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2020年  第40卷  第4期

前沿动态
LIGO发现质量悬殊黑洞并合事件
王海名
2020, 40(4): 439-439.
摘要:
NASA利用Kepler早期数据发现宜居系外行星
王海名
2020, 40(4): 439-439.
摘要:
NASA太阳物理新任务将研究巨型太阳粒子风暴成因
范唯唯
2020, 40(4): 440-440.
摘要:
中国科学技术大学利用墨子号实现安全时间传递
2020, 40(4): 440-440.
摘要:
Proba-V即将结束全球植被生长观测
范唯唯
2020, 40(4): 440-440.
摘要:
发展战略
NASA向国家空间委员会提交可持续月球探索和开发计划
韩淋
2020, 40(4): 441-442.
摘要:
研究论文
Science Missions Using CubeSats
SEYEDABADI M E, FALANGA M, AZAM M, BARESI N, FLÉRON R, JANTARACHOTE V, JUAREZ ORTIZ V A, JULCA YAYA J J, LANGER M, MANUTHASNA S, MARTINOD N, MUGHAL M R, NOMAN M, PARK J, PIMNOO A, PRAKS J, REYNERI L, SANNA A, ŞIŞMAN T Ç, SOME J, ULAMBAYAR T, YU Xiaozhou, DONG Xiaolong, BALDIS L
2020, 40(4): 443-461. doi: 10.11728/cjss2020.04.443
摘要:
As the role of missions and experiments carried out in outer space becomes more and more essential in our understanding of many earthly problems, such as resource management, environmental problems, and disaster management, as well as space science questions, thanks to their lower cost and faster development process CubeSats can benefit humanity and therefore, young scientists and engineers have been motivated to research and develop new CubeSat missions. Not very long after their inception, CubeSats have evolved to become accepted platforms for scientific and commercial applications. The last couple of years showed that they are a feasible tool for conducting scientific experiments, not only in the Earth orbit but also in the interplanetary space. For many countries, a CubeSat mission could prompt the community and young teams around the world to build the national capacity to launch and operate national space missions. This paper presents an overview of the key scientific and engineering gateways opened up to the younger scientific community by the advent and adaptation of new technology into CubeSat missions. The role of cooperation and the opportunities for capacity-building and education are also explored. Thus, the present article also aims to provide useful recommendations to scientists, early-career researchers, engineers, students, and anyone who intends to explore the potential and opportunities offered by CubeSats and CubeSats-based missions.
行星际激波导致的磁尾等离子片中ULF波动事件
宋小健, 左平兵, 沈晓晨
2020, 40(4): 462-470. doi: 10.11728/cjss2020.04.462
摘要:
磁层中的超低频(ULF)波动在太阳风和磁层之间的能量输运过程中具有重要作用.ULF波动主要发生在内磁层,且内磁层中ULF波动影响粒子的加速及沉降,而在夜侧磁层尤其是磁尾等离子片中观测到的ULF波动比较少.基于中国自主磁层探测卫星TC-1的观测数据,发现了两例行星际激波导致的磁尾中心等离子片中ULF波动事件,并发现这两例ULF事例都包含很强的环向模驻波分量,与以往THEMIS卫星报道的同类事件观测特征相符.根据ULF波的观测特征,分析了这两例ULF波动的可能触发机制.研究结果有助于深入理解磁层对行星际激波的全球响应.
磁云边界层中的重联慢激波观测分析
周梓露, 左平兵, 宋小健
2020, 40(4): 471-478. doi: 10.11728/cjss2020.04.471
摘要:
在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件,在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系,且激波上下游的中间马赫数均小于1,上游的慢马赫数为2.94(>1),下游的慢马赫数为0.65(<1),符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低,局地阿尔芬速度高,同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动,这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.
磁暴恢复相后期超低频波观测分析
魏超, 戴磊
2020, 40(4): 479-492. doi: 10.11728/cjss2020.04.479
摘要:
利用Radiation Belt Storm Probes(RBSP)和Magnetospheric Multiscale(MMS)的联合观测研究了2016年1月25日和2月22日的两个超低频(ULF)波动事件.这两个事件均发生在磁暴的恢复相后期,波动分布在晨侧与正午之间的区域.RBSP观测到的两次波动都发生在低L-shell(4.7~5.8),MMS观测到的两次波动都发生在高L-shell(8.0~14.2).在高L-shell,超低频波偏振以环向波为主,沿磁力线方向为基频谐波.在低L-shell,超低频波偏振以径向波为主,沿磁力线方向为二次谐波.对内磁层(L<6)中的ULF波,通过比较∂f/∂w|μ,L和(dL)/(dW)(∂f)/(∂L)|μ,W的绝对值可知,bump-on-tail的离子分布和向地的离子相空间密度梯度通过N=1的弹跳共振,共同为波动的产生提供自由能.多重事例分析表明,在磁暴恢复相后期,约10keV的离子伴随着波动的存在而存在,并且为波动的产生提供自由能.
近地磁尾方位角流期间的场向电流增强
朱光振, 马玉端
2020, 40(4): 493-504. doi: 10.11728/cjss2020.04.493
摘要:
以往研究表明,地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流,电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时,通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA,THD,THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后,在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事件,与过去单颗卫星在不同时间段内的观测数据统计平均给出的结果进行对比分析发现,三颗卫星同时观测到的数据与过去单颗卫星在不同时间段内观测数据的统计平均结果存在较大差异.通过比较此事件期间等离子体流在xy平面的流场图发现,场向电流的大小与三颗卫星同时观测到的流场剪切度有较好的相关性.研究结果表明,方位角流期间近地磁尾和电离层通过场向电流耦合时,场向电流并不是在一个较宽的磁地方时内均匀分布,而是在一个局域化区域及较短的时间内产生强场向电流,这可能是由于方位角流在xy平面内的强剪切而造成的.
基于地磁坐标和Kriging技术的高纬地区f0F2重构方法
程华叶, 王健, 黄翔东
2020, 40(4): 505-512. doi: 10.11728/cjss2020.04.505
摘要:
为能够在高纬区域获取高精度电离层参数特性结果,提出了基于地磁坐标的高纬度区域电离层F2层临界频率(f0F2)的重构方法.该方法确定了基于地磁坐标的变异函数,通过求解改进Kriging方程得出估计值.方法的确定取决于对2种坐标系、2类电离层距离计算方法以及尺度因子的选取.通过对俄罗斯6个垂直探测站在太阳活动高年(2013年)和低年(2017年)的f0F2历史观测数据使用月中值进行交叉验证,证明了引入地磁坐标和利用球面距离计算方法对高纬度地区进行重构能够达到最优效果.相比现有方法,其整体标准误差和绝对误差均有所降低.上述研究证实了该方法的有效性,对电子信息系统的可用频率预测以及通信效能保障具有重要意义.
基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法
杜昱辰, 王劲东, 张艺腾
2020, 40(4): 513-522. doi: 10.11728/cjss2020.04.513
摘要:
卫星在轨运行时,本体会产生一定的磁干扰,一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装,或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时,张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真,对比5种构型的张量测量误差,发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差,张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正,校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差,提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明,校正后的非对准角度误差≤3.2×10-5 rad,能够很好地降低张量仪的非对准误差.
利用人工神经网络快速计算木星系磁坐标
王建昭, 马继楠, 贾晓宇, 田岱, 张庆祥, 李衍存, 朱安文, 邱家稳
2020, 40(4): 523-530. doi: 10.11728/cjss2020.04.523
摘要:
在木星辐射带研究中,从地理坐标向磁坐标的准确转换是建模基础.以往的建模中,磁壳参数L值的计算基于磁偶极场假设,该方法精确度较差.结合最新的高精度木星磁场模型JRM09,本文提出基于磁力线追踪法的木星磁坐标计算方法,并分析其合理性和必要性.要求精确度较高时,磁力线追踪法计算耗时很长.本文在磁力线追踪法的基础上进行改进,提出基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法.该方法包括分类器和拟合器.分类器基于Adaboost算法的BP神经网络,用于预测某地理坐标是否在内磁层,如果在内磁层,则用拟合器计算L值.拟合器采用遗传算法优化BP神经网络.结果表明,分类器的分类错误率在3%以内,而拟合器的预测误差在7%以内.以Juno号一圈探测轨道为例,利用神经网络的磁坐标计算法比磁力线追踪计算法速度快3个数量级以上.基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法可用于未来木星辐射带的研究.
火星表面高氯酸盐生物转化及原位制氧工艺技术
李艳菊, 吴月, 范春萍, 念念
2020, 40(4): 531-539. doi: 10.11728/cjss2020.04.531
摘要:
火星表面极端缺氧条件及广泛分布的高氯酸盐所形成的强氧化环境,对人类登陆探测及后续宜居环境建设构成直接威胁.根据对火星表面高氯酸盐分布的探测成果,地球上高氯酸盐生物降解研究进展,以及人类登陆火星对资源和环境的需求,提出了利用生物方法转化火星表面高氯酸盐进行原位制氧的设想与工艺,对其工艺过程、影响因素、关键技术与难点、行星保护与副产物资源化、后续火星环境改造等进行了前瞻性分析,有望在火星上同时实现高氯酸盐无害化处理与氧气原位制备,化害为益,为火星探测提供新思路与新方法.
头低位卧床对恒河猴骨代谢、糖脂代谢的抑制效应及其相关性分析
杨超, 徐子涵, 李铠, 张洪玉, 王海龙, 吴峰, 曹宏卿, 阚广捍, 李莹辉, 戴钟铨
2020, 40(4): 540-546. doi: 10.11728/cjss2020.04.540
摘要:
空间失重引起的骨代谢调节失衡是航天员遭受的最严重的危害之一.骨代谢失衡还有可能影响机体的糖脂代谢平衡.本研究利用恒河猴头低位卧床模拟失重效应实验方法,分析头低位卧床过程中恒河猴血清中骨代谢、糖脂代谢指标变化情况及其相关性.卧床组恒河猴血清中BAP在头低位卧床实验开始7天便出现了显著下降(P<0.05),血清胰岛素、高密度脂肪酸含量在7天显著下降并一直维持在较低水平,血糖含量在7天时显著下降,但在21天时明显回升.分析发现,骨钙素与血糖、皮质醇、高密度脂肪酸含量间均存在相关性,这表明头低位卧床模拟失重效应实验中骨与糖脂代谢之间存在相互调控.
基于自适应伪谱法的升力式飞行器火星进入段快速轨迹优化
孙志远, 刘智勇, 张鹏
2020, 40(4): 547-553. doi: 10.11728/cjss2020.04.547
摘要:
针对升力式火星飞行器定点着陆任务的轨迹优化问题,给出了基于自适应伪谱法的快速优化算法.综合考虑探测器火星大气进入过程中的动力学约束、边界约束、路径约束以及控制约束条件,利用自适应伪谱法将轨迹优化问题转换为离散的非线性规划问题,采用序列二次规划算法进行求解,得到性能指标最优的进入轨迹.通过仿真验证,给出了实现火星进入过程燃料消耗最优的状态量和控制量轨迹.仿真结果表明,在Matlab中采用自适应伪谱法,能够在800s内采用267个配点,给出近似精度为10-6的火星进入过程中消耗能量最优的参考轨迹.
基于低密度网格覆盖分析的重访星座优化设计
马原野, 郑建华, 李明涛
2020, 40(4): 554-561. doi: 10.11728/cjss2020.04.554
摘要:
快速重访星座在对地遥感、网络通信、气象观测、近地空间环境探测等领域具有重要应用价值.网格分析法是星座设计过程中对覆盖性能分析最常用的方法,其计算量较大.针对重访星座,结合正多面体球面剖分模型和采样点分组方案,提出一种低密度网格覆盖分析的星座优化设计方法,在保证设计结果精度的前提下,整体计算量减少了80%以上.实验表明,利用该方法优化设计的多组星座构型方案均具有很好的重访特性,且极大地减少了多次优化设计总时间.
簇飞行航天器网络动态连接和路径时空演进特性
莫金容, 胡圣波, 施燕峰, 宋小伟, 鄢婷婷
2020, 40(4): 562-571. doi: 10.11728/cjss2020.04.562
摘要:
簇飞行航天器模块的高速飞行增加了网络拓扑的不确定性.为优化簇飞行航天器的轨道设计,提升簇飞行航天器网络性能,在簇飞行航天器节点动态连接的基础上,开展基于概率连接矩阵的簇飞行航天器网络动态连接和路径时空演进特性研究.基于航天器双星伴飞模式,建立了簇飞行航天器节点移动模型,运用经验统计和曲线拟合的分析方法,得到簇飞行航天器网络节点间的距离密度函数;利用簇飞行航天器网络节点间相对距离有界的约束,给出节点连接距离的阈值范围;利用STK生成的轨道数据,通过给出序贯路径定义和一种新的矩阵乘法运算,得到节点多跳序贯路径的概率连接矩阵,分析轨道超周期内节点动态连接和路径时空演进特性,为簇飞行航天器网络的设计和优化提供理论参考.
北斗卫星空间信号故障与监测性能指标定义
王梦丽, 徐君毅, 向才炳, 姚李昊
2020, 40(4): 572-577. doi: 10.11728/cjss2020.04.572
摘要:
卫星导航系统指标分配与论证是指导和约束各大系统方案设计及工程实现的重要依据.完好性和连续性是系统服务性能的关键指标,能否满足用户需求主要取决于其中的空间信号故障和监测性能指标.以用户完好性和连续性要求为设计依据,定义了空间信号故障次数、平均故障率、故障漏检率、虚警率等系统指标与完好性、连续性等风险概率之间的转换关系.针对北斗系统及星座构成特点,按照国际民航组织规定的用户完好性和连续性风险概率需求,分析了不同空间信号故障条件对系统完好性监测性能的指标要求.研究结果可为北斗全球系统可靠性指标论证和设计提供依据和参考.
量子科学实验卫星密钥分发实验任务规划
张均, 杨正磊, 郭江, 冯帆, 李小龙, 席涛
2020, 40(4): 578-583. doi: 10.11728/cjss2020.04.578
摘要:
针对量子科学实验卫星密钥分发实验任务规划约束条件多以及时效性要求高的特点,基于对密钥分发实验过程及约束分析,建立了约束满足规划模型.以完成时限最短为优化目标,综合考虑任务规划所需光学及数传站资源分配,利用深度优先搜索算法对模型进行求解,解决了实验过程中多要素紧耦合、强时间约束的难题.仿真分析结果表明,所提出的模型及算法有效,能够满足量子科学实验卫星密钥分发实验星地交互的需求.
空间机器人双臂捕获航天器操作的无源自抗扰避撞从顺控制
艾海平, 陈力
2020, 40(4): 584-594. doi: 10.11728/cjss2020.04.584
摘要:
针对空间机器人双臂捕获非合作航天器过程中避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,在机械臂与关节电机之间设计了一种由旋转型串联弹性执行器(RSEA)构成的弹簧缓冲装置.通过缓冲弹簧变形来吸收捕获碰撞阶段产生的冲击能量,并采用合理的避撞从顺控制策略,保证镇定运动阶段关节受到的冲击力矩限制在安全范围内.应用拉格朗日方法及牛顿elax-elax欧拉法,分别建立捕获前双臂空间机器人开环系统及航天器系统动力学模型;结合冲量定理、闭链系统位置及运动学关系,得到捕获操作后两者所构成闭链混合体系统的动力学模型.为实现失稳混合体系统的镇定,提出了一种基于无源性理论的自抗扰避撞从顺控制方案.此外,运用最小权值范数法对机械臂各关节力矩进行分配,保证了各臂协调操作.通过数值模拟,验证了缓冲装置的抗冲击性能及控制策略的有效性.
基于树模型机器学习方法的GNSS-R海面风速反演
骆黎明, 白伟华, 孙越强, 夏俊明
2020, 40(4): 595-601. doi: 10.11728/cjss2020.04.595
摘要:
GNSS-R是基于GNSS卫星反射信号的一种新技术.GNSS-R技术可以运用到海面风场反演中,传统的GNSS-R技术反演海面风场主要有波形匹配和经验函数两种方法,风速反演精度约为2m·s-1.波形匹配方法耗时多,计算量大;经验函数方法通常只使用少量物理观测量,会造成信息浪费,损失一定的反演精度.为了提高海面风速的反演精度,引入机器学习领域常用的树模型算法决策树、随机森林、GBDT等对海面风速进行预测.利用GNSS-R与ECMWF数据构成训练集和验证集,训练集用于模型学习,验证集用于检验模型的反演效果.实验结果显示,决策树和随机森林预测误差约为0.6m·s-1,GBDT等算法的预测误差约为2m·s-1,满足风速反演要求.与GNSS-R传统反演方法相比,机器学习树模型算法效果更好,在验证集上表现稳定且误差较小.因此,可以将机器学习树模型算法运用到海面风速反演中.
1553B总线控制器编解码设计
李宪强, 安军社, 解彦
2020, 40(4): 602-607. doi: 10.11728/cjss2020.04.602
摘要:
1553B总线以其可靠性高、实时性好的优点被广泛应用于航天领域.针对目前中国采用进口芯片实现1553B通信存在的弊端,这里采用FPGA来实现1553B通信.当前1553B解码器只支持正负信号同时输入.本文对解码器进行改进,实现支持只正端信号输入、只负端信号输入和正负端信号同时输入三种模式.根据1553B编码器和解码器的设计过程和工作原理对所提方案进行测试.结果表明,本文设计方案与采用进口芯片的方案相比,测试结果一致性良好.经过大量测试,这里设计的具有自主知识产权的1553B IP核运行稳定,能够满足航天工程化的要求.
研究机构
空间科学论文数据仓储(SADR)
2020, 40(4): 608-608.
摘要: