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2012年  第32卷  第3期

日球层物理和太阳系探测
Effect of the Interplanetary Electric Field on the Magnetopause From Global MHD Simulations
Huang Zhaohui, Ding Kai, Wang Chi
2012, 32(3): 305-311. doi: 10.11728/cjss2012.03.305
摘要:
The north-south component Bz of the Interplanetary Magnetic Field (IMF) and solar wind dynamic pressure Pd are generally treated as the two main factors in the solar wind that determine the geometry of the magnetosphere. By using the 3D global MHD simulations, we investigate the effect of the Interplanetary Electric Field (IEF) on the size and shape of magnetopause quantitatively. Our numerical experiments confirm that the geometry of the magnetopause are mainly determined by PdBz, as expected. However, the dawn-dusk IEFs have great impact on the magnetopause erosion because of the magnetic reconnection, thus affecting the size and shape of the magnetopause. Higher solar wind speed with the same Bz will lead to bigger dawn-dusk IEFs, which means the higher reconnection rate, and then results in more magnetic flux removal from the dayside. Consequently, the dayside magnetopause moves inward and flank magnetopause moves outward.
A Prediction Method for Δf0F2min of a Single Station From Interplanetary Parameters Based on Statistical Study
Li Zheng, Wei Fengsi, Feng Xueshang, Guo Jianpeng, Xu Xiaojun
2012, 32(3): 312-320. doi: 10.11728/cjss2012.03.312
摘要:
Using 86 CME-interplanetary shock events, the correlation between the peak values of (a) the solar wind parameters (Bz, Ey, Pdyn) and the geomagnetic indices (SYM-H, ASY-H, Kp), (b) the coupling functions (Borovsky, Akasofu, Newell) and the geomagnetic indices, (c) the solar wind parameters/coupling functions/geomagnetic indices and the ionospheric parameter (Δf0F2min), are investigated. The statistical results show that in group (a), Bz min and SYM-Hmin have the best correlation, that in group (b), the best correlation is between the peak values of Akasofu function (Amin) and SYM-Hmin, and that in group (c), the best correlation is between Kpmax and Δf0F2min. Based on the statistical results, a method for predicting f0F2 of a single station is attempted to be set up. The input is modified Bz min and the outputs are SYM-Hmin and Δf0F2min. Then 25 CME-IPS events that caused geomagnetic storms in 1998 and 2009 are used to check the prediction method. The results show that our method can be used to predict SYM-Hmin and Δf0F2min.
磁静日期间中国大陆地区外源弱磁场研究
冯彦, 安振昌, 毛飞, 孙涵, 蒋勇, 柳士俊
2012, 32(3): 321-335. doi: 10.11728/cjss2012.03.321
摘要:
利用第四代地磁场综合模型CM4, 研究了中国大陆地区1960-2000年磁静日期间地磁外源弱磁场的变化情况, 计算并分析了外源场中的电离层感应场、环形场以及磁层感应场的分布和变化. 结果显示, 北向分量X的磁层感应场强度总体呈先增加后减少的趋势, 共减少了约7.3nT; 东向分量Y的磁层感应场强度呈先减少后增加的趋势, 共增加了约0.8nT; 垂直分量Z的磁层感应场强度呈先增加后减少的趋势, 共增加了约5.5nT. 三个分量的电离层感应场以及环形场变化幅度很小, 其分布在1960-1970和1970-1980年, 1980-1990 和1990-2000年呈现正负互相变换的现象, 认为该现象可能与太阳11年活动周期有关. 最后对弱磁场随时间变化的结果进行了分析说明.
2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量变化研究
莫晓华, 张东和, 覃健生, 叶锦凤, 萧佐
2012, 32(3): 336-342. doi: 10.11728/cjss2012.03.336
摘要:
利用中国区域内五个GPS台站(一个台站处于日全食区域、四个台站处于日偏食区域)观测数据, 研究2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量(TEC)的变化, 结果表明, 日全食期间, 电离层TEC值经历了下降和恢复的过程, 最小TEC相对于最大食偏的时间延迟约为1~10min; 台站测得最小TEC的星下点(IPP)越靠近日全食带TEC下降量越大, 在日食期间武汉站(114.35°E, 30.53°N) TEC相对于各参考日期的TEC, 其平均下降量最大, 达到4.58TECU.
利用热力学与统计物理方法研究电离层E层的形成
张静, 王劲松
2012, 32(3): 343-347. doi: 10.11728/cjss2012.03.343
摘要:
将太阳光子作为反应物引入电离层化学反应中, 运用化学热力学方法, 获得低电离层光化学反应的反应度及其化学平衡常数, 进而得到低电离层的电子密度, 并通过统计物理方法推导出相应的化学平衡常数. 结果显示, 运用热力学方法得到的低电离层电子密度与Chapman理论几乎完全一致, 表明利用热力学方法研究电离层的形成是可行的. 分别用热力学方法和统计物理方法得到的平衡常数之间存在一定的差异, 分析表明, 这是因为光化学过程中并非所有光子能量都转化成了电离能, 其中有一部分能量转化为热能或使粒子处于激发态, 这种差异的存在使利用统计物理方法推导电离层等离子体温度成为可能.
释放SF6气体扰动电离层时的人工气辉研究
黄勇, 程立, 张方
2012, 32(3): 348-353. doi: 10.11728/cjss2012.03.348
摘要:
在电离层高度释放SF6气体能够显著扰动电离层. 根据SF6分子在电离层中的扩散方程, 同时考虑其在电离层中主要的离子化学反应, 研究了SF6气体释放后电离层各粒子浓度的时空变化, 计算了产生人工气辉的体发射系数和发射强度. 结果表明, SF6气体在电离层高度释放后, 电子和O+的密度均有大幅度下降, 主要的负离子成分由电子转变成SF5-; 在释放过程中, 主要产生777.4nm和135.6nm两种气辉, 且前者的气辉强度远小于后者; 电离层温度对气辉的强度有很大的影响. 本文的数值计算与美国IMS/SF6实验观测数据进行比较, 结果近似, 且通过数据比较还能准确推断出实验时当地的电离层温度.
基于支持向量机方法的地球同步轨道相对论电子事件预报模型研究
王任重, 师立勤
2012, 32(3): 354-361. doi: 10.11728/cjss2012.03.354
摘要:
提出了一种基于支持向量机方法(SVM)的地球同步轨道相对论电子事件预报模型. 模型以平均影响值(MIV)作为指标, 筛选出预报输入参量. 这些参量包括, 前一日的大于2MeV电子日积分通量、太阳风速度、太阳风密度、Dst指数和前二日的AE指数. 模型包含回归和分类两个部分, 可以分别对未来一天的电子日积分通量和相对论电子事件强度的级别做出预报. 对2008年样本进行测试, 在相对论电子通量的预报中, 预报值和实测值之间的线性相关系数为0.85, 预报效率为0.71; 对相对论电子事件级别预报的准确率为82%, 可以较准确区分开事件状态与非事件状态. 结果表明, SVM预报模型对相对论电子事件有较好的预报效果.
星载全球大气波动成像仪研究
钱浩俊, 胡雄, 涂翠
2012, 32(3): 362-367. doi: 10.11728/cjss2012.03.362
摘要:
在卫星上对中间层顶区域的气辉辐射成像观测, 对于全球大气波动的监测和研究具有重要的意义. 利用TDICCD对O2A (0-0)气辉进行成像观测, 计算了曝光积分时间、信噪比和能达到的最高空间分辨率, 分析了地球自转对空间分辨率的影响, 在此基础上提出一种星载全球大气波动成像仪方案, 该方案可以观测垂直波长大于10km的大气波动, 最高水平分辨率可以达到0.33km.
微重力和空间生命科学
微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究
庞明军, 魏进家, 宇波
2012, 32(3): 368-375. doi: 10.11728/cjss2012.03.368
摘要:
气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景, 深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要. 采用欧拉elax-elax拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响. 液相速度场通过直接数值模拟求解, 气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪. 研究表明, 气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系. 在低微重力量值下, 气泡近似均匀分布在槽道内, 且对液相湍流统计量几乎没有影响; 然而当微重力量值较高时, 大量气泡聚集在壁面附近, 液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.
重力对单气泡生长特性的影响
杨燕, 潘良明, 魏敬华
2012, 32(3): 376-382. doi: 10.11728/cjss2012.03.376
摘要:
采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.
不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟
刘向东, 陈永平, 张程宾, 施明恒, 郝英立
2012, 32(3): 383-390. doi: 10.11728/cjss2012.03.383
摘要:
基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g0, 0.17g0, 0.38g0, 1g0 (g0=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.
空间探测技术
萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析
郑建华, 郭世姝, 吴霞, 李小玉, 张艺腾
2012, 32(3): 391-397. doi: 10.11728/cjss2012.03.391
摘要:
针对萤火一号火星探测器在2011年发射窗口的轨道进行初步设计. 在此基础上, 分析了萤火一号火星探测器绕火星飞行的轨道特性, 预报其穿越火星弓激波和磁堆积区域、CCD相机拍照时刻, 其与深空站进行星elax-elax地掩星试验和与俄罗斯Phobos-Grunt火星探测器进行星elax-elax星掩星试验的时刻. 结果表明, 萤火一号火星探测器在与俄罗斯Phobos-Grunt分离后一年的环火飞行时间里, 存在大量的科学探测机会.
TLE数据误差与基于TLE数据的交会预报分析
李大卫, 刘静, 张耀
2012, 32(3): 398-404. doi: 10.11728/cjss2012.03.398
摘要:
目前普遍使用TLE数据进行在轨物体的危险交会预报. TLE数据误差不仅会影响交会预报的准确性, 还是计算碰撞概率的必要参数, 因此, 只有准确估计TLE数据误差, 才能得到可信的碰撞概率数值. 本文采用两种方法, 即TLE数据自比和与高精度轨道预报数据相比较的方法, 计算TLE数据误差, 并分别利用TLE数据和高精度数据计算同一交会, 比较两种数据预报的交会结果差异. 结果表明, 采用TLE根数自比方法的计算误差偏小, 而使用精轨数据作为校准数据所得到的TLE误差更接近真实误差, 计算碰撞概率更为合理, 有利于减少虚警.
卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨
郭睿, 刘利, 李晓杰, 程越, 常志巧
2012, 32(3): 405-411. doi: 10.11728/cjss2012.03.405
摘要:
在基于伪距的GEO卫星精密定轨中, GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计, 需要独立的时间同步支持. 本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理, 利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度, 从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.
利用小波分析在轨识别空间目标轨道机动
苏建敏, 董云峰
2012, 32(3): 412-416. doi: 10.11728/cjss2012.03.412
摘要:
空间目标的轨道机动往往隐藏在测量噪声中, 不容易被识别出来. 轨道机动可以引起机械能的突变, 用空间目标与航天器的单位质量机械能差作为机动识别的特征信号, 不会引入航天器本身的定轨误差. 用小波多尺度分解处理含噪声的特征信号, 对分解后的数据利用算法识别是否存在机动. 仿真结果表明, 本文提供的方法能有效识别空间目标的轨道机动.
近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法
胡敏, 曾国强, 党朝辉
2012, 32(3): 417-423. doi: 10.11728/cjss2012.03.417
摘要:
针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.
光压摄动对卫星姿态轨道耦合的影响分析
崔文, 王家松, 宝音贺西
2012, 32(3): 424-429. doi: 10.11728/cjss2012.03.424
摘要:
随着卫星对地测量精度要求的不断提高, 对卫星轨道的精度要求也随之提高. 目前Topex, Jason-1, Jason-2等一系列海洋测地卫星的轨道计算精度已经达到厘米量级, 相应对卫星动力学模型的要求也越来越精细. 以Topex海洋测地卫星为背景, 考虑卫星帆板有规律的运动, 将其几何形状简化为高精度轨道计算中比较通用的Boxing-Wing模型, 计算了Topex卫星的Boxing-Wing模型在轨运行中受到的太阳光压力及光压力矩. 考虑卫星姿态和轨道耦合的情况下, 计算了太阳光压力及光压力矩对Topex卫星轨道半长轴和卫星姿态的影响. 通过一个轨道周期的计算可知, 光压对卫星轨道半长轴的影响大约为9cm, 对卫星滚动角和俯仰角的影响在6°左右, 因此, 在高精度的轨道计算和姿态控制中这个影响是应该考虑的.
由高能电子引发的风云二号C星跳变事件概率分析
闫小娟, 薛炳森
2012, 32(3): 430-434. doi: 10.11728/cjss2012.03.430
摘要:
通过对地球同步轨道高能电子监测数据(来自GOES)与风云二号卫星跳变事件的对比分析发现, 跳变事件均发生在高能电子增强事件即所谓高能电子暴期间, 因此初步断定, 跳变事件与高能电子引起的卫星介质深层充放电事件有关. 通过对不同通量高能电子增强事件期间所发生的跳变事件发生率进行量化计算, 给出跳变事件发生概率的计算方法, 为卫星在轨运行管理及防护提供参考.
考虑脉冲星角位置误差修正的XNAV算法研究
邓新坪, 郑建华, 高东
2012, 32(3): 435-439. doi: 10.11728/cjss2012.03.435
摘要:
航天器X射线脉冲星自主导航(XNAV)依赖于精确的时间测量与转换, 而脉冲星角位置误差会影响时间转换精度从而对导航精度产生不可忽视的影响. 本文在对XNAV算法的研究中, 采用了真实的脉冲星角位置误差. 通过将脉冲星角位置加入滤波器状态进行滤波处理来降低脉冲星角位置误差, 从而降低其对导航精度的影响. 仿真结果表明, 该方法能够有效抑制脉冲星角位置误差对导航精度的影响, 保证了导航精度, 研究结果对于XNAV的工程应用具有一定理论参考价值.
嫦娥一号干涉成像光谱仪2C级图像数据质量评价
刘斌, 凌宗成, 刘建忠, 张广良
2012, 32(3): 440-448. doi: 10.11728/cjss2012.03.440
摘要:
嫦娥一号干涉成像光谱仪(IIM)获取的多波段图像数据对于月表矿物成分反演具有重要意义. 从目视质量、客观参数、几何配准精度、图像质量随时间的变化情况等方面对IIM 2C级的多波段图像数据质量进行了评价. 结果显示, 其两端波段范围的图像质量较差, 不能有效识别月表单元, 中间波段图像质量较好; 自然色图像显示IIM数据存在明显的横向色调不均一性. 利用图像的客观评价指标(辐射精度、清晰度、信息量)将干涉成像光谱仪图像数据与美国Clementine UV-VIS多光谱图像数据进行对比分析, 结果表明, IIM数据清晰度好于Clementine UV-VIS, 而在方差和信息量上弱于Clementine UV-VIS. 将IIM图像数据与Clementine多光谱数据统一到相同的空间分辨率, 进行配准精度评价, 其最大控制点配准误差为0.63pixel. 此外, 还对时间跨度两个月覆盖月表同一区域的IIM图像数据从辐射精度、信息量和清晰度方面进行了评价.
增益对星载微波辐射计系统线性度的影响分析
何杰颖, 张升伟, 赵瑾, 张瑜
2012, 32(3): 449-454. doi: 10.11728/cjss2012.03.449
摘要:
针对星载微波辐射计中检波器的工作特性进行分析. 观测固定目标时, 通过调节AGC (Automatic Gain Control)的大小, 定量分析系统伏安特性曲线, 对星载微波辐射计系统线性度进行定性分析. 结果表明, 通过调节AGC大小, 系统增益发生变化, 导致检波器工作区间发生微弱变化, 通过两点定标不能完全消除由于增益引起的非线性误差. 对一定亮温范围的观测目标进行分析, 结果证明, AGC变化时反算亮温与实际目标亮温差值随观测亮温的变化而成非线性变化. 从而证明, 系统增益变化导致的亮温变化通过两点线性定标并不能完全消除. 在系统正常工作或实时定标过程中, 要尽量避免调节AGC值, 保证微波辐射计系统工作在线性区间.
微型紫外可见光谱仪及其电接口
于强, 余春, 翟光杰, 周炳红, 刘伟峰
2012, 32(3): 455-460. doi: 10.11728/cjss2012.03.455
摘要:
介绍了一种体积小(180mm×120mm×100mm)、重量轻(2.0kg)、功耗低(10.8W)并适合于在空间应用的紫外可见光谱仪. 同时提出一种将紫外可见光谱仪连接到空间生物舱总控器上的接口方案. 利用该方案设计的接口电路, 成功地将紫外可见光谱仪中的光谱数据传送到空间生物舱的总控器上, 使得地面监控人员能够直观地看到紫外可见光谱仪的测量数据. 介绍了紫外可见光谱仪与空间生物舱中总控器接口的通信协议和接口结构, 通过RS232接口从光谱仪中获取光谱测量数据, 通过CAN2.0B接口将光谱数据传送给空间生物舱的总控制器, 进而给出系统测试结果.