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2021年  第41卷  第4期

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前沿动态
NASA前6次“商业月球载荷服务”任务进一步明确
韩淋
2021, 41(4): 519-519.
摘要:
NASA发现火星上可能存在有机盐
王海名
2021, 41(4): 519-519.
摘要:
GRACE及后继任务揭示地球水循环随气候变暖而加速
范唯唯
2021, 41(4): 520-520.
摘要:
OSIRIS-Rex启程返回地球
范唯唯
2021, 41(4): 520-520.
摘要:
ESA开发用于天文望远镜的新型3D打印技术
王海名
2021, 41(4): 521-521.
摘要:
ESA批准第二项Scout任务
范唯唯
2021, 41(4): 521-521.
摘要:
中国成功发射天和核心舱
中国航天科技集团有限公司, 中国科学院
2021, 41(4): 522-522.
摘要:
发展战略
NASA2022财年申请248亿美元预算
王海名
2021, 41(4): 523-524.
摘要:
ESA公布Moonlight月球卫星星座计划
韩淋
2021, 41(4): 524-524.
摘要:
研究论文
利用锥模型反演CME三维参数
王子思翰, 罗冰显, 王晶晶, 孙晓婧, 刘四清, 龚建村
2021, 41(4): 525-536. doi: 10.11728/cjss2021.04.525
摘要:
CME会影响近地空间环境,带来地磁扰动,预报其能否到达地球及何时到达地球具有重要的应用意义.受观测能力限制,通常根据CME在太阳附近的日冕仪投影观测信息,利用锥模型拟合得到三维参数,进而以经验预报或代入行星际传播过程模拟,预报CME的对地有效性.在拟合过程中,可以采取不同时刻日冕仪观测数据作为输入,也可以选择是否限定CME发生在耀斑附近进行拟合,这有可能得到截然不同的CME三维参数,从而严重影响CME的传播预报结果.本文选取一个全晕CME事件和一个偏晕CME事件,分析了不同的数据输入和拟合方式带来的CME三维参数拟合结果的变化,评估其对CME传播预报的影响.研究发现,不同的数据源和拟合方式得到的CME三维参数有较大差异,影响了CME对地有效性的预报.后续有必要通过统计分析,评估采用哪些输入数据、哪种拟合方式,对CME对地有效性的预报更准确.
第23和24太阳活动周高纬地磁感应电流分布特性
魏佳筠, 左平兵, 宋小健, 周梓露
2021, 41(4): 537-545. doi: 10.11728/cjss2021.04.537
摘要:
基于高纬度芬兰Mäntsälä地区近两个太阳活动周期(1999—2017年)天然气传输管道的地磁感应电流(GIC,IGIC)观测数据,统计研究了GIC扰动的分布特征以及强GIC扰动与磁暴和地磁亚暴的相关性.研究发现:95.83%时间段的GIC强度分布在0~1A之间.定义:若某个时间段|IGIC|max> 1A,则认为发生GIC扰动;|IGIC|max>10A,则认为发生强GIC扰动事件.GIC扰动在磁地方时夜侧附近发生的概率最高,这主要与地磁亚暴发生期间电离层电流最剧烈的变化发生在磁地方时夜侧附近有关;强GIC扰动经常爆发式出现,且都发生在磁暴期间,但大多数磁暴并不伴随强GIC扰动事件发生.磁暴急始驱动的强GIC扰动事件较少,由磁层压缩引起地磁场突然增强驱动的强GIC扰动事件持续时间较短;强GIC扰动事件主要发生在磁暴主相和恢复相,由环电流变化驱动的强GIC扰动事件一般持续时间较长且强度较大.
基于对抗神经网络有限角度的磁层边界CT重构技术
王嘉璇, 李大林, 彭晓东, 孙天然
2021, 41(4): 546-554. doi: 10.11728/cjss2021.04.546
摘要:
对地球磁层进行软X射线成像探测是近年来磁层研究的前沿方向.由二维X射线成像图重构三维磁层边界的方法研究是与成像探测相关的重要研究课题.传统的计算机断层成像技术(CT)重构方法在图像数据很少时无法得到较好的重构结果,甚至无法重构三维结构.考虑到地球磁层空间分布范围方面的约束,当前卫星任务的轨道设计很难满足扫描角度的全方位覆盖,只能从有限角度观测磁层,这给磁层的CT重构带来困难.作为三维重构研究的基础,本文考查简化的二维磁层结构重构方法,采用基于对抗神经网络的CT技术对简化的地球磁层边界结构进行重构.首先使用改进的生成式对抗网络(GAN)对有限角度的卫星扫描图像进行图像补全,进而使用代数迭代重建方法(ART)重构磁层.实验表明,当扫描角度大于90°时,生成式对抗网络能有效准确地补全缺失图像,重构效果较好.
基于COSMIC掩星精密定轨数据的等离子体层电子含量研究
傅维正, 马冠一, 万庆涛, 李婧华, 王晓岚, 卢伟俊
2021, 41(4): 555-561. doi: 10.11728/cjss2021.04.555
摘要:
等离子体层是日地环境重要的组成部分.本文利用COSMIC掩星精密定轨数据经处理后得到的podTec文件获取等离子体层电子含量(PEC)对等离子体层进行研究.将podTec数据进行处理后获得的PEC(pod-PEC)和IRI-Plas经验模型提供的PEC (IRI-PEC)进行对比,发现pod-PEC与IRI-PEC符合得较好.在低(0°—20°)、中(20°—50°)、高(50°—90°)修正地磁纬度带下,分析了COSMIC在太阳活动极大年(2014年)3,6,9和12月的pod-PEC,得到如下结论:PEC随着纬度升高而逐渐减少,且3,9月PEC在中低纬关于磁赤道的南北对称性较好,6月北半球各纬度带的PEC明显高于南半球同一纬度带的值,而12月情况则完全相反,南半球中纬的PEC甚至会等于北半球低纬的PEC值;PEC在白天高而晚上低,高纬地区的PEC昼夜变化不明显;PEC具有明显的季节性.对于北半球,一年中PEC最大值出现在春季,冬秋季次之,夏季最低,具有明显的年度异常现象.
第24太阳活动周中国地区电离层闪烁统计特性研究
刘琨, 盛冬生, 孙树计, 朱庆林, 李静静
2021, 41(4): 562-567. doi: 10.11728/cjss2021.04.562
摘要:
利用第24太阳活动周中国多个地区GNSS电离层闪烁监测站数据,统计分析中国中低纬地区电离层闪烁特性.结果显示:电离层闪烁主要发生在春秋分及夜间20:00—02:00LT时段;在28°N以南地区,纬度越低电离层闪烁强度和发生概率越高;电离层闪烁发生概率与太阳活动呈正相关,太阳活动上升年电离层闪烁发生概率高于下降年;不同强度地磁活动条件下,电离层闪烁均可能发生,且与地磁活动强度整体呈负相关.通过研究电离层闪烁统计特性,可以为电离层闪烁机理的深入研究、预报及工程应用提供参考.
一种电离层TEC格点预测模型
殷梦婷, 邹自明, 钟佳
2021, 41(4): 568-579. doi: 10.11728/cjss2021.04.568
摘要:
基于分析时间序列数据的门限控制单元(GRU)神经网络模型,利用电离层TEC网格点历史数据、太阳活动指数、地磁活动指数作为预测因子,提出一种高精度电离层TEC格点预测模型.对全球60个网格点的数据进行了模型预测和对比实验,得到北半球平均相对精度的均值为83.96%,高于南半球的73.60%,表明预测模型在北半球的适应性更好,且中低纬地区的适应性优于高纬地区;预测模型在磁扰动期的平均相对精度的均值比磁平静期平均相对精度的均值高,约1.95%;与基于递归神经网络(RNN)、长短时记忆网络(LSTM)和双向长短时记忆网络(Bi-LSTM)的电离层TEC单站预测模型相比,本文预测模型的均方根误差(RMSE)平均为原来的80.8%.
基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计
靳梦雅, 郭伟, 刘鹏, 王彩云
2021, 41(4): 580-588. doi: 10.11728/cjss2021.04.580
摘要:
为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1~30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.
太赫兹大气临边探测仪遥感中高层大气风仿真
王文煜, 王振占, 段永强
2021, 41(4): 589-596. doi: 10.11728/cjss2021.04.589
摘要:
太赫兹大气临边探测仪(TALIS)是中国正在预研的第一台THz频段的临边探测仪,主要用于高精度、高分辨率的大气遥感测量.TALIS的观测目标主要包括大气温度、大气压强、大气成分(例如H2O,O3,HCl,ClO,N2O,HNO3等)的垂直分布以及长期变化趋势.由于TALIS的频段覆盖了许多重要的吸收谱线,其观测数据中包含大气风的多普勒信息,因此可以用于反演中高层风的廓线.本文针对TALIS视线多普勒风的观测进行仿真,利用辐射传输模型(ARTS)评估了TALIS测风的潜力和相应的反演精度.结果表明,TALIS的118GHz谱仪具有较好的测量精度,在70km处的精度为12m·s-1.183GHz,633GHz和658GHz谱仪也有一定的测量信息,反演精度分别为19m·s-1(60km),19m·s-1(50km),16m·s-1(50km).TALIS有一个候选的测风谱仪位于655GHz频段,其在55km处的反演精度为11m·s-1.此外,虽然降低谱分辨率能有效提高系统灵敏度,但并不能提高反演精度,需要通过降低系统噪声来提高测风的精度.
基于激光雷达夜间观测提取重力波方法的定量比较
郜颖哲, 刘晓, 徐寄遥
2021, 41(4): 597-608. doi: 10.11728/cjss2021.04.597
摘要:
以激光雷达夜间观测的温度数据的时空范围和时空分辨率作为参考,构造具有已知背景温度(由稳态背景、行星波和潮汐波组成)和重力波频谱分布的合成温度数据,针对合成温度数据,分别采用已有的夜间平均方法和时间滑动平均方法提取重力波.在此基础上,提出了用谐波函数近似表示背景大气变化的谐波拟合方法提取重力波.通过比较提取出的重力波与事先给定的重力波得到谱响应,利用谱响应定量分析各方法能够有效提取重力波的周期范围.研究结果表明:对背景温度成分敏感的夜间平均方法提取的重力波振幅易被严重高估;对半日潮汐比较敏感的时间滑动平均方法通常可以提取周期小于1.15倍窗口宽度的重力波;对背景温度成分不敏感的谐波拟合方法可用来提取周期小于0.4倍夜间时间长度的重力波.将各方法应用于Na激光雷达夜间观测的温度数据,从中提取重力波,结果表明时间滑动平均方法和谐波拟合方法可以得到较好的结果.
AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性
郭文杰, 姚志刚, 杨钧烽, 胡雄
2021, 41(4): 609-616. doi: 10.11728/cjss2021.04.609
摘要:
利用2012—2014年1月和7月AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)第79通道的观测数据,分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布;分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征,给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度;对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征,在低纬度地区(0°—30°),冬季半球重力波活动强度低,夏季半球重力波活动高;在中高纬度地区,冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月,全球重力波活动有4个突出的热点区域,分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地,20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月,重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区,以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天,但是夜间的强重力波活动区域小于白天.
地磁逐日比与新疆及周边地区强震关系
艾萨·伊斯马伊力, 冯志生, 陈界宏, 邢浩, 毛志强, 俎强, 赵家庆
2021, 41(4): 617-625. doi: 10.11728/cjss2021.04.617
摘要:
利用2009年1月1日至2019年12月31日新疆及周边区域12个地磁台站的地磁垂直分量日变幅数据,计算其日变幅逐日比,进而分析新疆及周边地区逐日比异常特征,研究其与磁暴和强震的关系.结果表明:强地震多发生在逐日比异常出现后半年,其中等待时间最短为20天,等待时间最长为220天,震中多位于异常集中区域或异常分界线及附近区域;新疆及周边地区逐日比异常报对率为78%,异常虚报率为22%,研究时间段内没有出现漏报现象,说明新疆及周边地区强地震与逐日比高值之间存在一定的相关性;若异常日前后未发生强磁暴或其Dst指数小于异常第二日,则异常可能性较大.本研究增强了地磁垂直分量逐日比异常判据的可靠性,其结果可以为新疆强震活跃期的判定及地震预报提供研究参考依据.
青海省柴达木盆地大气电场随高度的变化特征
陈涛, 李磊, 李文, 提烁, 吴晗, 王诗涵, 李仁康, 罗福山, 张华伟, 孙海龙, 苏建峰, 罗静, 韦峰, 徐轻尘, 曾宸, 何兆海, 董伟, 王廼权
2021, 41(4): 626-634. doi: 10.11728/cjss2021.04.626
摘要:
大气电场强度是大气电学的重要参数.大气电场的准确测量及其时空特性对研究空间天气活动、气象活动以及大型地质活动具有重要意义.2019年8月26日和28日,中国科学院鸿鹄专项团队在青海省海西蒙古自治州大柴旦镇地区放飞搭载模式电场仪的探空气球,测量了不同高度的大气电场强度.利用互相关函数法和主成分分析法研究了此次气球实验得到的电场数据.结果表明,尽管通常情况下决定大气垂直电场大小的主要因素是高度,但是该地区风场对大气电场强度的影响也比较显著.晴天大气条件下,有无薄云的存在对大气电场测量存在一定影响,有云条件下,风速会通过影响云的形成间接影响到大气电场.此外,柴达木盆地存在一个易受下垫面影响的大气电场边界层,分析表明这个边界层厚度在3km以上.对边界层大气电场变化以及晴天无云时3600m以上的大气电场分布进行了分析和拟合.
嫦娥一号和二号卫星微波探测仪数据的交叉定标与一致性
王雪影, 王振占, 张德海, 姜景山
2021, 41(4): 635-647. doi: 10.11728/cjss2021.04.635
摘要:
嫦娥一号(CE-1)和嫦娥二号(CE-2)卫星分别于2007年和2010年发射,其上搭载着相同的微波探测仪(CELMS).由于在轨定标和探测时间不同,两星的CELMS数据存在差异.为了提高数据的一致性,基于月球极区永久阴影区(PSR),利用两步定标法对两星的CELMS数据进行交叉定标和时间校正.通过对不同纬度的亮温进行分析可知:两星的CELMS数据在3GHz,19.35GHz和37GHz通道的一致性良好;在中低纬度区域,CE-2卫星7.8GHz通道的亮温较CE-1卫星高,随着纬度的升高,差异逐渐变小并趋于一致.为避免经度跨度大对亮温的影响,选取云海盆地对交叉定标结果进行定量分析,结果表明两星在该区域的一致性良好,平均误差小于0.2K.由此可知,交叉定标和时间校正明显提高了两次观测数据的一致性,减小了由测量误差和时间变化引起的差异.
脉冲激光诱发130nm体硅CMOS器件的单粒子闩锁效应
李赛, 陈睿, 韩建伟, 上官士鹏, 马英起
2021, 41(4): 648-653. doi: 10.11728/cjss2021.04.648
摘要:
基于130nm体硅CMOS工艺,设计了具有不同阱/衬底接触与MOS管有源区间距、NMOS有源区与PMOS有源区间距的反相器链,利用脉冲激光试验开展了不同设计和不同工作电压下CMOS电路的单粒子闩锁效应敏感性研究.结果表明,随着阱/衬底接触与MOS管有源区的间距减小,以及NMOS与PMOS有源区间距的增大,电路抗SEL效应能力增强.此外,不同工作电压下电路的SEL效应规律表明,电压越大,反相器电路的SEL电流越大,且随着阱/衬底接触与MOS管有源区间距的减小以及NMOS与PMOS有源区间距的增大,电路出现SEL效应的开启电压增大.结合CMOS中寄生结构和单粒子闩锁效应触发机制,分析了相关因素影响电路单粒子闩锁效应敏感性的内在机制.
喉区极光的机器识别
佟欣, 邹自明, 白曦, 钟佳, 胡泽骏, 李斌
2021, 41(4): 654-666. doi: 10.11728/cjss2021.04.654
摘要:
喉区极光是一种发生在电离层对流喉区附近的极光现象,是极光卵向低纬侧延伸出的南北向分立结构,其可能对应由磁鞘高速流与磁层顶作用引发的磁层顶重联过程.喉区极光研究对深入理解太阳风—磁层—电离层耦合过程具有重要意义.从长期观测所积累的大量全天空极光观测数据中准确高效识别出喉区极光结构,是开展喉区极光统计研究的基础.本文利用北极黄河站2003—2017年全天空成像仪的极光观测数据,建立了喉区极光图像标注数据集;基于密集连接卷积神经网络(DenseNet)对极光图像全局高维表征的自动学习,首次实现了喉区极光结构的机器识别.算法对喉区极光识别准确率达96%,且具有良好的泛化性能.研究表明基于深度学习的图像识别方法可用于从海量极光观测数据中自动识别喉区极光事件.
基于U-net的紫外极光观测极光卵形态提取
王梓涵, 佟继周, 邹自明, 钟佳, 白曦
2021, 41(4): 667-675. doi: 10.11728/cjss2021.04.667
摘要:
极光卵形态提取是极光研究的重要手段.如何提高强干扰背景下的紫外极光图像极光卵形态提取精度,目前仍是一个难题.本文提出一种基于深度学习语义分割模型U-net的方法,实现了对极光卵形态的高精度提取.在Polar卫星紫外极光观测数据的实验结果表明,该方法相比于已有算法精度更高,对完整型极光卵和缺口型极光卵图像均能得到更加精确的提取结果,特别是针对强日辉干扰、灰度不均匀和对比度低情况下的紫外极光图像时,该方法显示了明显优势.
基于混合编码的天文序列图像无损压缩算法
王颖, 周晴, 宋金伟
2021, 41(4): 676-683. doi: 10.11728/cjss2021.04.676
摘要:
提出了一种将时间和空间双维度预测与混合熵编码结合的图像无损压缩算法,应用于星体定点成像的天文序列图像.时间与空间双维度预测可以消除天文序列图像的时间相关性和空间相关性.混合熵编码融合了高熵编码与低熵编码算法,充分利用预测误差分布的稀疏性,进一步提升压缩效率.针对星体的天文序列图像,该算法首先在时间维度上进行帧间预测,去除时间相关性,再对帧间预测后的图像在空间维度上进行直方图滤波和上下文预测,去除空间相关性,最后将预测误差送入熵编码器进行编码.实验结果表明,本文所提出算法的压缩效果优于JPEG-LS,平均压缩比提升约15%.该算法结构简单,计算复杂度较低,易于硬件实现,适合星载天文图像的无损压缩.
基于语义的空间环境信息服务组合技术研究
王健, 鲁国瑞, 蔡燕霞
2021, 41(4): 684-690. doi: 10.11728/cjss2021.04.684
摘要:
随着卫星技术的飞速发展,保障空间技术系统的运行安全对空间环境预报业务提出了更高要求.本文根据空间环境信息服务中数据及模型资源分布式集成与共享的现状,针对空间环境预报数据智能化、自动化生成的需求,将Web服务技术及语义服务组合技术应用到空间环境信息服务中.根据空间环境领域特点,提出了空间环境领域的语义相似度计算方法,并采用基于语义相似度的方法实现空间环境信息服务的自动组合.