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2022年  第42卷  第2期

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MBSE发展趋势与中国探月工程并行协同论证
关锋, 葛平, 周国栋, 康焱, 任俊杰, 节德刚
2022, 42(2): 183-190. doi: 10.11728/cjss2022.02.210804082
摘要:
中国月球探测面临新发展态势,给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求,当前基于模型的系统工程、并行工程等新方法及新手段受到广泛关注。本文从MBSE(基于模型的系统工程)流程、方法、工具及应用层面对MBSE的现状进行研究,分析其发展趋势。结合中国探月工程任务需求和面临的挑战,设计中国探月工程基于模型的并行协同论证框架,论述了基于依赖图的跨专业、层级、地域的模型一致性维护和基于OSLC(面向生命周期协作的开放服务)的一体化协同论证环境构建等技术方案。通过国际月球科研站的论证设计开展初步应用验证,实现多岗位角色的协同论证,为探月工程全面推进基于模型的系统工程实施提供参考。
基于Green函数法的太阳高能粒子行星际扩散过程模拟
朱琳玲, 张效信, 顾斌
2022, 42(2): 191-198. doi: 10.11728/cjss2022.02.210326038
摘要:
统计分析了自1976-2017年期间记录到的217次SEP(Solar Energetic Particle)事件的日冕足点经度位置,其分布特征符合日冕横向分布的东西效应,同时基于两相传输模型及其Green函数解,对发生在不同日冕足点的四次SEP事件进行了模拟研究。模拟与观测结果表现一致,表明该模型能够较好地模拟发生在不同日冕足点的SEP事件。针对模型中多个传输参数开展的敏感性试验发现,SEP事件日冕足点经度位置能够影响观测结果的探测时间和峰值,而太阳风速对发生在不同日冕足点的事件具有不同影响机制;此外,日冕区扩散系数与SEP事件在日冕区的扩散过程相关,主要影响事件的强度峰值;行星际径向扩散系数的改变对于模拟结果的影响主要体现在峰值到达时间上,且由于SEP事件主要是在大尺度的行星际磁场中传播,行星际径向扩散系数对于模拟结果的影响最为显著,而表征粒子源释放时间尺度的逃逸时间对于模拟结果影响相对较小。
基于机器学习相似度算法的Kp指数预报
王子思禹, 师立勤, 刘四清, 钟秋珍, 陈艳红, 闫晓辉, 石育榕, 何欣燃
2022, 42(2): 199-205. doi: 10.11728/cjss2022.02.210316030
摘要:
基于机器学习中的相似度算法,建立了在历史太阳风数据中寻找与当前太阳风特征相近事例的推荐模型,用来预报地磁Kp指数。使用1998-2019年间随机选择的120个太阳风事例作为测试数据集,该模型能够推荐得到历史上与输入太阳风造成相似地磁影响的太阳风事例,最优事例的Kp指数与实际值的均方根误差为0.79,相关系数为0.93。本文的推荐模型不仅能获得推荐的太阳风事例的地磁Kp指数用作预报,还可以给出太阳风特征参数按时间序列变化情况对比,让预报员可以更好地结合自身经验进行预报。
日侧外磁层ULF波调制EMIC波的MMS观测
廖泽冬, 刘斯, 高中磊, 何茜, 李彤, 商雄军
2022, 42(2): 206-215. doi: 10.11728/cjss2022.02.210204018
摘要:
磁层多尺度卫星(MMS-1)在日侧06:30 MLT(磁地方时,Magnetic Local Time)外磁层大于2ReL 为 7.5~10.1)的范围内观测到多达21个波包的准周期性电磁离子回旋波(EMIC)事件。超低频(ULF)波和能量质子温度各向异性准周期性增强也被同步观测到。频率分析显示,ULF波的周期、质子各向异性周期和EMIC波包的周期非常接近。MMS-4卫星在约1 h后经过附近空间区域,研究发现随着ULF波的幅度减弱,EMIC波包的准周期性也逐渐减弱。研究结果为ULF波在日侧外磁层调制质子各向异性从而产生周期性EMIC波包提供了完整的观测证据链。同时,观测结果进一步证明,这种ULF波调制的EMIC波包能够在大于2Re的空间尺度内发生,且能够持续存在于几个小时以上的时间尺度。
基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布
程征伟, 史建魁, 王国军, 王铮, 尚社平, 王霄
2022, 42(2): 216-224. doi: 10.11728/cjss2022.02.210111005
摘要:
利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴(磁暴主相Dst<–100 nT)期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度(<64°)的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度(>74°)的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下(|AL|<100 nT),磁尾场向电流密度随磁地方时(MLT)呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。
初始电流片长宽比对非对称多重X线重联的影响
李灵杰
2022, 42(2): 225-231. doi: 10.11728/cjss2022.02.210113008
摘要:
采用可压缩电阻性磁流体力学模型,研究了初始电流片的长宽比${L_x}$对非对称多重X线磁场重联的影响。研究结果发现,当${L_x}$超过一定的阈值时,非对称磁场重联的演化过程中将伴有多重X线重联发生。进一步地研究结果表明,当${L_x}$越大,多重X线重联就越容易出现,相同时间间隔内所诱发的次级磁岛的尺寸也随之相应变大,不仅如此,次级磁岛的尺寸占整个模拟尺寸的比例也有所增大。对于${L_x}$比较大的情形,当非对称多重X线磁场重联发展到一定程度后,非对称多重X线磁场重联的重联点基本不随时间变化,并且所诱发的大尺度次级磁岛的大小也基本稳定,该结论与Magnetospheric Multiscale (MMS) 观测现象一致。因此这些结果可以用来解释一些卫星观测现象,尤其对空间物理中有关次级磁重联产生的多重X重联的观测有一定指导作用。
电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别
李博, 李磊, 苟晓晨, 周斌
2022, 42(2): 232-239. doi: 10.11728/cjss2022.02.210323033
摘要:
等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征。本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量(平均场向分量)数据都可以用来识别等离子体泡。由于Swarm卫星的标量磁场数据噪声明显低于矢量磁场数据,利用标量磁场数据可以提高等离子体泡的识别率,识别更多波动较小的等离子体泡。
基于小波分解与重构方法研究电离层偶发E层
王栖溪, 牛俊, 方涵先, 范鑫, 包赟
2022, 42(2): 240-245. doi: 10.11728/cjss2022.02.210127014
摘要:
电离层不规则体对卫星导航、通信、雷达系统等有重要影响。通过数值模拟及与实测数据的对比,论证基于小波分解与重构方法实现利用掩星数据反演电离层不规则体的可行性。以电离层偶发E层为例,利用国际参考电离层(IRI)模拟背景电离层电子密度分布,利用掩星探测的水平电子密度总含量δht反演不规则体信息,并与模拟数据进行比较。对2009年7月1-8日的COSMIC掩星数据进行小波分解与重构,将结果与SPIDR提供的地面观测数据进行对比。数值模拟及与实测数据的对比结果均表明,该方法能够较为准确地得到电离层不规则体的高度和强度信息,这对于电离层不规则体研究具有重要意义。
中纬度地磁暴期间热层垂直风响应机制的模拟
苏烨, 李婧媛, 吕建永, 王明, 魏官纯, 孙梦, 熊世平, 李正
2022, 42(2): 246-254. doi: 10.11728/cjss2022.02.210303023
摘要:
基于TIMEGCM模型,研究了2005年9月10日中纬度地磁暴期间热层(100~650 km)水平风场变化对垂直风的影响。通过连续性方程诊断分析了暴时引起垂直风场变化的机制,结果表明:250 km以上的垂直风场取决于水平风场的变化,而250 km以下的垂直风场由较高高度的垂直风拉动;在地磁暴初相开始时,经向风场相比纬向风场对暴时250 km以上的垂直风场影响更为显著,随着地磁扰动增强,纬向风场对垂直风场变化的贡献更大;温度场对地磁暴的响应遵循同样规律,扰动开始时,温度沿经线传播更快,经向风变化更大,扰动增强后,温度沿纬线传播更快,纬向风变化更大。
赤道地区热层纬向风反转时间和风速的经度分布差异
高洁, 王慧, 张科灯, 郑志超, 何杨帆, 孙璐媛, 仲云芳
2022, 42(2): 255-263. doi: 10.11728/cjss2022.02.210329039
摘要:
使用CHAMP卫星观测资料和TIEGCM模拟数据,研究了太阳活动低年春秋分季节赤道地区热层纬向风的反转时间和风速在经度分布上的差异,重点分析了离子拖曳力在不同地磁场构型下对纬向风速地理经度分布的影响。研究发现,纬向风一般在清晨时段由东向转为西向,下午时段由西向转为东向,但反转时间存在明显的经度差异,最大经度差异可达1.8 h,这主要是由于低层大气非迁移潮汐波的影响。非迁移潮汐波使下午时段的风场反转时间提前约2 h,更符合卫星观测结果;但其对清晨时段风场反转时间的影响不明显,从而使模拟结果与观测结果有较大差异。纬向风的经度四波结构主要来源于低层大气潮汐,但离子拖曳力对不同地磁场构型下的纬向风四波结构有一定的影响。分析发现,除低层大气非迁移潮汐波的作用外,离子拖曳力对纬向风四波结构的贡献约为25%,白天时段的贡献高于夜晚时段,在理想偶极子磁场时的贡献高于真实地磁场。
三相线钉扎的大液滴蒸发实验
赵栋栋, 朱志强, 刘秋生, 秦军, 陶跃群
2022, 42(2): 264-269. doi: 10.11728/cjss2022.02.210123035
摘要:
利用实践十号返回式科学实验卫星蒸发对流箱,开展了三相线处于钉扎状态且接触半径大于毛细长度的无水乙醇大滴在加热PTFE表面蒸发的地基科学实验。实验发现,液滴体积随时间线性递减,但钉扎大液滴蒸发过程中没有出现恒定接触角(CCA)阶段。与小液滴蒸发的恒定接触半径(CCR)阶段相同,大液滴的平均蒸发速率也与初始体积无关,表明受重力影响明显的大液滴蒸发主要发生在三相线附近区域。瞬时蒸发速率经历了迅速上升和之后的长时间内保持稳定两个阶段。与数值模拟结果对比分析发现,准静态扩散模型低估了三相线处于钉扎状态的大液滴瞬时蒸发速率,而同时考虑蒸气扩散与空气中自然对流经验模型的准确性取决于实验所用工质。
热毛细液层非模态稳定性分析
郑晟, 胡开鑫
2022, 42(2): 270-276. doi: 10.11728/cjss2022.02.201104097
摘要:
利用非模态稳定性方法研究了亚临界情况下的热毛细液层对初始扰动和外加激励的敏感性。通过瞬态增长函数和反馈函数分别反映流场对初始扰动和外加激励的放大。研究结果表明, 小Prandtl数(Pr)下的亚临界流动对初始扰动和外加激励均十分敏感,最大扰动放大与Reynolds 数(Re)的平方近似成正比。在大Pr下,只有回流的亚临界流动存在对外加激励的显著放大,其最大值分别随Re5Pr5呈线性增长。随着外加激励频率的增大,最优扰动波数逐渐减小。流场和温度场表明输出的扰动速度和温度量级远大于输入的量级,并且与管道流动相比存在明显不同。
基于雷诺数的大气阻力模型在飞行器再入预报中的应用
刘劲宏, 徐劲, 杜建丽, 潘建平
2022, 42(2): 277-283. doi: 10.11728/cjss2022.02.210222020
摘要:
随着对空间技术服务需求的增加和空间碎片主动移除技术的实现,未来空间碎片将以数量多、质量大、难分解等特点频繁再入大气层,给地面人员和财产安全造成更多威胁。因此,亟需对火箭体等大型航天器的大气再入进行预警,然而因缺乏合适的大气阻力系数模型难以实现高精度的大气再入预报。为此,在简化航天器模型的基础上引入基于雷诺数的大气动力模型,通过RK6(7)对运动微分方程数值积分得到预报结果,并与高精度数值轨道传播器HPOP以及半解析轨道传播器WHU-SST的预报结果进行对比。实验表明:在运动微分方程中引入基于雷诺数的大气动力模型提前30天对火箭体进行大气再入预报,精度显著提升,某些目标的预报误差从96%下降至7.8%;仅使用TLE数据,将新模型用于地面风险评估能够使真实陨落位置位于预报的统计陨落位置中。
基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真
陈武祥, 王劲东, 吕尚, 李云鹏, 薛永亮, 宋伟
2022, 42(2): 284-293. doi: 10.11728/cjss2022.02.210121010
摘要:
设计了一种基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的高精度数字磁通门磁强计,建立了数字磁强计信号处理仿真模型,并利用Matlab的Simulink仿真工具开展了数字磁通门磁强计模型的仿真分析,对数字磁强计系统的噪声、线性度、响应速度和频率响应进行了仿真计算。利用本文1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁强计在量程超过±105 nT的情况下,系统在1 Hz处的噪声仅为4.66 pT·Hz–1/2,最大线性偏差为0.16 nT,动态响应速度达到2×106 nT·s–1,频率响应带宽超过10 Hz。仿真结果表明,基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁通门磁强计可以有效降低对A/D转换器精度的要求,在保证性能的前提下大幅度降低了电路复杂程度,提高了系统的可靠性,在深空探测、空间磁场测量等领域具有广泛的应用前景。
稻城太阳射电望远镜(DSRT)天线遮挡效应仿真
路光, 王冰, 陈耀, 吴季, 阎敬业, 武昭, 严发宝, 武林
2022, 42(2): 294-305. doi: 10.11728/cjss2022.02.210202017
摘要:
稻城太阳射电望远镜(DSRT)由313面6 m直径抛物面天线组成。天线接收信号幅值和相位的精确修正是决定DSRT成像质量的关键因素。然而DSRT阵列可能会出现邻近天线相互遮挡的问题,从而改变接收信号的幅值和相位,影响其成像质量。利用电磁仿真软件计算了接收频率为300 MHz(波长λ=1 m)时的相邻两单元与相邻三单元两种情况。三元系统中遮挡效应的影响仅比双元系统中相关影响略为显著。在本文考虑的最严重的遮挡情况(天线边缘的投影间距D = –1λ)下,对于双/三元系统,相对于单天线系统水平和垂直增益分别降低了0.6/0.6 dB和 0.3/0.4 dB,相位偏差分别为–3.3º/–3.871º和–1.744º/–2.244º。此外还分析了其他遮挡情况。研究表明DSRT系统中的天线遮挡效应分析可由双元系统充分描述,在后期数据处理时应适当考虑该效应,尽量提升DSRT数据的利用效率和成图质量。
ARIMA-SVR组合模型在卫星遥测参数预测中的应用
顾昕雨, 肖志刚
2022, 42(2): 306-312. doi: 10.11728/cjss2022.02.210106002
摘要:
为辅助卫星在轨运行提供决策分析支持,结合卫星遥测参数的时间序列特性,利用一种ARIMA-SVR组合预测方法,通过对卫星遥测参数进行预测,判定实际遥测数据是否处于正常范围。该组合模型利用ARIMA模型对预处理后的数据进行线性拟合,并利用SVR模型对数据的非线性部分进行补偿。以KX09卫星星敏A的温度遥测数据为基础,分别利用组合模型对短期及中期星敏A温度进行预测,得出短期和中期均方根误差(RMSE)分别为0.768和0.968,相比单一ARIMA模型,短中期RMSE分别提高46.2%和16.4%。此外,对该卫星陀螺B的x轴角速度进行了短中期预测:短期预测中,组合模型比单一ARIMA模型的RMSE提高71.2%;中期预测中,组合模型比单一ARIMA模型的RMSE提高64.2%。实验结果表明,ARIMA-SVR组合模型为保证卫星在轨正常运行提供了有效的决策分析支持。
无人机机载干涉阵列外场试验平台
胡雅斯, 邓丽, 朱尧
2022, 42(2): 313-320. doi: 10.11728/cjss2022.02.201203105
摘要:
超长波波段的电波波长为十米到几百米,如果要在超长波波段对宇宙射电信号实现高分辨率成像,天线口径通常需要达到波长数百倍乃至数千倍以上,传统的单天线方法不再适用。月球背面是在日地空间中开展超长波观测的最佳地点。空间分布式被动微波干涉成像技术的主要思想是利用分布式卫星星座,在深空实现超大的干涉测量基线替代大口径天线,实现对宇宙射电源的高分辨率成像。为促进方案优化,需在卫星在轨部署前开展充分的地面试验,对空间分布式干涉测量系统的关键技术进行验证。为消除地面试验中通信测距系统的多径效应,并实现支持多无人机编队与控制,达到cm级定位精度等要求,本文搭建了无人机机载干涉阵列外场试验平台,通过无人机搭载有效载荷,模拟多星绕月自主编队飞行,形成不同尺度的干涉基线。该平台可应用于超长波天文观测阵列(DSL),开展测距与测角等原理性验证,也可推广用于其他分布式无人机机载试验。
基于遗传算法的Tiling覆盖策略天文卫星任务规划
徐子羚, 刘玉荣, 冯准
2022, 42(2): 321-328. doi: 10.11728/cjss2022.02.210112006
摘要:
天文卫星机遇目标任务规划是一个复杂的多目标优化问题。针对Tiling覆盖策略的机遇目标任务规划要求及其约束条件进行抽象,建立任务规划问题模型,在规划模型基础上设计基于遗传算法的多目标优化任务规划算法TPA,并通过实例数据验证了不同参数条件下的求解。在解决Tiling覆盖策略的天文卫星机遇目标多目标任务规划问题时,所提方法能够在保证算法收敛性的同时兼顾优先级和规划路径,满足规划需求。