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2020年  第40卷  第6期

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前沿动态
“慧眼”发现迄今距离黑洞最近的高速喷流
中国科学院
2020, 40(6): 963-963.
摘要:
日本科学家开发太阳耀斑预测新方法
范唯唯
2020, 40(6): 963-963.
摘要:
嫦娥四号载荷首次获得月表粒子辐射剂量数据
中国科学院国家空间科学中心
2020, 40(6): 963-963.
摘要:
月球高纬度地区发现赤铁矿沉积物
范唯唯
2020, 40(6): 964-964.
摘要:
研究发现金星大气中可能存在磷化氢
韩淋, 范唯唯
2020, 40(6): 964-964.
摘要:
发展战略
俄欧研究空间环境对航天员大脑构造的影响
范唯唯
2020, 40(6): 965-965.
摘要:
ESA发射欧洲首颗对地观测人工智能卫星
范唯唯
2020, 40(6): 965-965.
摘要:
空间科技入选北约组织未来20年8大核心科技趋势
李明, 宋婷婷, 时蓬, 范全林
2020, 40(6): 966-966.
摘要:
NASA更新阿尔忒弥斯计划
韩淋
2020, 40(6): 967-967.
摘要:
日本发布新版《宇宙基本计划》
惠仲阳, 范唯唯
2020, 40(6): 968-968.
摘要:
研究论文
基于ACE飞船观测的银河宇宙线与太阳风变化的统计研究
郭孝城, 曹世豪, 熊明
2020, 40(6): 969-979. doi: 10.11728/cjss2020.06.969
摘要:
基于ACE飞船的资料,通过时序迭加方法统计分析了最近两个太阳活动极小年时期(2007.0-2009.0和2016.5-2019.0年)的宇宙线计数与太阳风参数的关系.结果表明,宇宙线的计数受太阳风共转流相互作用区的强烈影响,宇宙线计数变化与快慢太阳风流界面的位置密切相关,例如流界面的穿越通常伴随着宇宙线计数的下降.分析表明,第一时段的具有“雪犁”效应的宇宙线计数下降对应于流界面附近的扩散系数急剧下降,而第二时段的非“雪犁”效应的计数下降可能是由穿越流界面后的扩散系数增大引起的.日球层电流片也与宇宙线计数变化存在一定的相关性,宇宙线粒子在日球层电流片附近存在一定程度的堆积.太阳风对宇宙线的作用机制表明,宇宙线的漂移和扩散效应决定了其在1AU附近的分布变化.
三维MHD背景场下太阳高能粒子平均自由程模拟
王尚洁, 魏稳稳, 刘佑生, 朱雨及, 沈芳
2020, 40(6): 980-989. doi: 10.11728/cjss2020.06.980
摘要:
太阳高能粒子(SEP)的平均自由程是研究SEP传播的重要参数,由SEP的物理性质和太阳风物理性质决定.使用MHD-SEP模型对三维MHD背景场下的平均自由程进行了探讨,利用该模型具有可提供接近物理真实的太阳风背景场的优势,对SEP的平均自由程进行了定性分析.分别对太阳活动高年和低年选取2个卡林顿周进行模拟,定性分析其空间变化,并研究平均自由程与径向太阳风速度的相关性.结果表明:该方法得到的平均自由程空间分布与以往研究得到的关于平均自由程的结论相吻合,可以用来定性确立平行平均自由程;该模型可以反映不同事件中平行平均自由程分布的不同特征;表现了平均自由程与径向太阳风速度有很好的负相关关系.结果可为未来缓变SEP平均自由程研究作参考.
弓激波模型的对比
周悦, 吕建永, 王明, 袁换只
2020, 40(6): 990-999. doi: 10.11728/cjss2020.06.990
摘要:
使用Cluster卫星的弓激波穿越数据,比较了Peredo弓激波模型、Merka弓激波模型、Chao弓激波模型和Lu弓激波模型在极端太阳风条件、偶极倾角较大和平静太阳风条件下的预测精度.结果表明:Peredo模型在极端太阳风条件和平静太阳风条件下的预测误差均较大;Merka模型在极端太阳风条件下的预测误差较大;Chao模型可以较为准确地描述平静太阳风条件下的弓激波位型,但不能准确描述偶极倾角较大时的弓激波位型;Lu模型可以同时准确描述极端太阳风条件和平静太阳风条件下的弓激波位型.
地球磁层亚暴统计分析
李世友, 谢蓉, 肖扬
2020, 40(6): 1000-1006. doi: 10.11728/cjss2020.06.1000
摘要:
利用AL和AE指数对第24个太阳活动周发生的亚暴事件进行统计分析.主要统计了关于磁层亚暴的强度,亚暴初值与恢复值的关系,亚暴持续时间,亚暴恢复相与增长相(包括膨胀相)持续时间的关系等.统计结果表明:在第24个太阳活动周中2008-2016年发生的亚暴事件大部分比较剧烈,其峰值大都在200~1200nT;初值和恢复值大都在30~100nT,并且事件占比符合正态分布;大部分亚暴都能恢复到亚暴初值60nT以内,并且差值越小,事件的占比越大.大部分亚暴的持续时间较长,在100~400min之间,其中增长相(包括膨胀相)持续时间均在120min以内,并且持续时间越长,其事件占比越小;大部分亚暴事件的恢复相持续时间在60~300min之间,并且呈现出正态分布特征.绝大多数亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的10倍以下,其中约一半亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的1~4倍.这说明亚暴的能量聚集速度约为能量释放速度的1~4倍.
磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析
梅登奎, 闻德保
2020, 40(6): 1007-1013. doi: 10.11728/cjss2020.06.1007
摘要:
2017年9月8日发生了一次强磁暴,Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型(Regional Ionosphere Map,RIM)和区域ROTI(Rate of TEC Index)地图,分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况,同时利用不同纬度IGS(International GNSS Service)测站BJFS(39.6°N,115.9°E),JFNG(30.5°N,114.5°E)和HKWS(22.4°N,114.3°E)的GPS双频观测值,获取各测站的ROTI和DROT(Standard Deviation of Differential ROT)指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主,主要发生在中低纬区域,dTEC(differential TEC)最大值达到14.9TECU,随后电离层正相扰动逐渐衰减,在低纬区域发生电离层负相扰动,dTEC最小值达到-7.2TECU;在12:30UT-13:30UT时段,中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件;相比BJFS和JFNG两个测站,位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈,这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.
利用聚类算法区分小尺度电离层行扰事件与赤道等离子体泡事件
汪领, 尹凡
2020, 40(6): 1014-1023. doi: 10.11728/cjss2020.06.1014
摘要:
利用Swarm卫星2015年1月1日至2019年12月31日的50Hz高频磁场数据,根据阈值判断垂直于主磁场方向的扰动,对磁纬45°N-45°S之间的小尺度电离层行扰事件进行探测.为避免混淆而产生的干扰,可以根据阈值判断平行于主磁场方向是否发生扰动,从而排除典型的赤道等离子体泡事件.但对于较弱的赤道等离子体泡事件,扰动阈值判断无效.为避免弱赤道等离子体泡事件的污染,根据小尺度电离层行扰事件和赤道等离子体泡事件在不同参数空间中的密度分布差异,利用基于密度的聚类算法将赤道等离子体泡事件进一步甄别提取.结果表明,聚类算法能够有效地将赤道等离子体泡事件从小尺度电离层行扰事件中甄选出来,并使小尺度电离层行扰事件聚类与赤道等离子体泡事件聚类形成清晰的边界.由聚类算法导出的弱赤道等离子体泡事件主要分布在磁纬15°N-15°S,地理经度20°-60°W,月份10至3月之间,并且在20:00MLT-24:00MLT存在高发生率,同时依赖于太阳活动,这也验证了前人的相关研究结果.
实时电离层格网数据精度评估
赵金生
2020, 40(6): 1024-1029. doi: 10.11728/cjss2020.06.1024
摘要:
电离层延迟是制约单频接收机定位精度的重要误差源之一.为提高单频接收机的实时电离层改正精度,需要实时电离层数据.以中国科学院空天信息创新研究院提供的实时电离层数据为例,对比分析不同太阳活动期实时电离层数据及预报电离层数据与IGS最终电离层数据之间的差值以及不同太阳活动期、不同纬度测站的电离层数据对电离层延迟进行改正后得到的定位精度.结果表明:在低太阳活动期和高太阳活动期,实时电离层数据无法很好地反映大部分海洋上空的电离层变化特性;对不同太阳活动期,实时电离层数据在高纬度测站的定位精度优于预报数据和广播模型,在中纬度测站的定位精度略低于预报数据而与广播模型定位精度相当,在低纬度测站的定位精度略优于预报数据和广播模型.
利用掩星温度数据推算大气月平均纬向风场
杜晓勇, 杜智涛, 郭粤宁, 符养
2020, 40(6): 1030-1038. doi: 10.11728/cjss2020.06.1030
摘要:
为了弥补中高层大气风场探测数据的不足,对2007年COSMIC全球掩星在20~60km高度内的温度数据进行网格化插值,利用梯度风计算方法,计算得到20~60km高度内的月平均纬向风场,分别与ECMWF再分析数据和HWM07模式进行对比分析.结果表明,利用COSMIC温度数据计算得出的纬向风与ECMWF的纬向风十分接近,而与HWM07结果有一定差异,但总体变化趋势一致.与ECMWF再分析数据相比,利用COSMIC温度数据计算的月平均纬向风场平均偏差为-1.50~-0.08m·-1,标准差为1.50~11.95m·-1.与HWM07模式风场相比,利用COSMIC温度计算的月平均纬向风场平均偏差为-0.83~1.21m·-1,标准差为3.69~11.14m·-1.
氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析
杨晓君, 王后茂, 王咏梅
2020, 40(6): 1039-1045. doi: 10.11728/cjss2020.06.1039
摘要:
临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响,而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A(0,0)波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A(0,0)波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论,建立产生O2(b1Σg+)的光化学模型.计算气辉体发射率,基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果,对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.
基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真
崔洪鲁, 闫召爱, 张炳炎, 郭文杰, 胡雄
2020, 40(6): 1046-1051. doi: 10.11728/cjss2020.06.1046
摘要:
信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节,结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱,并采用大气辐射传输模型中的气溶胶模式模拟气溶胶对激光的衰减.利用激光雷达方程,数值模拟了355nm,532nm以及1064nm的回波信号,并将532nm的数值模拟结果与实测结果进行对比,评估了激光雷达系统的光学效率.
低温射流抑制空间液氢储罐温度分层的数值研究
郭斌, 赵建福, 李凯, 胡文瑞
2020, 40(6): 1052-1065. doi: 10.11728/cjss2020.06.1052
摘要:
液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂.空间微重力环境中浮力对流被极大减弱甚至完全抑制,当推进剂储罐壁面存在局部漏热时,储罐内部气液两相流会出现环绕漏热源的温度分层现象,引起局部过热沸腾,导致储罐内部压力急剧增大,危害系统结构安全.利用低温射流抑制温度分层现象是一种有效手段.低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合,消减局部高温,实现温度的均匀化.本文采用全充满的二维缩比储罐模型,对微重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的温度分层现象进行数值模拟,分析低温射流条件对于消除微重力条件下液氢储罐内部温度分层效果的影响.
基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析
姜志杰, 吴宗谕, 刘常青, 黄奕勇, 韩伟
2020, 40(6): 1066-1073. doi: 10.11728/cjss2020.06.1066
摘要:
推进剂贮箱是航天器系统的重要部件,用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下,贮箱内部液面呈弯曲状,掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱,采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究,分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响,得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明,球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大,随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析,为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.
Polar卫星在低高度时表面正高电位的统计研究
何语璇, 刘勇, 张强
2020, 40(6): 1074-1083. doi: 10.11728/cjss2020.06.1074
摘要:
基于Polar卫星1996-2008年的表面电压数据,研究了卫星在低轨区域出现正高电位(异常事件)与太阳活动的关系及其发生位置的磁地方时(MLT)分布.研究表明:太阳辐射与异常事件发生次数呈正相关,太阳活动越活跃,异常事件出现次数越多,但不会影响航天器表面电位;异常事件发生占比呈现明显季节性变化,在太阳活动高年,冬季和夏季次数较多,春季和秋季次数较少,在太阳活动低年,每月次数均维持在较低水平,而一个月内异常事件次数没有明显规律;在分布上南北半球表现出相似性,异常事件均不会发生在地磁纬度50°-60°区域,极区和昏侧发生次数较多,而不同的是异常事件在南半球发生得更多更集中;虽然太阳活动与航天器在低高度时表面出现正高电位的次数呈正相关,但即使在太阳活动峰年,航天器异常事件发生率也不超过10%.
空间碎片天基监测图像仿真研究
夏胜夫, 陈俊宇, 雷祥旭, 桑吉章
2020, 40(6): 1084-1090. doi: 10.11728/cjss2020.06.1084
摘要:
空间碎片天基光学监测可以有效弥补地基监测的时空覆盖缺陷.目前天基观测数据不足甚至没有数据,这给监测系统研制、数据处理算法研究及软件系统研发和验证造成了一定困难.因此,研发能够为相关研究提供空间监测图像的空间碎片天基监测图像仿真软件系统具有重要意义.本文根据天基监测图像的特点,研究基本算法,设计仿真流程,给出仿真图像并对结果进行分析.为得到符合实际观测场景的高精度仿真图像,软件系统采用瞬时惯性坐标系;基于Tycho2星表提出了采用基于索引文件的快速星表查询方法来生成背景星图;利用两行根数(Two-Line Element,TLE)数据集仿真空间碎片观测值;并对结果图像中目标的运行轨迹进行分析,得出天基监测空间目标的成像特性.仿真结果表明,该仿真系统能够针对不同观测条件和观测平台,在兼顾精度与时效性的情况下,获得较为真实的空间碎片天基光学系列观测图像.
运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法
张贺, 秦伟伟, 周城, 宋恒辛, 华玉峰, 王宇
2020, 40(6): 1091-1101. doi: 10.11728/cjss2020.06.1091
摘要:
为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度,基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法(Unscented Kalman Filter,UKF),设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度,采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法,增加了Sigma采样点数量,提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据,本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法,根据磁强计和太阳敏感器的观测信息,通过卡尔曼滤波原理中的增益计算,分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合,进而完成预测值的修正,得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值,降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.
基于单纯形法的TLE轨道确定
刘劲宏, 桑吉章, 刘宏康
2020, 40(6): 1102-1108. doi: 10.11728/cjss2020.06.1102
摘要:
TLE数据库是目前公开获得轨道信息的唯一来源,其包含的空间目标将持续增加.利用TLE数据库获得精确的定轨结果已成为研究重点.由于TLE数据本身精度未知且存在波动,需要利用历史TLE数据对参考时刻的TLE状态进行轨道确定.常用方法为最小二乘法,但是该方法具有局限性,需要较为精确的初始值,且误差评估不可靠,解易产生发散.为克服现有方法的局限性,本文提出了一种局部搜索算法——单纯形调优法来实现TLE轨道确定.为避免构建的初始单纯形搜索得到的最优解属于局部最优,引入蒙特卡罗方法对初始单纯形进行采样,获得一系列解的统计分布,通过求该分布的期望和方差获得最终结果.研究结果表明,将单纯形调优法获得的结果用于传播预报可显著降低位置和速度误差.
基于目标特性的航天器太阳光压面积计算方法
韩意, 陈明, 段成林, 欧阳琦
2020, 40(6): 1109-1116. doi: 10.11728/cjss2020.06.1109
摘要:
太阳光压是影响深空探测航天器轨道确定与预报精度最主要的摄动力.针对实际任务需求,采用了一种基于目标特性的光压面积建模与计算方法,根据航天器形状、尺寸、表面材料以及材料光学特性等信息,实现了分析型光压模型的建立与求解,提高了计算效率和精度,可快速计算目标在光照方向上的光压面积、投影面积以及光压比例因子等参数.通过长方体光压面积理论值与仿真值的对比,验证了该方法的准确性和有效性.针对复杂结构探测器开展了光压面积计算,可为深空探测航天器精密定轨中的光压模型解算、定轨及预报提供参考.
天基激光测距载荷单反射镜组件柔性设计与力热稳定性分析
柳鸣, 李振伟, 李响, 康喆, 韩琳楚, 刘永志
2020, 40(6): 1117-1124. doi: 10.11728/cjss2020.06.1118
摘要:
针对激光通信与测距一体化星间链路载荷轻小型单反射镜组件进行结构设计与力热稳定性研究,开展单反镜柔性支撑机构优化设计,根据运载力学环境与在轨力热环境工况,对反射镜组件进行光机集成分析,验证光机结构的在轨力热稳定性.分析结果表明,双层圆弧形槽口柔性支撑结构在温度拉偏后反射镜的面型精度均方根(RMS)可达λ/72,基频模态为417.93Hz,满足指标要求.进一步对反射镜组件进行动力学分析,随机振动分析结果表明,反射镜加速度响应均方根为11arms,满足3σ准则.通过0.2g正弦扫频试验验证了有限元模态分析相对误差为2.23%,实验结果表明,反射镜组件柔性支撑设计合理,力热稳定性分析结果基本准确可靠,满足工况要求.
基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略
梁捷, 秦开宇
2020, 40(6): 1125-1134. doi: 10.11728/cjss2020.06.1125
摘要:
谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统,以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性,使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型,设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络(Recurrent Fuzzy Neural Network,RFNN)逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求,利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作,该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.