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 空间科学前沿领域及其相关技术与研究进展的学术刊物

刊载范围 与空间相关的研究性成果,空间科学和探测计划综述及总体方案。具体包括:空间天文与太阳物理,空间物理、空间环境及其效应、空间天气研究及预报方法,空间科学探测有效载荷设计方法与相关技术,行星与空间地球科学及相关遥感技术,微重力科学、空间生命科学、生命起源与地外生命探索,轨道、时空基准、飞行器设计相关技术。及时刊登具有国家重大航天任务和空间科学研究计划背景的研究成果。
2022年, 第42卷, 第1期 刊出日期:2022-01-15 上一期   
前沿动态
詹姆斯·韦伯空间望远镜成功发射
王海名
2022 (1):  1-1. 
摘要 ( 1 )   PDF(405KB) ( 1 )  
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NASA遴选出新的银河系演变研究任务
王海名
2022 (1):  1-1. 
摘要 ( 2 )   PDF(406KB) ( 3 )  
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Euclid顺利通过望远镜和光谱仪测试
王海名
2022 (1):  1-2. 
摘要 ( 0 )   PDF(497KB) ( 0 )  
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NASA发射两颗立方体卫星研究磁重联和系外行星
王海名
2022 (1):  2-3. 
摘要 ( 0 )   PDF(502KB) ( 2 )  
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阿联酋启动小行星带探测任务
韩淋
2022 (1):  3-3. 
摘要 ( 0 )   PDF(411KB) ( 1 )  
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NASA成功发射Lucy小行星探测任务
韩淋
2022 (1):  3-4. 
摘要 ( 0 )   PDF(508KB) ( 0 )  
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发展战略
美国国家科学院发布天文学和天体物理学十年调查报告
王海名
2022 (1):  5-8. 
摘要 ( 0 )   PDF(643KB) ( 3 )  
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英国发布首份国家航天战略报告
王海名
2022 (1):  9-10. 
摘要 ( 0 )   PDF(475KB) ( 1 )  
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研究论文
嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征
谢良海, 张爱兵, 李磊, 王慧姿, 史全岐, 张江, 王文静, WEISER Martin, 张艺腾, 孔令高, 冯永勇, 周斌, 王劲东
2022 (1):  11-24.  doi: 10.11728/cjss2022.01.20220113
摘要 ( 9 )   PDF(1349KB) ( 5 )  
与地球不同,月球暴露在太阳风中。太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子(Energetic Neutral Atom, ENA)的形式被月表散射。另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障。然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓。嫦娥四号任务搭载的中性原子探测仪首次在月面就位测量ENA,为研究月面和太阳风相互作用提供了新的视角。本文综述了嫦娥四号的ENA探测,重点介绍了一些不同于以往遥感观测的新现象,包括月面ENA反射率较高,ENA通量向低能段聚集,以及除了氢ENA还有其他重成分ENA等。分析上游太阳风观测数据发现,月面对太阳风的作用主要体现在105~523 eV能量段,且在磁异常下游时ENA通量整体偏低。利用全球Hall MHD数值模拟,证明了微磁层是造成ENA通量降低的原因。同时,还发现月球微磁层的形成与太阳风动压以及离子惯性长度有关,微磁层内的静电场使得太阳风减速和偏转,对应的电势差为50~260 V。
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日冕三维太阳风模拟
刘畅, 沈芳, 刘佑生
2022 (1):  25-33.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201127102
摘要 ( 3 )   PDF(1309KB) ( 2 )  
COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型。本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整。在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳风进行模拟。模拟结果符合日冕太阳风结构,而且扩散八波法处理磁场散度性能有提升,可将相对磁场散度误差可控制在10–9量级上。
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太阳活动区光球磁场特征的量化
杨晓华, 王栖溪, 夏仲飞, 包赟, 彭代亮, 田天, 徐龙
2022 (1):  34-43.  doi: 10.11728/cjss2022.01.200826076
摘要 ( 2 )   PDF(1040KB) ( 1 )  
为有效解决太阳活动区磁场特征量化问题,对所有SOHO卫星MDI磁图预处理后,分割出日面角45°以内的活动区,分析活动区投影面积变形来源,研究建立Cosine面积校正因子,校正活动区面积,构建具有21个特征参数的活动区磁场特征量化指标体系,通过主成分分析法对量化结果计算累积方差,结合活动区10486爆发X17.2级耀斑时的磁场变化定性分析。结果表明:强梯度极性分隔线权重磁场绝对值之和R、极性分隔线长度LPS、 强梯度极性分隔线长度Lsg和强梯度极性分隔线磁场绝对值之和$\phi $PSL能够解释活动区磁场结构变化; 磁场通量绝对值总和$\phi $uns、磁场负通量总和$\phi $、磁场值代数和$\phi $tot和磁场绝对值之和的平均值$\phi $mean能够解释活动区磁场通量变化。$\phi $PSL为本文新构建特征参数。上述参数可有效监测耀斑爆发前后活动区磁场结构和磁场通量的变化情况,量化结果可作为耀斑、质子事件监测及耀斑预报模型输入,为开展太阳爆发活动监测预警提供技术支撑。
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亚暴起始位置和膨胀相持续时间对行星际磁场Bz分量的响应
任干明, 曹晋滨, 马玉端
2022 (1):  44-50.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201112099
摘要 ( 1 )   PDF(859KB) ( 1 )  
磁层亚暴是太阳风–磁层–电离层耦合过程中的重要爆发性事件,其特性受太阳风参数的影响很大。本文利用对IMAGE卫星在2000 - 2005年观测到的4193个亚暴起始事件,统计研究了在不同的行星际磁场(IMF)Bz 条件下亚暴起始位置和膨胀相持续时间。结果表明,南向IMF发生的亚暴比北向IMF下发生的亚暴要多。南向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上>600 nT,并有随南向IMF持续时间增大而增大的趋势。北向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上<500 nT,并有随北向IMF持续时间增大而减小的趋势。亚暴的起始磁纬度基本上位于65° - 70°之间。当南向IMF或北向IMF的持续时间增大,超过80 min时,北半球的亚暴起始磁纬度会降低。亚暴起始磁地方时大部分位于22:15 - 23:15 MLT之间。但整体分布比较分散,显示不出特别清晰的随IMF Bz持续时间变化的趋势。相比于南向的IMF,北向IMF期间发生亚暴的平均膨胀相持续时间增大了将近10 min,表明南向IMF期间,亚暴强度虽然较大,但其膨胀相持续时间较短,亚暴能量释放和耗散的速度更快。
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磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究
王如坤, 赵凯, 冯丹丹, 王子珲, 汤慕贤, 熊雅婷, 冯玲
2022 (1):  51-64.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201116101
摘要 ( 1 )   PDF(2221KB) ( 5 )  
利用FAST卫星1997 - 2006年34个磁暴期149个轨道的观测数据,分析不同相位上行通量数量级,研究不同相位离子上行能通量与地磁活动Sym-H指数和Kp指数,以及注入的Poynting通量之间的关系,构造上行通量经验模型。研究结果表明:磁暴主相期间,上行离子能通量可超过108 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV –1量级,初相和恢复相期,上行离子能通量可超过107 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV –1量级,主相期能通量均值普遍高于初相和恢复相;磁暴初相期间,上行离子能通量与Sym-HKp以及Poynting通量成显著正相关,相关系数分别为0.890、0.664和0.660;磁暴主相期间相关系数分别为0.858、0.823和0.541。以磁暴主相为例,上行离子能通量与Sym-H和Poynting通量的经验公式为$ {J}_{{i}^{+}}={10}^{5.324 \pm 0.581}\times {\left(\mathrm{S}\mathrm{y}\mathrm{m}{\text{-}}H\right)}^{1.465 \pm 0.340} $,$ {J}_{{i}^{+}}={10}^{6.469 \pm 0.798}\times {{S}_{\mathrm{d}\mathrm{c}}}^{0.888 \pm 0.703} $。初相期间,由于地磁扰动时能量快速注入,电离层离子迅速获能,上行离子能通量与地磁扰动指数呈现较高的相关性,同时主相期上行离子能通量的增幅跨越两个量级;向下的Poynting通量导致的焦耳耗散是离子获能的重要来源之一,因此上行离子能通量与Poynting通量有较强的相关性。恢复相期间地磁活动趋于平静,上行离子能通量低于主相期的能通量。
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低纬电离层等离子体块相关等离子体泡演化期间的虚高变化
王铮, 史建魁, 王国军, 王霄, 尚社平, 程征伟
2022 (1):  65-72.  doi: 10.11728/cjss2022.01.210316032
摘要 ( 0 )   PDF(953KB) ( 0 )  
针对东亚地区地磁低纬度南北半球Vanimo台站(地理2.7°S,141.3°E;地磁 11.2°S,146.2°W)和海南台站(地理19.5°N,109.1°E;地磁9.1°N,179.1°W)上空的3个电离层等离子体块与等离子体泡相关联的事件,利用地面台站的电离层测高仪连续观测数据,研究等离子体泡演化期间的电离层虚高变化。结果表明:以往提出的等离子体块出现约2 h之前等离子体垂直漂移速度从向上(东向电场)转为向下(西向电场)的观点,本文的3个事例均与之不符,或者距反转时间很远(约6 h),或者由向下转为向上。在等离子体块形成时间点前的1 h内,均有突发的等离子体堆积的运动趋势,或是下降运动速度突然变慢,或是从下降转为向上运动,或是上升运动速度突然加快。这一堆积现象与等离子体块现象相关性更好,也不仅限于漂移速度从向上转变为向下。
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亚极光区极化流发生期间电离层离子下行的统计
魏冬, 於益群
2022 (1):  73-81.  doi: 10.11728/cjss2022.01.200724066
摘要 ( 1 )   PDF(1019KB) ( 0 )  
亚极光区极化流是地球磁层–电离层耦合过程中最重要的现象之一,对电离层具有重要的调制作用。多数情况下,亚极光区极化流发生时会伴随局地离子上行流动,目前已对其有充分的研究,但对离子下行的研究却甚少。本文分析了DMSP卫星在2001 - 2015年间16个地磁暴中的观测数据,在483个亚极光区极化流事件中找到102个离子下行事件,并对其开展统计研究,分析离子下行在亚极光区极化流事件中的发生率,在南北半球的分布以及有助于离子下行形成的条件。结果表明:离子下行在亚极光区极化流事件中发生概率较小,离子下行事件的发生与分布具有比较明显的南北半球差异,并且亚极光区极化流的速度与离子下行速度具有高度相关性,表现为线性关系;而离子下行极有可能是因为双极扩散与地球重力共同作用而产生的,并且离子的热运动强弱对离子下行的速度大小也具有重要影响。这些研究结果有助于进一步理解亚极光区极化流对地球电离层动力学的调制作用。
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一种基于GNSS数据的全球电离层不规则结构活动表征方法
吴家燕, 甄卫民, 欧明, 於晓, 陈龙江
2022 (1):  82-90.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201009088
摘要 ( 0 )   PDF(1667KB) ( 0 )  
针对如何利用GNSS(Global Navigation Satellite System)数据进行电离层扰动监测的问题,提出了一种基于GNSS数据表征全球电离层扰动的方法。利用大约400个GNSS地面站点的观测数据,计算总电子含量(Total Electron Content,TEC)变化率的标准差——ROTI(Rate of TEC Index)。将该计算结果作为扰动观测量,在纬度与经度的网格上投影形成1 h分辨率的ROTI地图。ROTI地图能够体现几千米到几十千米的电离层不规则体,分析2015年3月期间电离层平静和扰动剧烈时ROTI地图发现,这种大尺度的不规则体主要分布在高纬和低纬区域,磁暴期间ROTI地图会出现数值和扰动面积上的变化,ROTI地图在一定程度上能够表现全球电离层不规则结构的扰动。在此基础上提出了新的全球ROTI扰动指数(Global ROTI index, GROTI),分析结果表明高纬区域的GROTI与地磁指数KpAE指数存在良好的相关性。
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临近空间大气化学过程快速建模技术初探
张思聪, 成巍, 王承志, 李汇军
2022 (1):  91-102.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201019094
摘要 ( 0 )   PDF(1077KB) ( 0 )  
围绕临近空间大气化学过程数值模拟计算问题,以平流层大气4个典型光化学系统为例,运用化学动理学预处理(KPP)工具,对不同复杂度的光化学反应质量平衡方程体系进行预处理,快速建立各系统化学动理学方程组的代数表示;针对模型中的大刚性ODE方程组,选取6种不同的数值计算方案(rodas,ros3,ros4,rosenbrock,sdirk,seulex) , 实现ODE方程组的离散表示,并自动生成所需计算代码。在此基础上,开展平流层光化学过程数值模拟试验,重点考察了:各数值计算方案的计算效率和计算稳定性;各系统主要化学成分随着时间的演化规律;光化学系统复杂度对各模型主要成分变化的影响。模拟结果显示:KPP工具能有效应对临近空间大气化学反应系统复杂度的增长,缩短大气化学模型建模与检验周期,为临近空间大气化学过程研究提供有效技术支撑。
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临近空间大气环境落球探测中的科氏力影响
范志强, 盛峥, 赵增亮, 周育锋, 张义生, 江军
2022 (1):  103-116.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201203104
摘要 ( 3 )   PDF(1657KB) ( 3 )  
气象火箭落球探测技术是临近空间大气环境探测的重要方法。在落球探测数据处理过程中,通常忽略科氏力项的影响。本文利用经验预报模式构建落球探测正演仿真模型,并根据落球探测原理建立参数反演模型,在此基础上仿真模拟了落球探测数据处理过程中忽略科氏力项对大气参数反演精度的影响。在95~100 km高度范围内,忽略科氏力项将引起温度、密度、纬向风和经向风等大气参数较大反演误差,其误差特性随探测点纬度、各方向初始速度等呈现不同的变化规律,之后反演误差将随高度下降而逐渐下降。当高度下降至约70 km时科氏力项带来的影响基本可以忽略不计。研究结果表明在临近空间大气环境落球探测数据处理过程中不能忽略科氏力项的影响。本文结果对提高落球探测大气参数反演精度具有重要的参考价值。
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小行星表面有机物的红外光谱探测方法
唐红, 周传娇, 李雄耀, 刘建忠, 莫冰, 于雯, 曾小家
2022 (1):  117-126.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201127103
摘要 ( 0 )   PDF(1139KB) ( 1 )  
小行星的有机物记录了太阳系早期有机物的形成发展历史,为地球早期生命前体出现的研究提供了重要依据,对于研究生命起源和演化具有重要意义。本文综合分析了小行星表面可能存在的有机物成分、种类及其赋存状态,利用红外光谱开展地面模拟实验,探讨有机物的红外光谱特征及其影响因素。结果表明,不同类型有机物的红外光谱特征与其类型、结构、温度和压力等有关。研究确定了小行星表面主要有机物的红外光谱识别标志,初步提出了小行星有机物红外光谱探测仪器的基本指标参数。
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月球撞击坑辐射纹的形成和消失机制及可能的年代学应用
侯旭婷, 曹海军, 付晓辉, 张江, 李勃, 凌宗成
2022 (1):  127-135.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201014091
摘要 ( 3 )   PDF(775KB) ( 3 )  
辐射纹是年轻撞击坑周缘呈辐射状分布的明亮细条纹,是月表最显著的地貌特征之一,也是月球科学领域热点研究之一。根据目前对于月球撞击坑辐射纹的形成和类型的认识,分析辐射纹消失相关的空间风化、撞击导致的物质混合等地质过程; 比较不同形成年龄撞击坑辐射纹的光学成熟度(OMAT)剖面,发现溅射物逐渐成熟过程中OMAT剖面的演变过程,撞击坑辐射纹OMAT剖面可采用幂函数描述;OMAT剖面形态参数与溅射物暴露年龄(撞击坑形成年龄)有很强的相关性。利用已知年龄且存在辐射纹的撞击坑为参考点,建立辐射纹OMAT形态参数与撞击坑形成年龄的经验关系,提出了约束撞击坑形成绝对年龄的可行方案。
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FocusGEO望远镜观测地球同步轨道目标的光度特性分类
赵晓芬, 郑景辉, 毛银盾, 于涌, 王鲲鹏, 温昌礼
2022 (1):  136-143.  doi: 10.11728/cjss2022.01.200928086
摘要 ( 1 )   PDF(1434KB) ( 3 )  
基于FocusGEO望远镜2017年12月至2019年6月的测光观测数据,开展台站上空地球同步轨道(GEO)目标光度曲线的分类研究。通过对GEO卫星光度曲线特征的统计分析,建立了一种全新的GEO卫星分类系统,确定了各类GEO卫星光度曲线的占比,分析了光度特征类别与卫星平台的相关性。本研究将197颗GEO卫星的光度曲线分为六类,其中约90%的卫星可归为三类:典型类、BSS类和Ekspress类。光度特征分类与卫星平台无直接的相关性,但同一类别中平台相同或相近的卫星,具有相似的光度曲线。该分类系统可为位置相近的多个GEO目标的准确识别提供辅助手段,为目标异常监测和物理特性研究提供依据,对空间态势感知具有重要意义。
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MEO导航卫星热控系统设计及验证
林士峰, 李锴, 林宝军, 蒋桂忠, 马二瑞
2022 (1):  144-152.  doi: 10.11728/cjss2022.01.200930087
摘要 ( 0 )   PDF(1174KB) ( 0 )  
为解决MEO导航卫星整星热控设计以及有特殊温控指标要求设备的温度控制问题,结合卫星构型、轨道姿态、工作模式等特点,采用被动散热、扩热及局部隔热的热控措施,辅以开关或高精度比例控温算法分级主动热控设计原则。针对载荷大功率设备和相控阵天线,采用热管网络结合扩展散热区的热控措施;针对有温度敏感指标要求的蓄电池组、原子钟等采用隔热措施,辅以主动热控进行独立控温设计;热控软件设计采用在轨自主故障诊断及自动隔离设计方法,显著提升热控系统在轨自主运行能力。经过地面整星级热平衡试验验证及优化设计,在轨多颗卫星的飞行数据表明:整星热控方案设计合理,星上各仪器设备温度满足要求,温度设计余量及变化趋势符合预期。
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高轨微弱信号的跟踪算法分析及仿真
杨小江, 王鹃
2022 (1):  153-162.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201016093
摘要 ( 2 )   PDF(1613KB) ( 5 )  
高轨航天器自主导航技术是中国迫切需要发展的航天新技术之一,广泛应用于通信、导航、气象、预警等领域。高轨导航接收机为高轨航天器自主导航定位提供了便捷有效的手段。在高动态环境下,载波频率和相位、伪码相位均随载体运动发生较大变化。由于载体动态引入的多普勒频率变化对伪码跟踪环的影响可通过载波辅助消除,接收机的动态性能主要取决于载波跟踪模块的性能。高轨高动态信号由于传播路径的增加,导致高轨导航接收机出现接收信号路径损耗大和信号微弱的问题。通过开展高轨弱信号跟踪技术专项研究及多次仿真分析、合理设计环路噪声带宽和调整预检积分时间等措施,能够有效稳定地处理跟踪 –173 dBw导航弱信号。该技术成功应用于嫦娥五号卫星,并为后期高轨卫星导航、绕月飞行等深空探测项目提供技术指导和指标参考。
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基于线性样条和CNN-LSTM的北斗卫星缺失数据处理方法
杨旭, 崔瑞飞, 田超, 胡斯惠, 姜健民, 徐培康
2022 (1):  163-169.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201116100
摘要 ( 0 )   PDF(972KB) ( 0 )  
针对北斗某星辐射剂量探测数据缺失问题,提出了一种基于线性样条和CNN-LSTM神经网络模型的处理方法。在对数据特性分析的基础上,将原始数据分解为线性趋势项和季节波动项。对于线性趋势项,采用基于线性样条的缺失值处理方法;对于季节波动项,根据其时空变化特性,设计CNN和LSTM组合神经网络结构,完成季节波动项的缺失值处理。实验表明,相比于线性插值法和傅里叶变换插值方法,本文所提方法的插补值与真实值偏差更小,相关性更高。平均相对误差达到0.008,相关系数达到0.855。同时横向对比了本文所提组合神经网络模型和单一的LSTM和CNN网络模型的插补结果,同样本文方法表现出更好的一致性。研究结果表明,本文方法能够较好解决北斗数据连续缺失的问题,为后续基于北斗数据开展科学研究和业务应用奠定基础。
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一种地基GNSS接收机差分码偏差估算方法
周中华, 万祥, 程艳, 刘志忠, 汪文君, 张雪丽
2022 (1):  170-178.  doi: 10.11728/cjss2022.01.201026096
摘要 ( 1 )   PDF(1063KB) ( 2 )  
GNSS不同频点间的码伪距作差会引入信号的差分码偏差(DCB),包括GNSS卫星及地面接收机的DCB。本文提出一种地基GNSS接收机差分码偏差参数估算方法,首先由电离层文件参数作线性插值,计算出电离层延迟误差。之后对IGS站观测文件进行加权最小二乘法估计,得到GPS卫星和地面GNSS接收机的L1C频点和L2P频点间码偏差。该方法能同时获取卫星DCBs与地面GNSS接收机的DCBr,有效解决地面GNSS接收机DCBr获取的问题。通过对估计的卫星DCBs与CODE公布的值进行对比和统计分析,结果表明,两者卫星DCBs(C1P2)之差的RMS均值误差 < 0.3541 ns,地基GNSS接收机DCBr(C1P2)估算精度优于1.6105 ns。
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