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2014年  第34卷  第6期

日球层物理和太阳系探测
基于PCA方法对太阳活动区主要参量的分析
沈琳, 敦金平, 张效信, 蒋勇
2014, 34(6): 765-772. doi: 10.11728/cjss2014.06.765
摘要:
太阳耀斑与太阳质子事件的发生通常与太阳活动区存在非常密切的关系, 对这种关系的深入分析有助于太阳耀斑和太阳质子事件预报模型的建立. 本文利用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法对1997-2010年太阳质子事件所在活动区的主要参量进行分析, 选取的参量包括黑子磁分类、 McIntosh分类、太阳黑子群面积、10.7 cm射电流量、耀斑指数、质子耀斑位置和软X射线耀斑强度. 结果得到81个太阳活动主成分得分值排序(得分值代表每个事件的强弱), 与太阳质子事件峰值流量、太阳黑子年均值以及10.7 cm射电流量年均值的对比显示相似度非常高, 表明主成分得分值一定程度上可以反映太阳活动的强弱规律.
球坐标系六片网格下三维定态行星际太阳风模拟
张嫚, 周玉芬
2014, 34(6): 773-784. doi: 10.11728/cjss2014.06.773
摘要:
采用二阶MacCormack差分格式, 利用稳态的磁流体(MHD)方程组在球坐标系六片网格下模拟研究了行星际太阳风. 六片网格系统能有效避免极区奇性和网格收敛性. 迭代按径向方向推进求解, 很大程度上减少了计算量, 节约了计算时间. 内边界条件根据太阳与行星际观测确定, 比较测试了5种内边界条件, 模拟给出了1922卡林顿周的背景太阳风结构. 几种内边界条件所得模拟结果与行星际观测基本吻合. 太阳风速度采用McGregor 等的经验公式给出, 磁场由水平电流片(HCCS)模型得到, 密度和温度分别根据动量守恒和气压守恒得到, 研究表明采用这样的边界条件模拟结果最佳.
太阳高能粒子事件上升时间统计研究
简昳, 赖敏, 丁留贯
2014, 34(6): 785-793. doi: 10.11728/cjss2014.06.785
摘要:
选取1997-2006年共66个较大的缓变型太阳高能粒子(SEP)事件, 分析了不同条件下太阳高能粒子通量廓线上升时间与源区日面经向分布之间的相关关系, 研究了日冕物质抛射(CME)和耀斑在SEP上升阶段的作用特点.统计结果表明,大SEP事件的源区主要分布在太阳西半球, 特别是磁足点东西两侧45°范围内; 在高速太阳风条件下, 低能通道的通量上升时间与日面相对经度有较好的相关性,即离磁足点越远, 上升时间越长,而高能通道相关性则不明显; 全晕状CME产生的SEP事件对应的上升时间与源区位置没有明显的相关性, 而部分晕状CME伴随的SEP事件则与二次拟合曲线符合很好.分析表明,在缓变型SEP事件的通量上升阶段, 耀斑加速过程起着重要作用,这在部分晕状CME伴随的SEP事件中尤为显著.
亚暴偶极化中近地磁尾质子的非绝热加速
孟雪洁, 曹晋滨, 王铁砚, 马玉端
2014, 34(6): 794-801. doi: 10.11728/cjss2014.06.794
摘要:
亚暴偶极化过程中离子加速是亚暴粒子注入的重要产生机制. 通过试验粒子的方法模拟研究了亚暴偶极化期间磁尾等离子体片-8Re~-5Re处超低频电磁波对质子的加速过程. 研究表明, 质子在大尺度偶极化电磁场的作用下向内磁层注入, 与质子回旋频率相近的超低频电磁波能够引起低能质子发生非绝热加速. 质子在偶极化前后的能量变化与质子的初始能量密切相关, 初始能量远小于截止能量的质子, 末能量要比初始能量显著增加, 其值与扰动波频率相关, 且量级与偶极化造成的低能氧离子能量增加量级基本相当; 初始能量在截止能量以上的质子受超低频电磁波影响不大, 注入过程能量基本保持不变.
华南地区电离层闪烁的时空分布特征研究
左小敏, 黄江, 夏淳亮, 徐杰
2014, 34(6): 802-808. doi: 10.11728/cjss2014.06.802
摘要:
利用位于赤道异常区的广州(23.17°N, 113.34°E)和茂名(21.45°N, 111.31°E)两台站2011年7月至2012年6月观测到的GPS电离层闪烁数据, 分析比较了这两地电离层闪烁出现的逐月变化及地方时变化和空间分布特征. 结果表明, 中等强度闪烁(S4 > 0.4)和强闪烁(S4 > 0.6)的出现均呈现明显季节分布规律, 两站的闪烁活动均表现出春秋强, 冬夏弱的特点, 在时间上主要发生在20:00LT-24:00LT; 从空间分布来看, 两站的闪烁活动在2011年秋季, 闪烁出现的区域比较分散, 而在2012年春季, 主要在两站上空区域出现的闪烁最为频繁.
昆明上空电离层D区电子密度季节变化的首次观测分析
李娜, 陈金松, 丁宗华, 赵振维, 吴健
2014, 34(6): 809-814. doi: 10.11728/cjss2014.06.809
摘要:
通过分析2008年8月至2009年7月昆明站(25.6°N, 103.8°E) 中频(MF)雷达观测数据, 研究了太阳活动低年电离层D区电子密度的季节变化特性,发现D区电子密度主要呈现半年变化特征, 即在春秋季电子密度较大, 而在夏冬季则较小, 这与国际参考电离层(IRI)预测的年变化趋势不一致, 但与昆明站电离层测高仪的最低回波频率fmin的观测结果相符. 同时比较了D区电子密度半年变化与纬向风半年变化的关系, 发现二者之间保持了非常一致的变化趋势并对这种一致性的内在原因进行了分析.
基于伴随理论的Spread-F最优初值扰动提取研究及数值模拟
范鑫, 方涵先, 牛俊, 翁利斌, 杨旭
2014, 34(6): 815-821. doi: 10.11728/cjss2014.06.815
摘要:
通过讨论Spread-F扰动初值对于研究R-T不稳定性的必要性,分析初值扰动提取在人工诱导电离层方面的重要作用, 首次提出了应用伴随理论将电离层不稳定性基本方程与Spread-F观测资料相结合提取其扰动初值的方法. 推导了电离层不稳定性方程的伴随模式并进行数值模拟实验, 结果表明电离层不稳定性方程能够较好描述 Spread-F的发展过程; 伴随模式在利用不同迭代初值以及不同时刻观测资料进行反演时, 均能得到较为理想的结果, 表明利用伴随模式反演电离层 Spread-F初始扰动是可行的.
玉树地震前的电离层异常现象分析
张学民, 刘静, 赵必强, 徐彤, 申旭辉, 姚璐
2014, 34(6): 822-829. doi: 10.11728/cjss2014.06.822
摘要:
分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f0F2异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度Ni(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.
一种基于温度参数的热层密度修正方法
李勰, 唐歌实, 李正, 李翠兰, 刘舒莳
2014, 34(6): 830-836. doi: 10.11728/cjss2014.06.830
摘要:
热层大气的阻力效应是影响低轨航天器大量空间操作的重要因素, 尤其是经验密度模式, 其固有的至少15%的内符合误差已严重制约航天器轨道计算精度的提高. 针对广泛应用的经验密度模式, 选择物理背景简明、关联参数较少的JACCHIA71模式, 以地磁平静条件下的全球散逸层顶温度最小值Tc及125 km高度拐点温度Tx为对象, 建立密度相对于上述温度参数的条件方程, 推导密度相对于温度参数的解析偏导数, 并给出其最小二乘解. 同时, 利用CHAMP卫星数据对模式进行修正, 模式平均误差从40%降低至3%左右. 通过TG01飞行器的轨道预报比较, 修正前后轨道预报位置精度从2 km提升至1 km左右. 经过CHAMP卫星和TG01飞行器的实测数据检验, 验证了修正算法的正确性和有效性.
电离层等离子体主动释放试验研究
王劲东, 李磊, 陶然, 刘成, 刘跃, 程炳钧, 谢良海
2014, 34(6): 837-842. doi: 10.11728/cjss2014.06.837
摘要:
等离子体主动释放试验是空间物理研究的一种主动、有效手段. 2013年4月中国科学院空间科学与应用研究中心在海南进行了中国第一次空间等离子体主动释放试验. 探空火箭在190 km高度释放了近1 kg碱金属钡, 形成一团由钡原子和钡离子组成的云团. 利用地面光学观测手段, 记录了钡云从释放初期到末期的演化全过程, 获取了钡云亮度、粒子密度、成分及扩散范围随时间的变化规律. 通过对钡云漂移的研究, 得到低纬度地区释放点处电离层的中性风场特性, 其分析结果对于研究低纬度地区电离层动力学特性具有一定指导意义.
空间探测技术
电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法
周斌, 程炳钧, 张艺腾, 张镇祁, 王劲东, 李磊
2014, 34(6): 843-848. doi: 10.11728/cjss2014.06.843
摘要:
电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.
CAS-DIS数字电离层测高仪系统研制
王顺, 陈紫微, 张锋, 宫兆前, 方广有
2014, 34(6): 849-857. doi: 10.11728/cjss2014.06.849
摘要:
提出了将射频直接采样数字化的接收方式应用于数字电离层测高仪系统的设计方案, 并详细介绍了该方案在CAS-DIS (Chinese Academy of Sciences, Digital Ionosonde)电离层测高仪系统的应用, 给出了CAS-DIS电离层测高仪在中国武汉电离层探测标校试验场和武汉-北京斜向电离层探测系统中的实验结果. 观测结果表明, 采用本文提出的数字化方案设计的电离层测高仪系统性能优越, 且可以分别工作在垂直和斜向探测模式, 满足了电离层探测的多种应用需求.
探月飞行器软着陆光学自主导航的特征图形匹配方法研究
穆荣军, 高铭阳, 刘斌, 胡颖
2014, 34(6): 858-866. doi: 10.11728/cjss2014.06.858
摘要:
对基于特征图形匹配的月面精确着陆光学导航方法进行了研究, 包括图像特征点提取、特征图形构建以及特征图形匹配. 利用特征点间相对距离不变的特性, 确立特征点的连通规则, 解决存在平移、旋转和放缩等情况下的图形匹配问题. 利用多幅月面真实图片对算法进行仿真测试, 仿真结果验证了其有效性. 以所提出的特征图形匹配方法为基础, 设计仿真算例对导航方法进行验证, 结果表明, 基于特征图形匹配的光学导航方法可实时确定飞行器的位置和速度信息且精度较高, 是适用于探月飞行器精确着陆导航的有效途径.
An Improved Double r-iteration IOD Method for GEO UCTs Based on SBSS System
TANG Yi, ZHONG Wenan, LI Shuang, SHOU Junming
2014, 34(6): 867-871. doi: 10.11728/cjss2014.06.867
摘要:
The purpose of initial orbit determination, especially in the case of angles-only data for observation, is to obtain an initial estimate that is close enough to the true orbit to enable subsequent precision orbit determination processing to be successful. However, the classical angles-only initial orbit determination methods cannot deal with the observation data whose Earth-central angle is larger than 360°. In this paper, an improved double r-iteration initial orbit determination method to deal with the above case is presented to monitor geosynchronous Earth orbit objects for a spacebased surveillance system. Simulation results indicate that the improved double r-iteration method is feasible, and the accuracy of the obtained initial orbit meets the requirements of re-acquiring the object.
姿态角幅值约束下的太阳帆Lissajous轨道保持控制
张辉, 朱敏, 周建亮, 王永
2014, 34(6): 872-880. doi: 10.11728/cjss2014.06.872
摘要:
太阳帆航天器以两姿态角作为轨道控制输入时, 其轨道动力学方程具有非仿射非线性特性. 通过人工平动点处线性化获得的线性系统可完成太阳帆航天器轨道保持控制器的分析与设计. 由于线性近似模型为有误差模型, 存在近似有效范围约束, 表现为轨道高度约束和姿态角幅值约束. 本文研究了姿态角幅值约束对线性近似模型有效性的影响, 通过计算给出满足近似误差要求的姿态角幅值约束. 当控制输入存在幅值约束时, 控制器轨道修正能力受到束缚. 通过研究姿态角幅值约束下的最大允许入轨误差, 设计了最大允许入轨误差下线性二次型调节器(LQR)用于轨道保持控制, 并将控制器应用于太阳帆日地三体系统非线性模型中, 实现了日地人工L1点Lissajous轨道最大允许入轨误差的控制收敛和良好精度下的轨道保持控制.
随机扰动情况下绳系卫星状态保持阶段的最优控制
王长青, 张马林, 王伟, 李爱军, Y Zabolotnov
2014, 34(6): 881-886. doi: 10.11728/cjss2014.06.881
摘要(1023) PDF 633KB(10659)
摘要:
在考虑系绳弹性的情况下, 建立绳系卫星轨道面内运动的动力学模型, 并在系统平衡位置线性化, 得到绳系子星在随机扰动作用下的稳态保持状态方程. 引入基于卡尔曼滤波的状态估计方法和最优状态反馈控制策略, 提出了保持系统稳态运行的控制方法, 并以YES2空间系绳试验为参考模型设计了稳态保持控制系统. 分别在不考虑系绳弹性和考虑系绳弹性的系统模型下进行相应仿真分析, 结果表明所提出的控制方法能使系统具有良好的抗干扰性能, 系绳控制张力变化平缓且幅值小, 提高了系统状态保持阶段的可靠性和安全性. 同时系绳刚度系数的减小可使系绳纵向振动加剧, 但对横向摆动影响较小, 这为选取合适的系绳材料提供了理论参考.
星敏感器光谱探测能力用地面模拟测试系统设计
孙高飞, 张国玉, 刘石, 高玉军, 许可
2014, 34(6): 887-893. doi: 10.11728/cjss2014.06.887
摘要:
为实现对星敏感器光谱探测能力的测试和标定, 研制了一套可模拟恒星光谱的地面标定系统, 要求其光谱模拟精度优于10%. 采用光谱分布可控、光强可调的模拟照明系统作为地面标定系统的核心器件来模拟恒星光谱变化, 设计高成像质量准直光学系统使模拟星图成平行光出射, 在光学系统出瞳处产生星图, 完成具有恒星光谱信息的高精度星图模拟. 进而利用Lighttools建立标定系统的光谱仿真模型, 仿真结果表明恒星光谱模拟精度优于10%.
星载大型平板缝隙天线结构设计及热变形分析
范文杰, 栗晓鹏, 陈博
2014, 34(6): 894-898. doi: 10.11728/cjss2014.06.894
摘要:
以空间应用需求日益广泛的大型平板缝隙天线为研究对象, 介绍了其结构组成. 为减小天线热变形, 对天线外侧4个安装角的连接方式做了改进设计, 并在极高温和极低温两种工况下进行热变形分析, 得到改进前后两个方案的变形结果. 在极高温工况下, 天线阵面Y向热变形均方根值从改进前的0.52 mm减小到0.3 mm; 在极低温工况下, 天线阵面热变形均方根值从改进前的0.35 mm减小到0.1 mm. 结果表明改进后的方案满足设计要求, 从而确保了天线在轨电性能的指标.