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2022年 第42卷  第3期

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基于深度学习的太阳黑子Wilson山磁类型识别方法
李书馨, 赵学斌, 陈君, 李伟夫, 陈洪, 陈艳红, 崔延美, 袁天娇
2022, 42(3): 333-339. doi: 10.11728/cjss2022.03.210107004
摘要(25) HTML全文(17) PDF 754KB(18)
摘要:
太阳黑子是太阳光球层中带有较强磁场的区域，通常是太阳爆发活动的源区。Wilson山磁分类是当前最为主流的太阳黑子分类方法之一，对研究太阳爆发有重要意义。利用2010－2017年间SDO/HMI成像仪观测到的720s_SHARP磁图和白光图数据，研究使用深度学习对太阳黑子群Wilson山磁分类的方法。实验结果表明，Xception网络在识别太阳黑子Wilson山磁类型上能取得最优的效果，其中对α类型黑子的F1得分为96.50%，β类为93.20%，其他类型的黑子为84.65%。
基于集成学习的太阳质子事件短期预报方法
宫哲, 邹自明, 陆阳
2022, 42(3): 340-345. doi: 10.11728/cjss2022.03.210310025
摘要(23) HTML全文(10) PDF 662KB(6)
摘要:
太阳质子事件是一种由太阳活动爆发时喷射并传播到近地空间的高能粒子引起的空间天气现象。这些高能粒子会对航天器和宇航员产生严重危害，对太阳质子事件进行准确的短期预报是航天活动灾害预防的重要内容。针对当前主要预报模型中普遍存在的高虚报率问题，提出了一种基于集成学习的太阳质子事件短期预报方法，利用第23个太阳活动周数据，建立了一种集成8种机器学习模型的太阳质子事件短期预报系统。实验结果表明，本文方法在取得了80.95%的报准率的同时，将虚报率降低至19.05%，相比现有的预报系统具有较为明显的优势。
利用转移熵研究引起磁暴扰动的太阳风参数重要性排序
于佳斌, 佟继周, 方少峰, 胡晓彦
2022, 42(3): 346-356. doi: 10.11728/cjss2022.03.210406045
摘要(25) HTML全文(12) PDF 1716KB(11)
摘要:
磁暴是重要空间天气灾害性事件，能够影响卫星的安全在轨运行和地面电网系统等。目前，对于太阳风–磁层相互作用的研究多集中在分析相关系数的线性关系，而基于信息论的转移熵可以提供强大的无模型有向统计量，可用来分析传统相关性分析和模型假设检测不到的非线性关系。本文利用转移熵的方法，研究了磁暴期间的太阳风驱动参数。利用第23和24太阳活动周的小时精度数据进行长时间尺度分析，发现太阳风向地磁的信息传递呈双峰分布，表现出与太阳活动水平的一致性。利用2010－2018年93个地磁暴期间的分钟精度数据进行短时间尺度分析，结果表明：行星际电场（E）和行星际磁场南向分量（$ {B}_{z} $）对地磁指数Sym-H在时间延迟为60 min时信息传递较强，而太阳风速度 $ {v}_{\mathrm{s}\mathrm{w}} $、温度 $ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{w}} $、数密度$ {D}_{\mathrm{s}\mathrm{w}} $、磁场B和动压$ {P}_{\mathrm{s}\mathrm{w}} $对Sym-H指数的信息传递较弱。上述研究结果能够为太阳风–磁层相互作用的建模提供参数选择及确定预测范围的依据。
基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报
唐丝语, 黄智
2022, 42(3): 357-365. doi: 10.11728/cjss2022.03.210401042
摘要(39) HTML全文(19) PDF 1736KB(11)
摘要:
电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一，同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征，本文融合因果卷积和长短时记忆网络，以太阳活动指数F10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入，构建深度学习模型，实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据，全面评估了模型在北京站（40°N，115°E）、武汉站（30.53°N，114.36°E）和海口站（20.02°N，110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87，均方根误差大都集中在0～1 TECU以内，且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比，本实验模型均方根误差降低了15%，为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。
基于星载AIS数据的TEC测量方法
罗坳柏, 龙燕飞, 陈利虎, 方涵先, 余孙全, 倪久顺
2022, 42(3): 366-375. doi: 10.11728/cjss2022.03.210325037
摘要(36) HTML全文(16) PDF 2653KB(6)
摘要:
基于星载船舶自动识别系统（AIS），提出一种计算全球电离层电子总含量（TEC）的方法。通过在卫星上搭载两个相互垂直的线极化天线，测量AIS信号穿过电离层时的法拉第旋转角，再通过法拉第旋转角与TEC的关系估算TEC。基于天拓五号卫星的AIS数据进行了实验验证，并分析了硬件设备误差和观测参数误差对结果造成的影响。实验表明，本方法测量出的TEC值与基于全球定位系统（GPS）测量的TEC值差值平均为0.762 TECU，证明了此方法的可行性。与现有的TEC测量方法相比，该方法只需利用现有的AIS系统，无需部署地面站，可大幅提高数据更新速率。
武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系
朱品洁, 滕陈轲敏, 谷升阳, 窦贤康, 李国主, 解海永
2022, 42(3): 376-382. doi: 10.11728/cjss2022.03.210406043
摘要(29) HTML全文(11) PDF 1060KB(13)
摘要:
通过对2018年武汉站（114.61°E，30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析，研究武汉地区突发E层的特征。研究发现：2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高，在冬季有一个次增强现象，在春秋季较低；在正午前最大，在日落后出现小幅度提升，在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场，探讨突发E层与背景风之间的关系，揭示突发E层的形成机制。结果表明，半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化，周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化；突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。
中国区域临近空间准零风层的观测特征
胡耀月, 王东海, 吴珍珍, 张春燕, 曾智琳, 万轶婧
2022, 42(3): 383-395. doi: 10.11728/cjss2022.03.210303022
摘要(11) HTML全文(10) PDF 3614KB(4)
摘要:
准零风层（Quasi-zero Wind Layer）是指平流层下部风速较小的东西风转换层，是临近空间（20~100 km）开发利用的重要参考依据，也是当前临近空间飞行器浮空运行的研究热点。基于2010－2019年中国多个站点L波段探空资料，将中国分为5个区域（15°N－20°N，20°N－25°N，25°N－30°N，30°N－40°N，40°N－50°N），分析各区域准零风层的结构特点及其随纬度、季节的变化规律。根据实测风场分析发现平流层下部存在单层/双层准零风层，各区域的南北分布差异大致以25°N为界：单层准零风层主要出现在25°N以北的夏季；双层准零风层主要出现在25°N以南的10月至次年5月。单层/双层准零风层平均维持高度随纬度递增，且其厚度以双峰变化为主。此外，单层准零风层每月出现和维持天数均大于双层，30°N以北的单层准零风层在夏季的维持天数较其他区域长。
冬季西北地区临近空间气象火箭探测数据分析
耿丹, 赵增亮, 万黎, 赵超, 彭进先
2022, 42(3): 396-402. doi: 10.11728/cjss2022.03.210527065
摘要(16) HTML全文(14) PDF 1096KB(9)
摘要:
在获取冬季西北地区一次临近空间气象火箭探测数据后，将火箭探测温度、密度与MSIS00模式和TIMED/SABER卫星数据进行对比，并将火箭探测风场与HWM07模式和MERRA再分析资料进行对比，分析火箭探测温度误差组成，计算各项温度修正量。结果表明：火箭、卫星、MSIS00模式获取的温度和密度随高度整体变化趋势一致；相对于MSIS00模式，火箭和卫星实测数据能够反映出更多的变化细节，且二者在细节上具有较多一致性。火箭实测风场与MERRA的一致性较好，而与HWM07模式差异较大，在平流层中部火箭探测风场明显强于HWM07模式。相对于HWM07模式和MERRA，火箭探测风场能够体现更多细节，在22 km和45 km附近均探测到较强的风切变。在火箭探测温度的各项修正量中，气动加热、温度滞后、支撑结构热传导及测量电流焦耳效应带来的影响较大，该影响整体上随着高度降低而逐渐减小。分析表明，本次气象火箭获取的探测数据是有效可靠的，但在数据处理方法尤其是温度误差修正等方面还需不断迭代完善。
晴天大气电场时空变化特征分析
高志旭, 陈涛, 李文, 刘刚, 李仁康
2022, 42(3): 403-413. doi: 10.11728/cjss2022.03.210531066
摘要(15) HTML全文(15) PDF 2711KB(6)
摘要:
利用子午工程5个大气电场观测站点近10年的近地面晴天大气电场观测数据，在年变化、季节变化、日变化三种不同时间尺度上进行了对比分析。结果表明：不同纬度站点的日平均晴天大气电场峰谷类型不同，且部分站点的波峰出现了逐年左移或右移的趋势；在电场幅值变化方面，位于中低纬度地区的站点呈现出逐年减小的变化特征，而位于中高纬度的站点呈现出逐年增加的变化趋势，且这种年变化均是线性的；多元回归分析表明，最大波峰出现时间与地理经度呈负相关，而与地理纬度呈正相关；各站点在近10年中均未出现明显的纬度效应；冬季的晴天大气电场日平均值水平较高，夏季较低，且各季节的日平均晴天大气电场最小值及最大值均近似呈正态分布；最小值及最大值在年度和季节两个时间尺度上的变化规律是基本一致的。这些研究结果揭示了晴天大气电场在不同时间尺度上的变化特征。
带电云对大气电场随高度变化特征的影响
李磊, 陈涛, 苏建峰, 李文, 提烁, 吴晗, 罗静, 王诗涵, 李仁康
2022, 42(3): 414-421. doi: 10.11728/cjss2022.03.210513053
摘要(19) HTML全文(14) PDF 1096KB(6)
摘要:
大气电场与雷暴活动、气候变化、大气污染、太阳活动密切相关，在特殊地形上探测大气电场的高度分布对于大气电学的相关研究具有重要意义。2020年9月12日，中国科学院鸿鹄专项团队将大气电场仪搭载在探空气球上，在青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦地区进行了大气电场高度分布的探测实验。本文分析讨论了此次实验中用到的电场仪、实验过程及实验结果。大气电场曲线中间凸起的部分对应电场仪穿过带电云层，因此将其分为三段并分别进行拟合。探测实验及分析结果表明：在不同高度处大气电场的主要影响因素不同，其分布规律会存在差异。此外，带电云会使大气电场强度整体增大，但云层中大气电场的高度分布仍能较好地符合指数变化规律。
数据同化在空间天气学中的应用
张晗可, 沈芳
2022, 42(3): 422-436. doi: 10.11728/cjss2022.03.210611069
摘要(21) HTML全文(10) PDF 3190KB(5)
摘要:
由太阳活动引起的耀斑和日冕物质抛射等短时间尺度变化的空间天气事件会影响并危害地球磁层、电离层、中高层大气、卫星运行安全以及人类健康，因此对这些空间天气事件的预测显得尤为重要。数据同化在稀疏观测和异步采集的情况下能够增加模型的预测能力，对模型变量进行自洽分析。在数值预报中引入数据同化方法，能够提高预测可信度。本文从数据同化方法的角度出发，主要分析了数据同化目前在大气、电离层、磁层、太阳及其他行星科学研究中的应用，并初步讨论了数据同化未来在空间天气方面的应用。
密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性
熊凯, 尹永利, 曹勇, 刘晓天, 杨才华
2022, 42(3): 437-447. doi: 10.11728/cjss2022.03.210123036
摘要(10) HTML全文(1) PDF 1966KB(4)
摘要:
在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H2）。此外，乘员还呼出二氧化碳（CO2）。将H2和CO2催化合成甲醇（CH3OH）是消除载人密闭空间内富余H2和CO2的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制，更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H2和CO2催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型，研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO2与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示，反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO2与CO比值的减小均能促进各反应速率增加，进而使得H2和CO2消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa，冷却介质温度不高于538.15 K以及CO2与CO比值不小于1。
用于空间试验的金属物质气化方法
郑延帅, 邱扬, 薛昆, 许正文, 赵海生, 谢守志
2022, 42(3): 448-454. doi: 10.11728/cjss2022.03.210601027
摘要(20) HTML全文(3) PDF 791KB(8)
摘要:
通过向电离层空间释放金属物质，形成高密度的等离子体云团，实现对电磁波反射与散射的方法，对于改善通信效果具有重要作用，是当前应急通信研究热点之一。根据气态形式释放金属才能充分与电离层相互作用生成电子密度增强区的原理，针对以往采用碱金属和碱土金属作为释放物，产生电子密度增强的机制主要是光致电离所带来的不足（白天效果明显，夜间效果较差），选用镧系金属作为新的释放物，并以镧系金属钐为例，建立了钛硼与钛碳两种自蔓延燃烧合成反应加热气化金属钐的理论模型。通过理论计算，确定了两种自蔓延合成反应体系加热气化金属钐的净放热量以及加热气化金属钐的最大效率。针对理论研究结果，对两种反应体系加热气化金属钐的方案开展试验研究，验证了理论分析的正确性，摆脱了电子密度增强主要依赖光致电离的缺点，提供了一种全天候释放电子密度的方法。
液氙加注过程中贮箱充填率影响因素分析
蒋超, 吴宗谕, 黄奕勇, 程云
2022, 42(3): 455-462. doi: 10.11728/cjss2022.03.210611070
摘要(12) HTML全文(5) PDF 922KB(7)
摘要:
液氙在加注过程中可能会出现相变进而降低贮箱的充填率，因此需要了解贮箱充填率的影响因素。采用零维集总参数模型对液氙加注系统进行建模和仿真。基于AMESim计算液氮无排气加注过程中贮箱的充填率，其与文献中的实验结果接近。同时，基于AMESim搭建液氙加注系统，计算不同入口过冷度、入口压强、壁面温度和热流量条件下贮箱的充填率。结果表明，在相同加注时间条件下，提升入口过冷度、增加入口压强可以提升贮箱的充填率，而管路和贮箱受热会降低贮箱的充填率。
小天体动能撞击防御中动量传递因子敏感参数分析
周琪, 郑建华, 李明涛
2022, 42(3): 463-475. doi: 10.11728/cjss2022.03.210126013
摘要(89) HTML全文(29) PDF 1800KB(23)
摘要:
动量传递因子 $ \beta $ 是评估动能撞击效果的重要参量。根据动能撞击过程中动量传递因子的理论模型，分析了撞击器特性参数和小天体结构特性参数对动量传递因子取值的影响，并对不同动能撞击方案以及不同材料特性小天体的成坑效应和动量传递因子进行分析。研究表明：标度律参数 $ \mu $ 对 $ \beta $ 影响较大， $ \mu $ 是地面实验拟合得到的系数，与材料强度特性相关；当小天体为单体岩石结构时，撞击器速度及密度、小天体密度及表面强度对 $ \beta $ 影响较大，而撞击器半径和小天体引力对 $ \beta $ 影响较小；当小天体为碎石堆结构时， $ \beta $ 对撞击器特性参数和小天体特性参数不敏感，且数值较小。对三种不同动能撞击方案的成坑效应与动量传递因子形成规律进行研究，发现撞击器初始动能对 $ \beta $ 影响较大。当小天体为单体岩石结构时，其对应的动量传递因子取值较大，而当小天体为碎石堆结构时，其对应的 $ \beta $ 取值较小且基本不变。对相同动能撞击方案下不同材料特性小天体（C型、S型和X型小行星）产生的撞击效应进行分析，发现在引力主导时，βC>βS >βX，而在强度主导时 $ \beta $ 取值较小且基本相同。
FY-3D卫星的北斗掩星分布特征与误差特性
刘艳, 孟祥广, 白伟华, 孙越强, 廖蜜, 韩英
2022, 42(3): 476-484. doi: 10.11728/cjss2022.03.210208019
摘要(17) HTML全文(7) PDF 1997KB(4)
摘要:
利用2018年1－3月FY-3D卫星的掩星折射率数据，研究了北斗导航卫星系统的掩星分布特点、数据精度以及误差统计特征。北斗导航卫星系统同步静止轨道掩星沿卫星轨道呈弧状分布在南北两极地区，倾斜轨道掩星在东西半球低纬度地区分别形成一小一大两个空洞，中地球轨道掩星则全球均匀分布。北斗掩星折射率数据精度在探测核心区域，即12~32 km范围内，与ERA5再分析资料计算的折射率相比，平均偏差的标准差约为1.5%，在核心区外，标准差从1.5%逐渐增大到6%。静止轨道掩星的平均偏差在高层略大于倾斜轨道和中地球轨道掩星。下降掩星在20 km以上区域的标准差大于上升掩星，20 km以下区域小于上升掩星。高纬地区北斗掩星标准差最小，低纬地区最大，对流层中下层尤其明显。分析结果表明，北斗掩星的数据精度和误差特征与GPS掩星数据相似。
空间目标视星等曲线仿真
刘燕, 汶德胜, 易红伟, 殷勤业
2022, 42(3): 485-491. doi: 10.11728/cjss2022.03.210721079
摘要(13) HTML全文(12) PDF 2072KB(6)
摘要:
人类航天活动日益频繁，空间目标种类和数量不断增多，识别未知空间目标的关键特征具有重要的科学价值。本文通过辅助图形软件建模分割，获取球体、圆锥体和圆柱体带法向量的面元坐标；基于卫星仿真工具包，得到了目标轨道及位置参数，并结合双向反射分布函数各向异性Phong 模型和四元数姿态更新模型，完成了地基观测条件下4种形状空间目标的视星等仿真。仿真结果表明，目标受空间位置、形状和姿态的影响程度不同，其光度曲线具有各自特点。球体由于形状完全中心对称，光度曲线主要受空间位置的影响；圆锥体、正方体、圆柱体光度曲线的波形受形状影响较大，曲线走向受位置影响较大，波动频率受姿态角速率影响较大。通过统计分析相关数据，可为后续空间目标位置、姿态和形状的反演提供先验模型。
一种基于北斗三号系统的GNSS-R海面干涉测高技术
王冬伟, 孙越强, 王先毅, 白伟华, 杜起飞, 夏俊明, 韩英
2022, 42(3): 492-499. doi: 10.11728/cjss2022.03.210315029
摘要(19) HTML全文(7) PDF 1139KB(7)
摘要:
GNSS-R干涉测高技术可用于中尺度海面高度观测，具有空间分辨率高、测量精度高等优势。与传统的GNSS-R本地码测高技术相比，GNSS-R干涉测高技术可以有效提升高度测量精度。虽然GNSS-R干涉测高技术已有一些研究，但是基于北斗三号的干涉测高应用还很少。本文根据GNSS-R干涉测高技术优势，针对北斗三号系统在干涉测高技术上的应用，研发了支持北斗三号的GNSS-R干涉测高接收机并描述了整体架构及实现。利用所研发的接收机进行水面干涉测高试验，首次获取了北斗三号B1和B2干涉测高波形，与传统GPS L1和北斗B1本地码测高波形进行对比。对两种方法计算出的水面高度进行对比，结果显示北斗三号干涉测高精度明显优于GPS L1和北斗B1传统本地码测高精度。

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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