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2011年  第31卷  第2期

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Theories and Simulations in Substorm Research: A Review
R. A. Wolf
2011, 31(2): 125-149. doi: 10.11728/cjss2011.02.125
摘要:
Both theory and simulation have played important roles in defining and illuminating the key mechanisms involved in substorms. Basic theories of magnetic reconnection and of interchange and ballooning instabilities were developed more than 50 years ago, and these plasma physical concepts have been central in discussions of substorm physics. A vast amount of research on reconnection, including both theoretical and computational studies, has helped provide a picture of how reconnection operates in the collisionless environment of the magnetosphere. Still, however, we do not fully understand how key microscale processes and large-scale dynamics work together to determine the location and rate of reconnection. While in the last twenty years, it has become clear that interchange processes are important for transporting plasma through the plasma sheet in the form of bursty bulk flows and substorm expansions, we still have not reached the point where simulations are able to realistically and defensibly represent all of the important aspects of the phenomenon. More than two decades ago it was suggested that the ballooning instability, the basic theory for which dates from the 1950s, may play an important role in substorms. Now the majority of experts agree that regions of the plasma sheet are often linearly unstable to ideal-MHD ballooning. However, it is also clear that kinetic effects introduce important modifications to the MHD stability criterion. It is still uncertain whether ballooning plays a leading role in substorms or has just a minor part. Among the different types of simulations that have been applied to the substorm problem, global MHD codes are unique in that, in a sense, they represent the entire global substorm phenomenon, including coupling to the solar wind and ionosphere, and the important mechanisms of reconnection, interchange, and ballooning. However, they have not yet progressed to the point where they can accurately represent the whole phenomenon, because grid-resolution problems limit the accuracy with which they can solve the equations of ideal MHD and the coupling to the ionosphere, and they cannot accurately represent small-scale processes that violate ideal MHD.
日球层物理和太阳系探测
A revisit of the phobos events
Wing-Huen Ip
2011, 31(2): 150-153. doi: 10.11728/cjss2011.02.150
摘要:
The magnetic field disturbances detected by the Phobos-2 spacecraft in 1989 have been suggested to be caused by a ring of dust and/or gas emitted from the Martian moon, Phobos. The physical nature of these ``Phobos events'' is examined using results from related investigations over the last twenty years. It is concluded that there is no clear evidence at present to support the association of magnetic field disturbances in the solar wind with Phobos. The situation will be further clarified taking advantage of the multi-spacecraft observations of the Yinghuo-1(YH-1), Mars Express and MAVEN missions beginning in 2012. It is expected that many novel features of solar wind interaction with Phobos (and possibly also Deimos) itself will also be revealed.
日冕物质抛射的磁绳正演法及源区投影修正方法的讨论
桂彬, 申成龙, 汪毓明, 叶品中, 王水
2011, 31(2): 154-164. doi: 10.11728/cjss2011.02.154
摘要:
利用磁绳正演法(forward modeling)研究了2007---2008年STEREO卫星观测到的21个结构清晰的日冕物质抛射(CME)事件, 得到这些CME事件在三维空间的运动速度; 与根据STEREO A星和B星观测速度进行源区投影修正得到的结果进行比较, 发现这种源区投影修正方法存在很大的局限性. 统计结果表明, 当CME源区在日面上的日心角距(CME源区和日心连线与观测点和日心连线的夹角)大于50º时, 修正速度与三维速度之间的差别不大; 当日心角距小于这个值时, 修正速度与三维速度差别明显, 尤其对于小日心角距, 相差甚大. 统计结果还表明, 当日心角距大于65º时, A星和B星得到的投影速度与三维速度相近, 投影速度可以作为CME的三维速度.
太阳风电子在月表电磁场中的运动
冯永勇, 赵华, 刘振兴
2011, 31(2): 165-169. doi: 10.11728/cjss2011.02.165
摘要:
月表磁异常区的分布是月球探测工程的重要内容. 但是由于月表电磁环境错综复 杂, 通常认为月球表面在特殊的空间天气条件下会带有数千伏电压. 以往的空间研究已经证实, 表面的带电与放电容易造成卫星仪器的异常或失联. 月表电场对电子 反射法有重要影响, 研究分析不同电磁条件下太阳风电子的运动轨迹,对月表环境 (电磁环境, 太阳风条件, 等离子体参数等)的研究可以更加深入细致. 通过模拟向月表运动的太阳风电子的运动轨迹, 分析了月表电磁环境的改变对太阳风电子反射 的影响, 并着重研究了月表电场对电子反射法遥感探测月表磁异常的影响, 为探测 月表电磁环境提供了重要的信息.
地球磁场对太阳风扰动响应的研究
丁留贯, 蒋勇, 徐飞
2011, 31(2): 170-175. doi: 10.11728/cjss2011.02.170
摘要:
分别对行星际激波、太阳风动压增大事件和减小事件的地球磁场响应进行了比较. 分析结果表明, 同步轨道磁场对太阳风扰动在向阳面产生较强的正响应, 在背阳面 响应较弱且有时会出现负响应, 地磁指数SYM-H对太阳风扰动的响应为正响应. 同时还得出, 向阳侧同步轨道磁场响应幅度d Bz与地磁指数响应幅度d SYM-H、上下游动压均方差均具有较好的相关性. 地磁指数响应幅度与同步轨道磁场响应幅度相关关系在激波和动压增大事件中具有一致性, 动压减小事件出 现明显差异, 这说明激波和动压增大事件在影响地球磁场方面具有某种共性.
基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报
芮磊, 余鹏, 赵华
2011, 31(2): 176-181. doi: 10.11728/cjss2011.02.176
摘要:
地球同步轨道区相对论电子通量的变化与该区域的磁场分量P(垂直轨道面指向北)有很好的相关性, 后者的变化相对于前者有1~2天的时间提前量, 这为相对论电子通量的预报提供了可能. 通过对二者相关性物理机制的研究, 结合GOES11 (135ºW)卫星数据分析, 确定最佳时间提前量和最优相关系数, 并提出了一个定量的预报模型. 模型的输出参量为24 h之后的当地时子夜(23:31 LT---00:30 LT)、清晨(05:31 LT---06:30 LT)、正午(11:31 LT---12:30 LT)、傍晚(17:31 LT---18:30 LT) 4个特征时间段相对论电子通量1 h平均值, 预报的相对论电子通量有>0.6 MeV和>2 MeV两个谱段, 预报精度0.7左右. 这种预报模式对地球同步轨道卫星的自主安全运行具有较好的应用价值.
利用神经网络技术提前一小时预报Dst指数
陈春, 孙树计, 许正文, 赵振维, 吴振森
2011, 31(2): 182-186. doi: 10.11728/cjss2011.02.182
摘要:
利用神经网络技术并考虑地磁活动的周期性, 提出了一种提前一小时预报Dst指数的方法. 网络的输入包括时间、季节、当前时刻及其一阶增量、二阶增量、前27天Dst指数的平均值. 以下一时刻Dst指数作为输出对网络进行训练, 训练好的网络可以提前一小时预报Dst指数. 分别用1985年、1986年、1990年和1991年Dst指数数据进行检验. 结果表明, 预报结果与观测数据符合较好, Dst指数预报误差的均方根分别为4.00 nT, 3.72 nT, 5.35 nT, 6.82 nT. 误差分析表明, Dst 指数的预报结果太阳活动低年比高年好.
2009年7月22日日全食期间电离层参量的变化
丁宗华, 孙树计, 陈春, 李娜, 许正文
2011, 31(2): 187-193. doi: 10.11728/cjss2011.02.187
摘要:
利用多个电离层垂测站的数据和IGS-TEC数据资料, 结合日地空间环境指数, 分析了2009年7月22日日全食期间中国地区电离层参量(反射回波最低频率fmin及f0F2和TEC)的变化特征. 结果表明, 日食发生后fmin迅速降低, 日食结束后fmin迅速恢复到正常水平; 在食甚时刻附近, f0F2和TEC出现明显的降低, 显示了明显的光食效应. 日食结束后5~6 h, f0F2和TEC出现不同程度的正扰动, 在驼峰区更明显; 日食结束后9~10 h, f0F2和TEC出现较显著的负扰动. 由于此次日食发生时伴随着中等强度的磁暴和低纬电场穿透等空间天气事件, 给此次日食电离层效应的深入分析带来很大困难.
VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析
赵庶凡, 申旭辉, 潘威炎, 张学民
2011, 31(2): 194-200. doi: 10.11728/cjss2011.02.194
摘要:
基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.
三频信标高精度TEC测量新方法
赵海生, 许正文, 吴健, 王占阁, 刘琨, 李娜, 陈金松
2011, 31(2): 201-207. doi: 10.11728/cjss2011.02.201
摘要:
电子总含量(TEC)是电离层探测的主要参量之一, 作为层析(CT)的输入参量, TEC测量精度直接影响电离层CT成像的结果. 过去主要采用双频信标测量TEC, 由于相位积分常数的求解、系统硬件延迟等误差, 使得TEC测量结果不能满足电离层CT高精度重建成像的要求. 三频相干信标技术的出现, 使得电离层天基测量技术有了新的发展. 提出了基于三频信标的传播时延-相位联合测量反演TEC的方法, 融合三频信标在电子密度随机起伏探测和相位积分常数计算两方面的优势, 进一步提高了TEC的测量精度. 模拟结果显示利用此方法的三频信标TEC测量结果提高了电离层CT的精度.
电波极化面旋转特性研究
赵红梅, 江长荫, 王健
2011, 31(2): 208-213. doi: 10.11728/cjss2011.02.208
摘要:
推导了电波极化面旋转角表达式, 利用实测电子浓度、地磁场磁感应强度模与磁倾角剖面,对定高载体、不同天线侧视方向与地球法线夹角、不同地区、不同频段、不同时段、不同太阳活动情况下的电波极化面旋转角进行了仿真, 并对仿真结果进行了分析, 得出了电波极化面旋转角的时域、地域、频域等规律和特性. 为这一领域的深入研究提供了参考.
空间探测技术
Boundedness of Formation Configuration for Nonlinear Three-body Dynamics
LI Peng, SONG Yongduan
2011, 31(2): 214-222. doi: 10.11728/cjss2011.02.214
摘要:
The configuration boundedness of the three-body model dynamics is studied for Sun-Earth formation flying missions. The three-body formation flying model is built up with considering the lunar gravitational acceleration and solar radiation pressure. Because traditional linearized dynamics based method has relatively lower accuracy, a modified nonlinear formation configuration analysis method is proposed in this paper. Comparative studies are carried out from three aspects, i.e., natural formation configuration with arbitrary departure time, initialization time and formation configuration boundedness, and specific initialization time for bounded formation configuration. Simulations demonstrate the differences between the two schemes, and indicate that the nonlinear dynamic method reduces the error caused by the model linearization and disturbance approximation, and thus provides higher accuracy for boundedness analysis, which is of value to initial parameters selection for natural three-body formation flying.
利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法------综合判据法
杨旭, 刘静, 吴相彬, 王荣兰, 于友成, 王人冬, 张耀, 李大卫
2011, 31(2): 223-228. doi: 10.11728/cjss2011.02.223
摘要:
及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.
基于矢量观测的陀螺故障诊断算法
胡迪, 董云峰
2011, 31(2): 229-235. doi: 10.11728/cjss2011.02.229
摘要:
卫星在轨运行期间, 采用反作用轮进行姿态控制及推力器进行位置保持, 星体惯量会发生改变并存在控制力矩. 提出了一种基于运动学方程的矢量观测算法应用于陀螺故障诊断, 采用广义罗德里格参数描述卫星姿态, 避免了四元数在计算过程中出现模值不为一的情况; 计算过程中采用四元数进行姿态运动学计算, 避免了广义罗格里德参数复杂的积分运算. 针对陀螺突变和缓变两种故障, 分别在角速度幅值变化很小和幅值缓慢减小两类情况下进行仿真. 仿真结果表明, 该算法可有效估计星体角速度, 在上述两类情况下均能准确地对突变和缓变故障进行诊断, 不受星体惯量变化和控制力矩的影响, 并且计算量较小, 对工程应用具有较好的参考价值.
GPS电离层反演方法研究及其在地震方面的应用
邢楠, 王小亚, 胡小工
2011, 31(2): 236-245. doi: 10.11728/cjss2011.02.236
摘要:
利用地基GPS数据计算了电离层单球壳模型穿刺点上的垂向总电子含量(VTEC), 根据VTEC和卫星及测站接收机的差分码间偏差DCB的不同时变特性采用了复弧法, 将VTEC作为局部变量(每30 min 一组, 可调), DCB作为一天的全局量进行解算. 在解算的过程中, 充分考虑VTEC的空间分布特性, 利用变异函数通过Kriging插值法建立电离层VTEC的二维格网模型, 并给出了卫星和接收机的差分码间偏差DCB. 通过与IGS结果的比较, 发现其结果可靠, 且时空分辨率和稳定性都有较大提高. 同时, 基于简化的三元样条插值基函数对电离层电子密度进行三维展开, 利用乘型代数重建技术MART算法构建了同批数据的四维层析成像结果, 获得了电离层电子密 度的四维分布. 其结果与CHAMP无线电掩星结果非常一致. 利用上面两种算法又分别对2008年5月长江三角洲地区地基GPS数据进行处理, 简要分析了该时段该地区上空电离层总电子含量和电子密度的变化情况及其对汶川地震的响应.
无轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位方法
刘洋, 徐毓
2011, 31(2): 246-253. doi: 10.11728/cjss2011.02.246
摘要:
虽然基于卫星轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位可获得厘米级精度, 但通常在一般条件下难以获取高精度轨道动力学模型. 本文提出了一种无轨道动力学模型条件下的高精度实时相对定位方法, 即利用GPS三差观测方程获得状态矢量的时间转移矩阵, 采用自适应UKF (Unsented Kalman Filter, 无迹卡尔曼滤波器)实时估计星间相对位置. 仿真结果表明, 相比传统的序贯点估计方法分米级的相对定位精度, 新方法在星间距离小于5 km时, 其相对定位精度可达厘米量级.
X射线脉冲星自主导航的卫星运动方程
费保俊, 潘高田, 肖昱, 韩春好
2011, 31(2): 254-259. doi: 10.11728/cjss2011.02.254
摘要:
基于X射线脉冲星的卫星自主导航模型中, 无论从理论上还是从测量精度方面考虑, 光子到达时间测量方程(观测方程)和卫星运动方程(状态方程)应在同一参考系中讨论. 在DSX体系中太阳系质心系是惯性系, 可以使用现行时间测量方程, 但卫星摄动加速度中除了地球多极矩、日月引力摄动和太阳光压三项外, 还应考虑相对论修正项, 计算表明该修正项导致卫星位置误差在10m量级. 而地心系是非惯性系, 在此系中卫星运动方程中的相对论效应导致卫星误差在10 cm量级, 因而可以忽略, 但要将BCRS的时间测量方程转换到GCRS中. 在此基础上建立的导航模型较为精确和完整.
漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计
陈志煌, 陈力
2011, 31(2): 260-268. doi: 10.11728/cjss2011.02.260
摘要:
讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题. 利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型, 结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系, 得到抓持系统合成动力学方程. 以此为基础, 考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性, 根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论, 针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案, 从而达到位置、力的混合控制. 为克服滑模控制器抖振的缺点, 附加设计了模糊控制器, 根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数, 从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振. 系统数值仿真证明了上述控制方案的有效性与准确性.