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2012年  第32卷  第4期

日球层物理和太阳系探测
基于T96模型的极尖区位形变化特性研究
李晖, 王赤, 张北辰
2012, 32(4): 461-468. doi: 10.11728/cjss2012.04.461
摘要:
基于T96模型, 定义了极尖区的位形以及相关的描述参量(例如赤道向边界磁纬的最小值, 纬向宽度, 子午向和晨昏向的张角, 倾斜度, 扁平度, 中心磁地方时等), 讨论了太阳风动压(Pd)、行星际磁场(IMF)及磁暴强度对极尖区位形的影响. 太阳风动压和磁暴强度越大, 则极尖区的赤道向边界磁纬越小, 纬向宽度越大, 子午向和晨昏向的张角越大, 倾斜度越大, 扁平度越小; 南向IMF Bz越强, 则极尖区的赤道向边界磁纬越小, 纬向宽度越小, 子午向的张角越小, 晨昏向的张角越大, 倾斜度越大, 扁平度越大; 北向IMF Bz与南向IMF Bz的情况刚好相反; 极尖区的中心磁地方时受IMF By控制, IMF By为正时, 极尖区向昏侧移动, 而IMF By为负时, 极尖区则向晨侧移动, 并且极尖区的中心磁地方时与IMF By之间有着良好的线性关系. 将所得结果与前人的观测结果进行了简单比较, 发现利用T96模型确定的极尖区位形与观测基本一致.
太阳风中的小尺度磁通量管边界重联的统计研究
齐羽, 姚硕, 何建森, 田晖, 涂传诒
2012, 32(4): 469-476. doi: 10.11728/cjss2012.04.469
摘要:
通过对WIND卫星1995-2005年的数据, 利用程序筛选及人工识别两种不同方法确定的小尺度磁通量管进行比较, 发现程序筛选法中41%的小尺度磁通量管有边界重联现象, 与人工识别法确定的小尺度磁通量管的统计结果接近; 通过人工识别和程序筛选两种方法确定的小尺度磁通量管的边界重联特征, 包括磁场剪切角、磁场强度以及重联耗散区的持续时间等, 也具有相同的统计趋势. 结果表明, 两种方法确定的小尺度磁通量管在重联特性上没有本质区别, 因此采用这两种方法得到的数据作为样本来统计小尺度磁通量管前后边界重联事件. 本文共确定了71个重联事件, 统计结果显示有50个(70%)重联耗散区磁场的减小超过20%, 47个(66%)磁场剪切角大于90°; 多数重联事件的磁场剪切角大于90°, 表明小尺度磁通量管边界中主要发生的是反平行重联. 将小尺度磁通量管的前后边界重联分开进行统计, 结果显示其前后边界重联的特征是相似的, 与磁云前后边界存在差异的性质不同, 这意味着太阳风中的小尺度磁通量管并不具有磁云这种大尺度磁通量管的膨胀特征.
利用多卫星观测CIR事件演变的统计分析
王晶晶, 罗冰显, 刘四清, 龚建村
2012, 32(4): 477-487. doi: 10.11728/cjss2012.04.477
摘要:
根据2007-2009年STEREO-BEHIND (STB)和ACE卫星的行星际磁场和太阳风数据, 基于冕洞高速流从太阳向外匀速径向传输假设, 讨论了随着STB和ACE卫星与太阳之间的夹角从0°增大至70°时, 冕洞发出的高速太阳风形成的相互作用区(CIR)依次扫过STB和ACE卫星的时间差特性, 并统计分析了两颗卫星观测到的CIR参数的变化特征. 结果显示, 可以利用STB对CIR事件的观测来预测这个CIR事件到达ACE的理论时间, 时间误差均值和最大值分别为0.217d和0.952d, 时间误差的产生与STB和ACE卫星观测到的CIR速度大小的不同有关, 用速度差异矫正后, 时间误差的平均值和最大值可分别减小为0.194d 和0.489d; STB和ACE卫星观测的CIR事件太阳风速度最大值的线性相关系数达到了0.84, STB和ACE卫星观测到的CIR事件对特征物理量中速度、质子温度的变化最小, 而质子密度及总压力的变化最大. 分析结果表明, STB和ACE卫星观测到的CIR事件有很强的相似性, STB卫星的CIR观测可以作为ACE卫星观测CIR事件特征的参考, 从而为地球空间环境扰动预报提供依据.
2010年4月地球同步轨道相对论电子增强事件分析
郑金磊, 钟秋珍, 陈良旭, 刘四清, 丁铸
2012, 32(4): 488-500. doi: 10.11728/cjss2012.04.488
摘要:
为研究2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件的原因, 选取了2004-2010年之间高速太阳风下7个类似事件进行对比分析. 探讨了多种可能导致此次异常事件的太阳风和地磁条件. 结果表明, 较弱的磁暴使得相对论电子高通量区域更接近同步轨道, 此外, 哨声波加速很可能在2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件中起到重要作用. 磁暴强度与种子电子的注入深度密切相关, 表现为Dst指数曲线的形态与能量为30~100keV的电子高通量区域的下边缘高度吻合. 能量为30~100keV电子的注入深度影响了能量大于300keV的电子出现的磁层区域. 此事件中, 由于磁暴相对较弱, 种子电子向内磁层注入的深度较浅, 更靠近同步轨道区域, 这使得相对论电子大量出现的区域也靠近同步轨道, 最终导致同步轨道相对论电子通量异常增强. 另外, 2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件中, 高强度的亚暴提供了充足的种子电子并加强了波粒相互作用, 这也是相对论电子增强的必要条件.
雷暴期间次级宇宙线粒子强度瞬时变化研究
徐斌, 别业广, 邹丹
2012, 32(4): 501-505. doi: 10.11728/cjss2012.04.501
摘要:
雷暴期间大气电场强度变化及其伴随的宇宙线粒子增长的研究, 对于理解大气电场对宇宙线次级粒子的加速机制具有极其重要的意义. 2006年4月至 8月期间, 西藏羊八井宇宙线观测站记录到了20多次雷暴事件. 分析了雷暴期间, ARGO实验scaler模式下次级宇宙线计数与大气电场之间的相关性. 结果显示, 雷暴期间大气电场剧烈变化时, 多重数n=1, 2的次级宇宙线计数率有明显增长, 增幅在1%~9%之间, 然而n=3, n≥ 4的次级宇宙线计数率增长不明显, 甚至没有增长. 该结果为进一步研究雷暴期间大气电场对次级宇宙线的加速机制打下了基础.
中国典型区域Es特性研究
孔庆颜, 陈跃, 柳文, 凡俊梅
2012, 32(4): 506-512. doi: 10.11728/cjss2012.04.506
摘要:
利用中国海口、长春和拉萨三个站1976-1986年一个太阳周的观测数据, 对中国典型区域的Es特性进行了研究. 分析了不同强度Es (f0Es > 3, 5, 7, 9MHz)出现概率随本地时、季节以及太阳活动的变化规律, 并对电离层Es遮蔽情况(包括全遮蔽和半遮蔽)进行了系统分析. 研究结果表明, 各种强度的Es出现概率均是白天大于夜间, 夏季高于其他季节, 随太阳活动性变化规律不明显, 地区差异较大, 大部分情况拉萨站Es出现概率最高; 对于全遮蔽和半遮蔽特性, 不同站也表现出不同的分布规律.
2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究
雷霄龙, 符养, 薛震刚, 杜晓勇
2012, 32(4): 513-523. doi: 10.11728/cjss2012.04.513
摘要:
2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层NmF2, hmF2和110~750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数NmF2, hmF2和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.
返回散射电离图的前沿提取方法
冯静, 李雪, 齐东玉
2012, 32(4): 524-531. doi: 10.11728/cjss2012.04.524
摘要:
提出了返回散射电离图前沿提取的方法. 其中, 一层电离图前沿和两层电离图下面一层前沿是在消除干扰和噪声后的电离图上采用边缘识别方法进行提取的, 两层电离图上面一层前沿则是在仅经过干扰抑制的电离图上采用基于高斯型加权系数的能量梯度算法进行提取的. 本文提出的前沿提取方法准确率较高, 并且易于实现, 已在工程中得到应用.
太阳同步轨道真空紫外光电倍增管的高能粒子屏蔽方法研究
余迎庆, 王咏梅, 付利平, 孔春阳, 李小银, 王月
2012, 32(4): 532-536. doi: 10.11728/cjss2012.04.532
摘要:
空间辐射环境是导致光电倍增管性能衰变甚至失效的主要原因, 由于空间辐射环境的复杂性以及飞行器在空间活动的轨道、设计寿命和光电倍增管的类型不同, 光电倍增管需要的抗辐射屏蔽要求不同. 以太阳同步轨道高能粒子辐射环境为例, 对真空紫外光电倍增管进行了辐射屏蔽的Monte-Carlo计算, 在此基础上提出了运行于该轨道上的真空紫外光电倍增管的高能粒子屏蔽优化组合. 模拟计算表明, 采用Al-W-Al三层结构的屏蔽组合形式, 其中Al层厚2mm, W厚 0.5mm,可将辐射剂量从原本的9.98× 106rad (Si)降低到 8.41× 102rad (Si), 能较好地满足实际使用要求.
微重力和空间生命科学
不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究
赵建福, 李震东, 张良
2012, 32(4): 537-543. doi: 10.11728/cjss2012.04.537
摘要:
对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3~1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.
孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究
李晶, 赵建福, 薛艳芳, 魏进家, 杜王芳, 郭栋
2012, 32(4): 544-549. doi: 10.11728/cjss2012.04.544
摘要:
利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.
空间探测技术
挠性航天器系统动力学耦合特性研究
陆毓颖, 刘铸永, 洪嘉振
2012, 32(4): 550-554. doi: 10.11728/cjss2012.04.550
摘要:
基于单向递推组集方法, 对带柔性附件的航天器进行动力学建模, 研究了航天器姿态耦合系数的计算方法. 单向递推组集建模方法相比传统线性化方法, 其计算结果更精确, 推导过程完全依照刚柔耦合动力学模型, 完整保留了挠性附件弹性振动对系统质心和转动惯量的影响, 未作多余近似假设. 仿真算例表明, 该方法计算系统的耦合系数具有更高精确性, 说明了单向递推组集方法相比传统方法在挠性航天器系统刚柔耦合动力学问题中的优越性.
横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计
马庆甜, 李俊峰, 宝音贺西
2012, 32(4): 555-559. doi: 10.11728/cjss2012.04.555
摘要:
非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力aT与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角ic附近, 推力aT与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.
天基可见光传感器卫星监视地球同步带目标的轨道设计
唐毅, 吴美平, 李显, 付晓锋
2012, 32(4): 560-566. doi: 10.11728/cjss2012.04.560
摘要:
在分析地球同步轨道目标光学特性和位置特性的基础上, 确定了天基可见光(Space-Based Visible, SBV)传感器监视整个地球同步带目标的搜索栅栏位置以及搜索策略, 导出搜索栅栏与观测时间和观测次数之间的关系. 根据航天任务需求和SBV传感器特性, 确定了监视轨道的类型和参数约束条件, 给出了约束条件下监视轨道的选取范围, 并对其轨道观测效能进行仿真分析. 仿真结果表明, 通过适当选取监视轨道参数, 监视轨道对地球同步带的覆盖率均可达到90%以上. 如果SBV传感器视场达到4°×4°以上或搜索栅栏宽度大于40°, 其覆盖率高达95%以上.
深空通信中高性能低复杂度的QC-LDPC码构造方法
郭锐, 胡方宁, 刘济林
2012, 32(4): 567-574. doi: 10.11728/cjss2012.04.567
摘要:
LDPC码字具有优异的性能, 在空间通信中得到广泛应用. 为进一步降低LDPC码构造及编码的复杂度, 给出了一种高性能、低复杂度的QC-LDPC码构造方法. 设计了扩展近似下三角阵(extern Approximate Lower Triangular, eALT)结构的全局矩阵, 通过增加双对角阵结构全局矩阵的列重, 降低差错平底(error floor). 为降低传统循环移位系数选择的复杂度, 提出了一种基于Zig-Zag的移位系数设计方法, 采用数学公式计算循环移位系数, 无需计算机搜索即可完全消除长度为4的短环. 给出了所构造码字线性编码的实现过程. 仿真结果表明, 所提构造方法在保证线性编码复杂度的前提下, 增大了码字间最小距离, 降低了差错平底, 提高了码字性能; 采用结构化的方法设计循环移位系数, 无需计算机搜索即可消除4环, 所构造的码字与CCSDS标准中的码字在性能相近的情况下, 降低了实现的复杂度.
深空探测低信噪比通信研究
姜斌, 包建荣
2012, 32(4): 575-584. doi: 10.11728/cjss2012.04.575
摘要:
与传统无线通信相比, 深空通信由于传输损耗巨大、探测器能量受限且轨道多变等因素, 须解决信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)极低、数据接收不连续及信道参数多变等难题. 针对这些问题, 论述了在深空探测极低SNR下需重点研究的深空天线组阵、编码与调制、联合解调译码、喷泉码以及其自主无线电实现等关键技术, 以有效协助解决上述深空通信难题. 同时, 讨论了这些关键技术的发展趋势及其在未来深空通信中的应用.
辅助式GPS接收机信号发射时间恢复算法研究
曹卉, 袁洪
2012, 32(4): 585-591. doi: 10.11728/cjss2012.04.585
摘要:
当GPS接收机无法进行位同步、帧同步以及导航电文解调时, GPS接收机无法恢复卫星信号发射时间. 为解决该问题, 对基于迭代最小二乘的发射时间恢复算法进行了研究, 利用辅助GPS接收机中无线通信网络提供的卫星星历、卫星修正参数等辅助信息, 结合信号发射时间模糊度的遍历搜索, 完成了信号发射时间的恢复. 详细讨论了算法及其成立条件, 给出算法流程, 并推导出搜索因子的不同选取方案, 使该算法对接收机初始位置误差(150km)和初始时间误差(180s)没有限制. 通过仿真验证了算法的有效性.
导航解算中的有色噪声及其协方差矩阵自适应拟合
崔先强, 杨元喜, 张晓东
2012, 32(4): 592-597. doi: 10.11728/cjss2012.04.592
摘要:
使用Kalman滤波进行动态导航定位解算需要涉及函数模型和随机模型, 而在实际应用中, 精确的函数模型和随机模型很难直接给出, 因此, 动态Kalman滤波的精度和可靠性将会受到函数模型误差和随机模型误差的影响. 在假设观测噪声和动力学模型噪声主要是具有一阶自相关特性的有色噪声的基础上, 提出了一种基于移动窗口的有色噪声函数模型和随机模型的自适应拟合法. 给出了计算有色噪声估值和噪声协方差矩阵的表达式, 并利用实测数据验证了模型及算法的可行性和实用性. 计算结果表明, 该算法能有效抵制有色噪声对导航滤波结果的影响.
空间索杆铰接式伸展臂故障树分析
胡明, 邓国兵, 陈文华, 钱萍, 刘东旭, 潘骏
2012, 32(4): 598-604. doi: 10.11728/cjss2012.04.598
摘要:
结合空间索杆铰接式伸展臂的应用环境, 在分析空间索杆铰接式伸展臂组成和展开原理的基础上, 建立以伸展臂展开失效为顶事件的故障树, 分别对其进行定性及定量分析, 获得各底事件的失效概率、概率重要度和关键度结果, 确定引起伸展臂展开失效的主要因素. 结果表明驱动力不足、 角点滚轮卡死、精度失效是影响伸展臂正常展开的主要因素, 据此提出了相应的改进措施, 为空间索杆铰接式伸展臂的展开可靠性分析提供了依据.