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当期目录

2022年 第42卷  第5期

前沿动态
Gaia数据揭示太阳的过去和未来
2022, 42(5): 841-841.
摘要:
NASA公布Artemis-3载人登月任务候选着陆区
2022, 42(5): 841-841.
摘要:
美欧更新火星采样返回计划行动框架
2022, 42(5): 842-842.
摘要:
美航空航天安全咨询小组预警国际空间站过渡计划
2022, 42(5): 843-843.
摘要:
NASA揭示近几十年来南极冰层损失情况
2022, 42(5): 843-843.
摘要:
俄欧终止ExoMars项目合作
2022, 42(5): 843-843.
摘要:
发展战略
中国科学院征集空间科学(三期)卫星工程候选项目
2022, 42(5): 845-846.
摘要:
ESA发布“新世界”空间探索路线图
2022, 42(5): 846-848.
摘要:
综述
全球海表流场多尺度结构观测卫星计划
杜岩, 董晓龙, 蒋兴伟, 张玉红, 朱迪, 王闵杨, 吴炜, 王祥鹏, 赵章喆, 徐星欧, 唐世林, 经志友, 李毅能, 陈琨, 陈雯
2022, 42(5): 849-861. doi: 10.11728/cjss2022.05.2022-0047
摘要:
全球海表流场多尺度结构观测卫星计划(Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM)首次提出海表流场、海面风场和海浪谱(简称 “流–风–浪”)一体化探测的多普勒散射计(Doppler Scatterometer, DOPS)测量原理和系统体制。OSCOM采用Ka-Ku双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达,将实现超过1000 km观测刈幅、公里级分辨率的“流–风–浪”一体化卫星直接观测。OSCOM将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈,支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。未来,应用OSCOM海表流速观测的模式改进,将奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础,实现海洋和海气耦合模式的重大改进。通过与多源数据融合,OSCOM海流观测的应用将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大任务提供支撑。OSCOM科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义,有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。
空间物理
基于长短期记忆神经网络的太阳耀斑短期预报
何欣燃, 钟秋珍, 崔延美, 刘四清, 石育榕, 闫晓辉, 王子思禹
2022, 42(5): 862-872. doi: 10.11728/cjss2022.05.210315028
摘要:
提出了一个基于长短期记忆神经网络的耀斑预报模型,利用过去24 h太阳活动区的磁场变化时序构建样本,通过长短期记忆神经网络对磁场特征时序演化进行分析,预报未来48 h内是否发生≥M级别耀斑事件。使用的数据集为2010年5月到2017年5月所有活动区样本,选取了SDO/HMI SHARP的10个磁场特征参量。在建模过程中通过XGBoost方法选取权重、增益率和覆盖率均较高的6个特征参量作为输入参数。通过测试对比,模型的虚报率和准确率与传统机器学习模型相近,报准率和临界成功指数分别为0.7483和0.7402,优于传统机器学习模型。模型总体效果优于传统机器学习模型。
Prediction of Partial Ring Current Index Using LSTM Neural Network
2022, 42(5): 873-883. doi: 10.11728/cjss2022.05.210513061
摘要:
Simulation of ENA Imaging Measurements on a Geosynchronous Orbit
2022, 42(5): 884-890. doi: 10.11728/cjss2022.05.210414051
摘要:
动态地球磁层的时空剖分编码
王慈枫, 胡晓彦, 邹自明, 李云龙, 白曦
2022, 42(5): 891-900. doi: 10.11728/cjss2022.05.210825093
摘要:
动态地球磁层时空剖分模型借鉴了广泛应用于地学大数据的地球格网模型思想,实现了面向地球磁层的动态、非规则化物理空间的多层级剖分,且剖分格网形变稳定,可以实现一定范围内地球磁层时空特性的形式化。在此基础上,对剖分得到的时空格网进行编码表达,以便于计算机存储和处理,这是构建地球磁层大规模观测数据统一管理基础时空框架的另一个关键问题。由于地球磁层特殊的时空特性,经典、单一思路的地学编码方案较难完整地反映格网间的时空关系,因此难以支持格网间的基础时空关系计算。本文融合了整数坐标编码与Morton曲线编码的基本思路,实现了对漂移壳剖分格网的高效编码方案设计,完成了动态地球磁层的时空框架构建,从而为地磁数据的高效组织和处理奠定了基础。实验证明,本文提出的编码方案编码效率较高,且可以支持高效的相邻关系计算,为动态地球磁层多源、多层级、异构的大规模观测数据的组织与计算提供了一种解决方案。
基于多仪器观测的中国中纬区域MSTID长距离传播事件研究
罗吉, 徐寄遥, 吴坤, 袁伟, 王玮, 张佼佼
2022, 42(5): 901-912. doi: 10.11728/cjss2022.05.210722080
摘要:
电离层等离子体不规则结构通常会影响星地卫星的通信、导航及定位等,因此研究不规则体的结构特征和演化过程具有非常重要的科学意义和应用价值。中尺度电离层行进式扰动(MSTID)是一种常发于F层的电离层扰动,其演化过程十分复杂。本文利用伊春和兴隆台站全天空气辉成像仪、Swarm卫星、佳木斯高频雷达以及漠河和十三陵台站数字测高仪观测数据,对2018年10月17日夜间出现在中国东北区域上空的MSTID事件进行分析。该MSTID事件传播时间较长,在气辉观测中持续时间超过4 h(12:02-16:23 UT),其波长范围为176.3~322.5 km,波速范围为67.0~154.1 m·s–1。研究结果显示,该MSTID可能产生于较高的纬度,自东北向西南往中纬传播,依次经过伊春和兴隆台站的气辉观测区域。
基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究
郭商勇, 胡雄, 闫召爱, 程永强, 涂翠
2022, 42(5): 913-918. doi: 10.11728/cjss2022.05.210901096
摘要:
作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。
Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性
杨文凯, 杨钧烽, 郭文杰, 杨晓华, 夏仲飞, 张炳炎, 程旋, 胡雄
2022, 42(5): 919-926. doi: 10.11728/cjss2022.05.210906098
摘要:
大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012-2014年Aura的微波临边探测器(MLS)和TIMED的红外临边探测器(SABER)的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。
平流层飞艇总体设计的基础问题
于春锐, 乔凯, 刘东旭
2022, 42(5): 927-932. doi: 10.11728/cjss2022.05.211015106
摘要:
平流层飞艇是一种新型的长航时临近空间飞行器,具有驻空高度高、驻空时间长、承载能力大、使用效费比高等特点,在对地观测及通信中继等领域具有广泛应用前景。但是该飞行器系统十分复杂,技术与设计实现难度大,总体设计需要考虑的基础问题及解决方案尚不完全明晰。根据平流层大气风场、温度和压力的基础特征,考虑平流层环境对平流层飞艇总体设计的影响,根据空气动力学与热力学基本理论,分析平流层飞艇的显著特征及与常规低空飞艇的区别,研究这些基础问题对平流层飞艇总体设计的影响,为平流层飞艇技术发展提供建议和参考。
大气电场综合观测设备的设计
李磊, 苏建峰, 陈涛, 李文, 王诗涵, 提烁, 罗静, 孙海龙, 董伟, 吴伟
2022, 42(5): 933-940. doi: 10.11728/cjss2022.05.210824090
摘要:
大气电场反映了地球近地表大气对气象活动、太阳活动与地质活动的综合响应。实现大气电场与气象参数及地磁活动指数等参数的综合测量,对雷电活动、地质灾害和磁暴活动等的研究具有重要意义。 设计开发了一种大气电场综合观测设备,能够同时测量包含温度、相对湿度、风速和大气电场等多个参数,在大气电场探测原理的基础上给出了大气电场综合观测设备的详细设计和电场标定过程。 通过对该设备在北京市十三陵台站实测数据的分析,与中国科学院国家空间科学中心FAMEMS-DF02电场仪以及中国气象网发布的气象数据进行对比,结果表明各气象参数99%的时刻对应误差不超过±10%,平均误差不超过±3%,而电场数据的平均误差为±0.166 kV·m–1
微重力与材料科学
微重力对拟南芥长势影响的代谢网络流平衡分析
王芷涵, 阮耀, 张青叶, 张红雨
2022, 42(5): 941-951. doi: 10.11728/cjss2022.05.210714077
摘要:
微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。 随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分析方法对模式植物拟南芥不同组织的代谢网络进行分析,研究微重力对拟南芥生长发育的影响机制。通过比较空间与地面条件下拟南芥的生物质产量,发现空间条件下拟南芥黄化幼苗、幼苗、芽、根、下胚轴的生物量分别下降了33.00%,51.52%,6.89%,12.53%,11.70%,与空间环境下拟南芥的长势变化趋势一致。代谢通路富集分析发现,微重力使得拟南芥的碳固定等通路下调,而磷酸戊糖途径上调,初步解析了微重力对拟南芥生长发育的影响机制,也验证了流平衡方法用于微重力生物学效应研究中的可行性。
RBF神经网络在静电悬浮位置控制中的应用
陆潇晓, 刘晓珂, 李虎, 郑福, 孙志斌, 于强
2022, 42(5): 952-960. doi: 10.11728/cjss2022.05.210927103
摘要:
静电悬浮位置控制系统具有非线性、时变性的特点,传统的控制方法不能有效抑制扰动的影响。针对该问题提出了一种神经网络与PID相结合的RBF-PID控制策略。以球形样品为例分析其受力情况,推导出静电悬浮位置控制系统的机理模型。搭建基于RBF-PID控制器的静电悬浮位置控制系统,并根据仿真结果实时在线调整控制参数。仿真结果表明,当样品带电量从10–9 C突变至3×10–9 C时,RBF-PID控制器只需0.12 s即可使样品达到稳定状态。实验结果表明,当样品处于加热状态时,实时调整参数后系统的平均绝对误差为0.0416 mm,控制效果比传统PID控制策略提高了70%。所提出的控制方法辨识精度高,具有比传统PID方法更强的鲁棒性和稳定性。
空间探测技术
GNSS极化测量降雨正演模拟与实验对比
苏豆豆, 白伟华, 杜起飞, 孙越强, 谭广远
2022, 42(5): 961-972. doi: 10.11728/cjss2022.02.210409049
摘要:
研究证明,全球导航卫星系统(GNSS)极化无线电掩星(PRO)技术可以用于探测降雨。利用GPM DPR降雨率数据与PAZ卫星极化相移观测数据匹配,筛选出代表性降雨事件。通过选用TB等7种雨滴形状和MP等5种雨滴谱模型,采用T矩阵法对各事件进行正演,并分析PAZ极化相移的线性校正值、天线相位校正值与正演模拟值之间的关系。对比分析得出线性校正值、相位校正值与模拟值的相关系数分别为0.9994和0.9933,均方根差分别为0.3429和1.2765。模拟值与实测值之间高度相关,且更接近线性校正值。进一步的研究表明,模拟降雨率在1 mm·h–1以下的事件时,雨滴谱采用MP或JD分布,雨滴形状采用SC或PB的模拟精度更高;降雨率在1 mm·h–1以上的事件,雨滴谱采用MP或 SS分布,雨滴形状采用TB的模拟结果最优。
基于最小轨道交叉距离的小行星顺访探测目标预筛选方法
张佳文, 郑建华, 李明涛
2022, 42(5): 973-983. doi: 10.11728/cjss2022.05.210906097
摘要:
小行星探测有助于研究太阳系演化等重要科学问题,在深空探测任务转移途中实施小行星顺访探测可增加科学研究回报。直接通过轨道递推筛选小行星探测目标计算量大、效率低,针对该问题提出了基于最小轨道交叉距离的目标预筛选方法。在推导出适用于计算双曲线轨道的最小轨道交叉距离公式后,将此理论应用到小行星顺访探测目标筛选中。首先基于探测器与小行星轨道的形状、空间位置计算二者轨道在空间中的几何最近距离,预筛选出可能满足接近距离标准的小行星目标;然后基于轨道递推模型,筛选出真实最近距离小于可接近标准的目标小行星。仿真结果显示,基于最小轨道交叉距离的预筛选方法可有效减少计算量,降低计算时间,提高小行星顺访目标筛选的效率。
LEO空间碎片甚短弧角度数据初轨确定方法对比
雷祥旭, 夏胜夫, 杨洋, 王啸臻, 张郑元, 李振伟, 桑吉章
2022, 42(5): 984-990. doi: 10.11728/cjss2022.05.211026108
摘要:
光学观测是空间目标观测中最常见的一种观测方式。采用扫描模式工作时光学观测得到的观测弧段弧长通常很短,有时甚至不到被观测空间目标运行周期的1%,这样的角度数据被称为甚短弧角度数据。基于近圆LEO空间碎片地基实测场景,研究比较仅利用角度数据进行初始轨道确定常用方法的性能差异,分析观测弧长对不同初轨确定算法的定轨成功率和误差的影响,为初轨确定工作提供参考。对比分析了常用的几种方法,包括Laplace方法、Gauss方法、Gooding方法和近几年提出的距离搜索算法等。大规模实测数据处理结果显示,距离搜索算法的成功率高于90%,初轨半长轴统计误差仅为25 km。初轨结果表明,距离搜索算法定轨成功率高于其他算法。研究成果可为解决空间碎片初轨确定问题提供参考。
用于深空探测的400 MHz带宽Chirp变换谱分析仪的设计与实现
茹鹏磊, 刘梦伟, 宫俊杰, 王文, 朱皓天, 朱迪, 董晓龙
2022, 42(5): 991-1003. doi: 10.11728/cjss2022.05.210611071
摘要:
Chirp变换频谱仪(CTS)具有低功耗、高稳定性等优点,在深空探测领域中具有独特的优势。罗塞塔(Rosetta)彗星探测器搭载的180 MHz带宽Chirp变换频谱分析仪,是迄今为止唯一成功完成空间任务的后端外差式实时频谱分析仪。基于Chirp变换谱分析的原理,设计构建了数字展宽线技术与声表面波压缩线技术相结合的400 MHz带宽Chirp变换谱分析仪。完成了数字展宽线与模拟声表面波压缩线的优化匹配设计,使系统的分辨率达到了理论值100 kHz。进一步采用调频信号和多频率点信号对CTS系统进行了测试验证。
空间旋转目标消旋力矩仿真分析
石永康, 黄少华, 廖潜, 陈金山
2022, 42(5): 1004-1011. doi: 10.11728/cjss2022.05.210709075
摘要:
针对提高空间旋转目标消旋效率的问题,使用电磁场软件MAXWELL对球壳的消旋力矩进行分析。设计并建立了二维亥姆霍兹线圈仿真模型,并对仿真模型进行有效性验证,使用验证后的仿真模型分析了单因素影响下的球壳消旋力矩变化情况,进而对现有的球壳消旋力矩解析式进行修正。仿真结果表明,现有的球壳消旋力矩解析式有其适用条件,适用于厚度与半径之比小于0.023的球壳,新的球壳消旋力矩解析式与原有解析式相比计算误差更小。
基于三体系统平动点轨道的环日全景任务轨道设计
蒋卓乐, 王亚敏, 张永合
2022, 42(5): 1012-1019. doi: 10.11728/cjss2022.05.210830094
摘要:
在空间开展太阳观测是研究太阳活动周、太阳爆发、极端天气等事件起源的重要手段。环日全景探测计划是为实现从黄道面360°全方位观察太阳行星际空间而提出的。本文针对环日全景探测计划,构建了基于三体系统平动点低能量轨道的环日全景轨道部署方法。该方法以日–地L1/L2点Halo轨道幅值及Halo轨道离轨点为变量,以转移轨道飞行时间、入轨机动大小为评价指标,基于三体系统不变流形构建环日全景的转移轨道,并开展轨道优化设计。采用等高线图对设计变量及任务成本进行全局分析。仿真计算表明,轨道部署无法同时满足飞行时间最短与入轨机动最小的要求。设计了轨道机动约束条件下的最优飞行时间解,并给出了基于长三甲运载火箭的一箭双星发射及入轨方案。
复杂深空通信网络的LTP传递时延建模及验证
余果, 董振兴, 朱岩
2022, 42(5): 1020-1028. doi: 10.11728/cjss2022.05.211029109
摘要:
针对简化场景下建立的LTP(Licklider Transmission Protocol)传递时延模型无法直接应用于复杂场景的问题,提出了一种复杂深空通信网络的LTP传递时延理论模型。已有研究多关注于一到两跳的简化场景或 bundle 保管开启状态下多跳场景数据传输模型的建立,然而其结果在复杂深空通信网络中,对于在 bundle 保管关闭状态下的深空通信并不适用。本文对LTP在复杂深空通信网络中的传输机制进行了分析,基于此分析对LTP在复杂深空通信网络中的传递时延进行了理论建模,搭建了仿真验证平台,仿真分析了模型的正确性及优势。结果表明,该模型计算结果与实验结果较为吻合,相比基于简化场景建立的理论模型,本文所提出的模型更加适用于复杂深空通信网络。
CYGNSS海面风速固有误差与时空分布特征
刘帅, 林文明, 鲁云飞
2022, 42(5): 1029-1037. doi: 10.11728/cjss2022.05.211101110
摘要:
全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)是一种新兴的海面风速遥感技术,对GNSS-R反演风速进行详细定量分析是该技术从科学研究走向业务应用的必要条件。 以气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的风速数据为例,利用时空匹配的浮标风速和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的预报风速数据,详细分析了CYGNSS遥感风速的气候态特征和时空分布特征。基于三配对数据分析方法,阐明了CYGNSS遥感风速的固有误差,并提出了相应的风速标定系数。研究表明:GYGNSS的中低风速(w <10 m·s–1)精度较好,但高风速的误差显著增大;风速误差具有良好的时间一致性,但呈现明显的空间分布不均匀现象;总体而言,CYGNSS风速的固有误差约为1.79 m·s–1。研究结果一方面可为CYGNSS风速数据的业务应用提供参考,另一方面也为进一步标定CYGNSS的反射测量信号提供依据。
第二届中国空间科学大会在太原举办
2022, 42(5): 1038-1038.
摘要: