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2013年  第33卷  第3期

日球层物理和太阳系探测
第23周不同角宽CME的分布及与太阳黑子数位相的比较
孟伟娟, 乐贵明, 林兆祥, 张咏, 杨星星
2013, 33(3): 225-230. doi: 10.11728/cjss2013.03.225
摘要:
统计分析了1996-2008年期间CME数量随角宽的分布, 将几个典型角宽的CME数量随时间变化的特征与太阳黑子数随时间变化特征进行比较. 分析结果表明, 角宽为0°~ 180°的CME占CME总数的95%以上, 全晕CME占2.83%, 角宽301°~ 359°的CME数量非常少. 角宽0° ~ 60°的CME有三个峰值, 与太阳黑子数随时间变化的特征不吻合. 角宽为121°~ 180°CME的数量无双峰分布. 全晕CME的分布具有明显的双峰结构, 第一个峰值出现在2001年, 第二个峰值出现在2005年, 与太阳黑子数的变化不同步.
太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究
陈文磊, 何建森, 吴式灿, 杨利平, 王爱华, 张磊, 涂传诒
2013, 33(3): 231-239. doi: 10.11728/cjss2013.03.231
摘要:
太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.
三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用
曹鑫, 吕建永, 杨志良, 刘子谦, 杨亚芬, 赵明现
2013, 33(3): 240-249. doi: 10.11728/cjss2013.03.240
摘要:
根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8Re)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.
质子地磁垂直截止刚度在2004年11月7-8日两个时刻处的数值模拟
甄杰, 楚伟
2013, 33(3): 250-257. doi: 10.11728/cjss2013.03.250
摘要:
利用单粒子轨道理论, 在T04和IGRF2000磁场模式建立的磁层模型基础上, 应用四阶龙格库塔方法, 模拟计算宇宙线带电质子在地球磁层中的运动以及沿天顶方向入射到达地球磁场内的某一特定位置, 得到了距地球表面450km高度处全球质子垂直截止刚度在2004年11月7-8日中两个时刻的计算值. 根据计算得到的684个不同位置处的截止刚度值, 分析了同一时刻地磁垂直截止刚度随磁纬和磁经的变化. 与此同时, 模拟计算了相同时刻下磁纬为30°, 磁经为0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°处, 地磁有效垂直截止刚度随高度的变化情况. 结果表明, 在磁纬30°处, 其质子有效垂直截止刚度随距离地心高度的变化沿向阳处向磁尾处方向, 变化越来越缓慢.
A Statistical Study on Seismo-Ionospheric Anomalies of the Total Electron Content for the Period of 56 M ≥ 6.0 Earthquakes Occurring in China During 1998-2012
Liu J Y, Chen C H, Tsai H F, Le H
2013, 33(3): 258-269. doi: 10.11728/cjss2013.03.258
摘要:
This paper reports statistical results of Seismo-Ionospheric Anomalies (SIAs) of the Total Electron Content (TEC) in the Global Ionosphere Map (GIM) associated with 56 M ≥ 6.0 earthquakes in China during 1998-2012. To detect SIA, a quartile-based (i.e. median-based) process is performed. TEC anomalies for the period of earthquakes without being led by magnetic storms about 10 days are further isolated and examined to confirm the SIP existence. Results show that SIA is the TEC significantly decrease in the afternoon period 2-9 days before the earthquakes in China, which is in a good agreement with the SIA appearing before the 12 May 2008 M8.0 Wenchuan earthquake.
太阳活动低年低纬地区VTEC 变化特性分析
刘国其, 龚建村, 黄文耿, 沈华
2013, 33(3): 270-276. doi: 10.11728/cjss2013.03.270
摘要:
利用福州台站(26.1°N, 119.3°E, 磁纬14.4°N)电离层闪烁与TEC监测仪2006-2010年的观测数据, 对该地区垂直总电子含量(VTEC)进行时间变化特性分析. 结果表明, 春秋冬三季的VTEC平均最高值出现在06:00UT, 夏季出现在08:00UT, 所有季节的平均最低值均出现在21:00UT; VTEC变化存在季节异常和弱冬季异常, 春秋季节高, 冬夏季节低, 夏季VTEC比冬季低且最大值出现时间延迟; VTEC在2006-2009年呈现下降的变化趋势, 2010年开始增强, 年际变化与太阳活动及地磁活动变化趋势具有较好的对应关系; VTEC变化与太阳活动存在很好的相关性, 相关系数达到0.5以上, 地磁活动则显示了弱相关的特性; F10.7与VTEC的相关性随着每天Kp指数总值Σkp的增大而减小.
IRI-2007预测TEC在广州地区的适用性分析
蔡超军, 黄江, 邓柏昌, 徐杰, 黄林峰, 全宏俊
2013, 33(3): 277-285. doi: 10.11728/cjss2013.03.277
摘要:
利用广州站(23.2°N, 113.3°E) GPS双频接收机监测的电离层TEC数据和IRI-2007模型不同电离层输入参数计算得到的TEC预测值, 对比分析了太阳活动低年(2008年)广州地区TEC的变化特征. 结果表明, TEC观测值周日变化在16:00LT左右达到最大值, 而IRI-TEC最大值出现时间较GPS-TEC提前1h左右. TEC季节变化在春秋分较高, 两至季节较低, 表现出明显的半年特性和季节依赖性, 并出现冬季异常现象. IRI-TEC与GPS-TEC在白天具有较好的一致性, 夜间偏差较大. 不同电离层输入参数得到的TEC预测值也相差较大, 选用顶部电子密度参数NeQuick、底部厚度参数B0 Table并用URSI系数计算F2层峰值参数时, 能较好地反映TEC观测值的变化特征. 在对磁暴的响应上, 预测值无明显变化, 观测值则有比较明显的表现. 通过对比, 初步分析了利用IRI-2007模型预测TEC在广州地区的适用性, 并给出了合理的参数选择方案.
高频通信最大可用频率的自适应预报
刘亚南, 刘学才, 王健, 蔺发军
2013, 33(3): 286-292. doi: 10.11728/cjss2013.03.286
摘要:
引入Volterra级数自适应混沌预报方法, 实现了高频通信最大可用频率的自适应预报. 基于青岛至新乡2007年3月和2012年3月最大可用频率观测数据, 通过不同太阳活动期单步预报、不同步长短期预报和不同训练样本长度预报结果的统计, 分析验证了方法的精确性、适应性和有效性. 分析结果表明, 采用Volterra级数自适应混沌预报方法进行超短期预测可以取得较好的预报结果, 适用于不同太阳活动期; 预测步长不大于1/12周期时, 预报均方根误差均小于0.79MHz, 与基于最大Lyapunov指数预报方法的结果对比表明, 该方法在观测数据少和信道时变特性强等情形下仍具有较高精度且应用简便. 其为高频频率预报技术的深入研究提供了基础.
微重力和空间生命科学
回转处理对雨生红球藻细胞结构、光合活性、糖及虾青素代谢的影响研究
张玉, 胡春香, 张德禄
2013, 33(3): 293-301. doi: 10.11728/cjss2013.03.293
摘要:
通过利用二维回转器模拟微重力, 对20d回转条件下雨生红球藻细胞结构、光合活性、初级糖代谢及次生代谢产物变化情况进行分析, 发现回转作用使得藻细胞体积变小, 形状变得不规则. 超微结构分析显示, 回转处理后, 藻细胞的淀粉粒变小, 类囊体膜结构排列松弛. 叶绿素含量在回转前期降低, 中后期提高. 类胡萝卜素含量及光合系统II活性在整个回转过程中均降低. 由此得出藻细胞光合活性的下降与叶绿体类囊体膜结构的变化及色素含量下降有关. 藻细胞淀粉粒变小、淀粉含量下降与淀粉酶活性的上升有关, 说明回转作用通过提高淀粉酶水解活性造成淀粉含量下降. 蔗糖和海藻糖的积累在藻细胞对早期回转条件的适应过程中发挥了一定保护作用, 同时造成合成此两种糖的单糖底物elax-elax葡萄糖和果糖含量下降. 在被称作适应期的回转中期, 叶绿素、葡萄糖和果糖均出现补偿性合成, 而蔗糖和海藻糖的积累相比回转前期出现相应下降. 雨生红球藻次生代谢产物虾青素在整个回转过程中均下降, 分析认为这是由虾青素的原初合成底物即类胡萝卜素合成的降低所导致.
空间探测技术
应用双向时间传递的重力卫星时标误差自主测量
陈莉, 王跃科, 杨俊, 张传胜
2013, 33(3): 302-307. doi: 10.11728/cjss2013.03.302
摘要:
星间时标误差的自主测量对于中国自主研发地球重力卫星具有重要意义. 提出利用双向时间传递法实现重力卫星时标误差的自主测量, 设计了测量方案, 建立了包含卫星运动导致的链路非对称、电离层效应、设备零值以及随机测时误差在内的测量模型. 结合地球重力卫星相关特性, 分析了时标误差测量中各误差源的影响及相应的误差校正方法. 以GRACE重力卫星为例, 利用提出的方法和校正措施, 星间时标误差自主测量精度可以达到0.62ns, 其中误差主要来自系统零值标定误差和随机测时误差.
甚高精度星模拟器星图显示与控制系统研究
孙高飞, 张国玉, 王凌云, 高玉军, 王向东
2013, 33(3): 308-312. doi: 10.11728/cjss2013.03.308
摘要:
为对甚高精度星敏感器进行地面标定和精度测试, 提出甚高精度星模拟器的研制, 其模拟精度应优于0.5". 在甚高精度星模拟器设计中, 对星模拟器的星图显示与控制系统进行了重点研究. 根据模拟精度要求, 提出利用星点板作为星图显示器件. 采用单点可控矩阵式LED照明系统作为星点板光源, 完成小天区静态形式的动态星图模拟. 通过设计星图显示控制系统, 编写控制软件, 实现每个LED的亮灭和灰度值控制, 完成了星图变换和星等模拟. 实验结果表明, 星图显示精度小于0.5", 可以实现动态变换以及星等模拟, 以满足对甚高精度星敏感器的地面标定和精度测试要求.
火星探测接近段的光学自主导航研究
崔文, 张少愚, 张树瑜, 宝音贺西
2013, 33(3): 313-319. doi: 10.11728/cjss2013.03.313
摘要:
目前光学自主导航技术已成为深空探测计划中的重点研究对象. 已有研究, 多侧重于光学自主导航技术在深空探测巡航段或是对小行星探测接近段中的应用, 而关于大行星探测接近段光学自主导航技术的研究比较少. 结合中国即将开展的火星探测计划, 研究了探测器在火星探测接近段中利用火星进行光学自主导航的整个过程, 提出了适用于接近段的动力学模型、光学观测模型及自主导航滤波算法. 通过对自主导航系统的可观测性分析, 证明了仅利用火星光学信息进行自主导航的可行性. 仿真计算结果表明, 在接近段, 整个光学自主导航的持续时间约为40h. 在自主导航的最后5h内, 滤波结果稳定, 探测器的总体位置误差在40km以内, 速度误差在0.25m·s-1以内. 计算结果的精度满足实际任务需求, 对中国火星探测计划具有直接的参考价值.
新一代卫星导航信号测量性能分析
王梦丽, 陈金平, 马志奇
2013, 33(3): 320-324. doi: 10.11728/cjss2013.03.320
摘要:
导航信号的测量性能最终影响系统定位、测速、授时等服务精度, 是系统顶层设计的重要论证内容之一. 结合COMPASS系统新一代卫星导航信号体制框架设计, 分析了各种应用条件下的伪距、载波相位和多普勒测量精度, 并以典型设计参数为例进行了数值计算. 结果表明, 在接收机典型设计参数和工作条件下, 各信号分量均能够实现0.1m的伪距测量精度、0.006周的载波相位测量精度以及0.005m·s-1的多普勒测量精度. 首次给出的针对新信号体制各项测量性能的研究结果可为卫星导航系统信号体制设计、 导航接收机关键参数设计以及卫星导航系统用户测距误差预算等顶层设计提供参考.
用于火星探测的电子分析器定标
张爱兵, 孔令高, 王世金, 孙越强, 朱光武, 李磊, 郑香脂
2013, 33(3): 325-330. doi: 10.11728/cjss2013.03.325
摘要:
用于火星探测的电子分析器采用了带偏转板的同轴圆柱形静电分析器, 该传感器方案在满足性能指标的同时实现了小型化. 利用法国空间辐射研究中心(CESR)的电子源, 对电子分析器两个传感器通道的静电分析器因子、能量分辨率、偏转板偏转因子、 方位角分辨率和极角分辨率进行了定标. 给出了上述参数的定标结果, 并对结果进行了分析. 结果表明,仪器的能量范围、能量分辨率、方位角视场及角度分辨率等参数均优于指标要求. 定标结果为电子分析器在轨数据处理和分析以及在轨运行参数设置提供了依据.
朗缪尔探针在轨快速除污染技术研究
刘超, 王世金, 孙越强, 梁金宝, 关燚炳, 韩英
2013, 33(3): 331-336. doi: 10.11728/cjss2013.03.331
摘要:
讨论了一种朗缪尔球形探针在轨快速去除表面污染的技术方法. 朗缪尔探针是空间等离子体原位探测的一项重要手段, 广泛应用于各种航天器. 探针传感器表面被污染时, 会造成探针I-V特性曲线失真, 从而导致探测获得的等离子体参数产生偏差. 通过试验验证了采用探针传感器加载高压的技术, 其可快速有效清除传感器表面污染, 确保朗缪尔探针在轨探测获得实时、准确的空间等离子体信息.
轨道末期星载相机侧摆成像匹配分析与实验
杨秀彬, 姜丽, 金光
2013, 33(3): 337-345. doi: 10.11728/cjss2013.03.337
摘要:
通过分析卫星轨道末期星载TDI CCD相机成像面临的数据读出频率过大、像移失配严重等瓶颈问题, 提出了轨道末期卫星侧摆成像匹配方案. 依据轨道衰减高度, 设计侧摆成像匹配模型, 计算出轨道高度与匹配成像侧摆角度之间的变化关系, 对侧摆成像时的像移速度矢量、偏流角度、成像畸变等进行了定量的可行性分析, 并利用蒙特卡洛方法分析了满足侧摆成像的卫星姿态指向精度和稳定度. 利用基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统和TDI CCD相机成像系统进行仿真试验, 结果表明, 仿真图像的MTF函数和互相关相似性测度均在0.85以上, 侧摆成像匹配方案能较好地满足轨道末期成像需求.
空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验
贾学志, 张雷, 金光
2013, 33(3): 346-352. doi: 10.11728/cjss2013.03.346
摘要:
针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题, 提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想. 以桁架杆重量最低为优化目标, 桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件, 桁架杆截面的内外径为优化变量, 建立了基于满应力准则的优化模型. 经过优化, 桁架杆截面的外径为50mm, 内径40mm, 质量6.1kg, 一阶固有频率121Hz. 采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核, 同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性, 对桁架组件进行了热变形分析, 得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求. 对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验. 试验结果表明, 桁架组件一阶固有频率119Hz 与理论分析结果基本吻合; 在45N外力载荷和15°C均匀温升载荷的作用下, 桁架稳定性能良好, 次镜的偏心和偏转均小于5", 满足光学设计要求. 优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点, 这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.