度降低, 预测难度和误差都会增大, 预测精度降低. 对地磁暴期间的f0F2参数预测结果分析发现, 地磁暴期间的预测效果会受到一定程度的干扰, 预测误差增大. 在地磁暴期间, 相比长短时记忆神经网络 (LSTM)模型和BiLSTM模型, BiLSTM结合电离层参数相似特征模型对于f0F2参数的预测效果更优.
基于QPSO-LSTM模型的电离层TEC预测
郭文韬, 孙希延, 纪元法, 贾茜子
2024, 44(5): 772-781. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143
摘要:
针对单一LSTM模型的电离层TEC短期预报存在参数调整和性能优化困难导致预测精度低的问题, 结合量子粒子群算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO)和LSTM模型, 通过量子粒子群算法自适应确定最优解, 优化LSTM模型的参数配置, 并利用该模型预测2014年和2018年共三个时段的低、中、高纬度提前5 d的电离层TEC, 对地磁活动的平静期和扰动期的电离层TEC预测精度进行实验分析. 结果表明, 经过QPSO优化的LSTM模型对TEC进行连续5 d预测时, 相对于单一LSTM模型, QPSO-LSTM模型在太阳活动低年均方根误差最多降低了0.34 TECU, 而相对精度最多提高了2.68%, 而在太阳活动高年, 低纬度地区均方根误差最多下降了0.68 TECU, 而相对精度在高纬度地区最多提高了2.36%. 从不同的角度对比分析发现, QPSO-LSTM模型的预测精度均优于单一LSTM模型.
基于银川电离层垂测仪电子浓度反演的一次强电离层暴观测
韩思佳, 梁珍珍, 郭伟, 王彩云, 方青钰, 李玲玲
2024, 44(5): 782-793. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0148
摘要:
根据银川电离层垂测仪的回波数据, 采用脉冲压缩技术, 使用Bernoulli映射序列对发射信号进行编码, 解决实际探测中回波信号混合强杂波干扰的问题, 从而获得高质量频高图. 为从图中提取电离层的关键信息, 将信号处理问题转换成计算机视觉中的语义分割任务, 构建原始频高图数据集, 并进行离散化和人工标注等预处理. 通过训练cGAN神经网络分析得到频高图中各层回波的特征参数, 达到分割不同描迹的目的. 采用改进式国际参考电离层底部反演模型和NeQuick顶部模型对垂测仪上空的电子浓度剖面进行反演, 根据张衡一号卫星的实测数据对顶部的计算结果进行修正. 通过将计算得到的总电子浓度与CDDIS公开的数据结果对比, 验证了垂测仪数据的准确性. 在此基础上, 结合高沙窝磁通门的地磁数据, 垂测仪于2023年4月23-24日的大地磁暴期间成功观测到电离层异常变化的全过程并给出了总电子浓度变化结果, 为探究中国西部电磁环境变化提供准确可靠的观测数据.
ICON/MIGHTI与TIMED/SABER探测温度数据的对比
牟宵, 闫召爱, 程旋, 陈志芳, 杨钧烽, 胡雄, 潘蔚琳
2024, 44(5): 794-805. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0094
摘要:
ICON卫星为临近空间环境特性研究、建模和预报提供了新数据. 通过对ICON/MIGHTI与TIMED/SABER在90~105 km高度探测温度数据的比较, 计算两者的年平均温度偏差和均方根误差, 同时分析月平均温度偏差在不同月份中随高度和纬度的分布情况, 为MIGHTI和SABER温度探测数据在临近空间大气建模和预报应用提供参考依据. 结果表明, MIGHTI和SABER的温度垂直廓线变化趋势基本吻合, 数值上有所差异. 在12°S-42°N范围内, MIGHTI探测温度与SABER相比, 在90~93 km时偏低, 偏差最大值约2.5 K, 在93~105 km偏高, 偏差的绝对值最大约10 K. 在不同季节, 白天的温度偏差通常高于夜晚. SABER和MIGHTI的月平均温度偏差随季节和纬度的变化显著, 夏季时的月平均温度偏差最大, 且温度的均方根误差最大.
深度聚类算法在SuperDARN雷达目标回波分类中的应用
孔星, 刘二小, 陈烽聚, 乔磊
2024, 44(5): 806-817. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0136
摘要:
SuperDARN雷达目标回波中通常包含多种类型散射的回波, 例如电离层不规则体回波、地面/海面散射回波、极区中层夏季回波以及流星余迹回波等. 利用SuperDARN采集的电离层回波制作的电离层对流图对于空间天气研究具有重要意义. SuperDARN接收到的电离层回波通常会与地面海面的散射回波混淆, 从而造成绘制的电离层对流图不准确, 因此对于SuperDARN目标回波进行聚类分析具有重要意义. 本文首次将基于自动编码器网络的图嵌入深度聚类算法应用于SuperDARN目标回波数据, 有效地对SuperDARN回波数据进行了分类. 此外, 还将该模型与传统算法和机器学习聚类算法进行了比较. 该模型在样本数据中的应用表明, 深度聚类算法能够捕捉到回波数据的深层结构特征, 提高了回波聚类的准确性.
空间地球科学
地球磁场微波遥感探测方法研究进展
王可昕, 王振占
2024, 44(5): 818-831. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0117
摘要:
地磁场是地球的重要物理场之一, 地磁学在地球与空间物理以及地质等领域具有极为重要的作用. 强便利性、低成本、广空间范围的磁场测量方法与高精度、多维度的地磁测量数据的获取, 是地磁学等领域科学与应用研究得以深入的重要依据. 为解决基于高精度磁强计的原位磁场测量方法在效率和探测范围等方面的局限, 遥感探测已经逐渐开始成为一个新的磁场探测研究领域. 本文基于微波辐射计遥感手段的地磁场遥感探测方法, 综合分析了地磁场微波遥感技术方法的基本原理、研究进展与应用现状, 并在此基础上讨论了其在探测能力等方面的需求、技术难点及未来的发展趋势, 进而对未来磁场遥感探测研究, 例如行星磁场遥感探测等提出了新的展望.
基于冷空观测单元的综合孔径微波辐射计幅度定标方法
仝星, 牛立杰, 韩东浩, 刘浩
2024, 44(5): 832-845. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0131
摘要:
微波辐射计通过定标获取目标准确的亮温, 是数据定量化应用的必要手段. 综合孔径微波辐射计由多个辐射计单元组成, 定标需求从单一接收机扩展至所有接收单元. 噪声注入是包括综合孔径微波辐射计在内的固定波束指向辐射计所常用的定标方法. 作为定标参考的噪声二极管在轨会受到温度影响发生短期波动, 并受器件老化影响发生长期漂移, 从而导致系统定标精度恶化. 针对上述问题, 提出一种基于冷空观测单元的综合孔径辐射计幅度定标方法. 通过设计专门的冷空观测辐射计通道, 对综合孔径辐射计的公共噪声源进行实时标定, 减小其噪声温度不确定性对综合孔径辐射计系统所有观测通道幅度定标的影响. 结合中国海洋盐度探测卫星主被动探测仪中K波段一维综合孔径辐射计的实际系统方案, 建立了辐射计系统模型及定标模型, 开展了数值仿真及样机定标实验验证. 仿真及实验结果验证了方法的有效性.
微重力与空间生命科学
变重力下低温液氮界面流动及温度分布
章敏, 刘秋生, 陶跃群, 何乃峰
2024, 44(5): 846-862. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0111
摘要:
为了研究残余重力加速度g对液氮贮箱自加压期间贮箱内流体的流动、相分布、温度分布以及压强分布的影响, 针对液氮贮箱, 采用流体体积(Volume-of-Fluid, VOF)方法数值模拟了不同g条件下液氮贮箱的自加压过程. 研究结果表明: 在大g情况下, 贮箱内压强沿g的方向逐渐增大, 贮箱内气枕的温度随贮箱壁面的持续漏热而不断升高, 且靠近壁面区域气体的温度最高, 靠近液体区域气体的温度最低; 随着g的减小, 贮箱内的液体更容易沿贮箱壁面爬升, 贮箱内流体温度差异性逐渐减小; 在小g情况下, 贮箱内流体流动稳定后会将气枕包裹于贮箱中部, 形成球形气泡, 贮箱内流体温度的差异性随时间先逐渐增大然后逐渐减小. 在零重力环境下, 贮箱壁面漏热(qw = 0.5 W·m–2)存在与否对贮箱内流体运动和相分布的影响均不显著, 并且在起始一段时间间隔$\Delta t_{\mathrm{f}} $ (0 ≤ $\Delta t_{\mathrm{f}} $ ≤ 40 s)内, 除贮箱壁面附近之外, qw存在与否对贮箱内流体温度分布的影响也不显著.
方柱微结构内气液界面振荡特性数值研究
王素龙, 杜王芳, 何发龙, 赵彦琳, 姚军, 赵建福
2024, 44(5): 863-872. doi: 10.11728/cjss2024.05.2024-0030
摘要:
重力突然下降引起的气液界面振荡和重构对空间流体管理具有重要影响. 考虑到贮箱壁面润湿特性在该问题中的重要作用, 借鉴传热强化领域方柱微结构表面设计思想, 提出一种利用方柱微结构壁面对液体振荡的衰减作用实现空间贮箱被动防晃的方法. 采用流体体积法(VOF)对一种方柱微结构形成的异形基本单元内气液界面振荡特性进行数值模拟, 分析自由液面随时间的变化特征, 并讨论系统振荡频率、阻尼特性等与能量耗散特性密切相关的参数变化规律. 研究发现, 初始液位主要影响液面振幅, 振幅随着初始液位高度的减小而增大, 但是液位过低时振荡过程会出现液面触底而加剧耗散; 接触角对振幅和阻尼比都有影响, 接触角增大, 振幅和阻尼比均有所减小.
空间辐射对肠道菌群及其代谢产物和多系统疾病的影响
吴竹君, 张昕, 庞玉笛, 邓玉林, 王志敏
2024, 44(5): 873-883. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0126
摘要:
维持肠道菌群的稳态对保障人体健康具有重要意义. 肠道菌群在调节机体功能方面发挥着关键作用, 例如消化、新陈代谢、免疫及认知等, 这些生理功能通常依赖于肠道菌群的多样性、菌群结构的稳定性与微生态的平衡性. 在空间环境中, 航天员会受到包括空间辐射在内的诸多特殊环境因素的影响. 空间辐射会造成肠道菌群失衡及其代谢产物变化, 使肠道屏障功能受损, 进一步引起肠道、心血管、脑及肺等多系统病理损伤. 本文分析了空间飞行或模拟空间辐射下肠道菌群稳态及其代谢产物的特征性变化, 以及辐射效应下肠道菌群与肠道损伤及其他多系统疾病之间的相互影响, 为研究空间辐射病理机制及辐射防护措施提供参考.
空间探测技术
空间核电源朗肯循环系统的研究进展
王洁炜, 刘凯旋, 杨夷, 吕征
2024, 44(5): 884-893. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0141
摘要:
空间核电源朗肯循环具有热电转换效率高、废热辐射面积小、功率变化灵活等特点, 是空间核反应堆电源领域的研究热点. 以空间核能朗肯循环的发展与研究现状为基础, 对空间核能朗肯循环的工质及选择标准和原则进行分析. 对不同功率等级的空间核能朗肯循环系统设计方案进行对比, 分析各个系统方案的反应堆设计、各回路工质选择、朗肯循环功率设计、关键部件设计等, 提出空间核电源朗肯循环的主要研究方向, 包括工质特性、朗肯循环关键部件、反应堆芯设计等, 而新型金属材料、高性能关键设备设计和地面集成方案等将是有待继续深入研究的关键技术问题. 分析结果可对中国未来空间核能朗肯循环的设计提供一定参考.
基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化
刘汉武, 李长军, 金小萍, 张华
2024, 44(5): 894-902. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087
摘要:
针对含非线性特性的空间站转位机构轻量化设计问题, 建立了考虑非线性特性的结构/机构拓扑优化分析方法, 通过模拟静力试验过程方法得到其力–位移曲线, 按照特定的原则提取出非线性结构的等效刚度, 得出转位机构捕获连接机构考虑非线性特性的分析结果与静刚度试验结果误差在10%以内, 满足工程实际应用需要, 说明了捕获连接机构非线性刚度分析方法的可行性. 采用变密度法(SIMP), 建立了含非线性特性的转位机构拓扑优化模型, 开展了空间站转位机构中间支架拓扑优化分析和减重设计, 结构减重24%. 分析结果表明, 转位机构满足刚度和强度要求, 实现了空间站转位机构轻量化设计的目标, 说明了该分析方法的有效性. 本研究建立的含局部非线性特性的拓扑优化分析方法为空间站转位机构轻量化设计提供了解决途径, 也为其他非线性结构机构拓扑优化提供了参考, 同时为中国空间站重点工程项目的建设提供了技术支撑.
基于分段寻优的轨道异常检测方法
曹纪峰, 杨晓华, 王荣兰, 喻圣贤, 罗冰显
2024, 44(5): 917-927. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122
摘要:
低轨巨型星座卫星的大量部署严重影响了低轨道卫星的运行安全, 及时发现其轨道异常意义重大. 以星链卫星星座为研究对象进行轨道异常检测,提出了一种基于轨道半长轴数据的改进轨道异常分析方法—分段寻优法. 该方法基于动态优化的思想, 通过对时间窗口内的半长轴数据进行随机分段, 根据每段数据的方差构造损失函数, 以总损失函数的数值大小为判别标准, 通过优化迭代方法得到使总损失函数最小的分段点分布, 得到的分段点即为检测出的异常点. 通过对大量不同数据的测试, 发现该方法对差分处理后的半长轴数据的异常检测效果最好. 利用2023年2月28日发射的星链卫星的TLE(Two-Line Element)数据和星历数据进行了实例验证, 结果证明该方法简单高效, 可以有效检测星座卫星的轨道异常.
基于模糊控制的深空探测器不确定姿态控制方法设计
杜宇, 金士博, 杨东来, 黄行蓉
2024, 44(5): 928-938. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0128
摘要:
在空间探测任务中, 探测器的姿态控制是保证各项任务完成的基础, 虽然探测器的着陆控制技术已日趋成熟, 但地外起飞阶段的姿态控制研究还相对较少. 本文设计了一种适用于深空探测器在外星不确定性环境下起飞时的模糊控制器, 通过对姿态角与角速度进行分档模糊化处理降低计算量; 建立将姿态角和角速度映射到输出力矩的模糊控制规则; 根据模糊规则输出的模糊量, 通过去模糊化得到控制器的开关状态输出, 实现对探测器姿态的快速有效控制. 利用数值仿真测试了控制器的控制效果, 以及在起飞初始姿态和发动机安装存在偏差时的鲁棒性, 在ADAMS环境下对探测器起飞过程进行物理仿真. 结果表明, 相比于经典PD控制方法在实际模型与理想模型有差别时导致的控制发散, 该控制器在参数不确定下具有更强的鲁棒性, 满足了深空探测器自主起飞时对姿态控制的需求.
空间机械臂操作子系统设计与实现
邱新安, 马动涛, 田立成, 胡玉茜, 吴志红, 曾政菻, 魏志明, 段福伟, 肖强, 马洪炯, 施维
2024, 44(5): 939-947. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0081
摘要:
空间机械臂作为中国空间站建设和在轨运营的重要平台, 具有自由度多、转动惯量大、操作精度高、模式多样等特点. 针对空间机械臂在轨任务特点, 建立了支持长期在轨、多模式工作的空间机械臂操作子系统. 该操作子系统由机械臂操作台、虚拟仿真平台、显示器等构成, 可满足多任务需求. 通过对操作子系统的架构、工作模式、技术特点的分析, 重点研究了操作子系统的多总线体系结构、多模态人机交互技术、力觉渲染算法, 并根据地面验证和在轨试验, 给出了空间机械臂操作子系统的验证情况. 结果表明, 空间机械臂操作子系统可有效模拟在轨任务, 准确完成对机械臂的控制与精细操作, 为支撑空间机械臂任务实施积累了经验和数据.
白昼红外星图星点提取方法
杨原, 勾万祥, 李崇辉, 佟帅, 张超, 张俊章
2024, 44(5): 948-956. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0123
摘要:
白昼红外星图具有高背景噪声、低信噪比、弱目标的特征, 采用传统单帧提取方法很难准确提取星点. 且由于星点为弱小目标, 对噪声极为敏感, 星点成像多为随机不规则图形, 采用单帧提取星点质心鲁棒性较差. 传统多帧叠加法虽能克服单帧提取星点质心鲁棒性较差的问题, 但对于高背景噪声红外星图, 叠加星图并不能明显提高信噪比, 星点提取成功率依然较低. 为此, 提出利用背景预测方法确定疑似星点位置, 并对边界进行膨胀, 然后利用膨胀后的边界进行单帧星图能量提取, 并将提取星图进行叠加形成高信噪比星图, 最后进行星点质心提取. 实验表明, 该方法星点提取正确率为99.5%, 较自适应阈值分割法和多帧叠加法分别提升84.2%和37.9%, 较背景预测法正确率提升14.5%. 同时该方法较自适应阈值分割法和背景预测法、多帧叠加法精度分别提升12.8%, 41.4%, 33.3%, 具有明显优势.
遥感卫星地面站天线遮挡预报模型及其应用
付伟龙, 石璐, 吴凤霞, 邓少华, 田妙苗, 马广彬
2024, 44(5): 957-964. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0134
摘要:
基于遥感卫星地面站业务运行中所遇到的实际问题和运行经验, 为降低因地面站天线周边遮挡物对低轨道空间科学卫星、陆地观测卫星等极轨卫星的空间通信任务所产生的影响, 以提高航天器和地面的有效通信时长和通信质量为目标, 将地面站天线作为基准, 对周边环境的遮挡进行建模分析. 建立遮挡模型空间几何关系, 模型选择推导“天线无遮挡最小仰角”的求解思路, 通过模型分析和推导得到了遮挡物的实体遮挡模型公式和大型天线遮挡模型公式. 通过模型验证, 将模型计算结果同实际遮挡采样信息对比, 结果表明遮挡模型和遮挡实际情况基本吻合, 模型计算结果准确度可达到99.67%. 以天线遮挡预报模型为信息支持, 将天线遮挡预报封装成服务, 在任务规划阶段调用天线遮挡预报的计算服务和相应任务规划策略, 以实现天线遮挡预报模型在地面站运行管理资源调度中的工程应用. 经试运行和应用统计结果表明, 某地面站的运行管理资源调度优化率达到56.07%.