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2023年  第43卷  第1期

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前沿动态
白宫发布的首份国家地月空间科技战略
杨帆, 王海名
2023, 43(1): 1-5. doi: 10.11728/cjss2023.01.yg02
摘要(175) HTML全文 (99) PDF 735KB(81)
摘要:
地月空间为推进科学、技术和探索提供了巨大潜力，是人类活动的新区域。美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布首份国家地月空间科技战略，为协调美国政府各部门及合作者在美国空间优先事项框架下开展负责任的、以和平为目的的、可持续的地月空间探索与利用，提供了早期共同愿景，并首次提出地月空间早期发展的4个最高优先级的科学和技术目标，包括：支持研究和开发，以实现未来地月空间的长期发展；扩大地月空间国际科技合作；将美国的空间态势感知能力拓展到地月空间；通过可扩展和可互操作的方式实施地月空间通信和定位、导航和授时，以促进地月空间科学发现、经济发展和国际合作。
ESA部长级会议确定未来发展方向和投资水平
韩淋, 范唯唯
2023, 43(1): 6-8. doi: 10.11728/cjss2023.01.yg03
摘要(79) HTML全文 (66) PDF 631KB(27)
摘要:
2022年11月22‒23日，欧洲空间局（ESA）成员国部长级会议在法国巴黎召开，决定共同投资约169亿欧元开展各项空间活动和计划，相比2019年部长级会议，投资额大幅增长17%。ESA将通过在对地观测、科学计划、载人和无人探索、通信与综合应用、导航、空间安全、空间运输、技术等重点领域的投资，加强其在空间领域的自主性、领先地位和可持续发展能力。
发展战略
空间物理学科发展战略研究
王赤, 汪毓明, 田晖, 李晖, 倪彬彬, 符慧山, 雷久侯, 薛向辉, 崔峻, 尧中华, 罗冰显, 张效信, 张爱兵, 张佼佼, 李文亚
2023, 43(1): 9-42. doi: 10.11728/cjss2023.01.yg01
摘要(695) HTML全文 (416) PDF 1172KB(379)
摘要:
空间物理学是人类进入空间时代后迅速发展起来的一门新兴的多学科交叉的前沿基础学科。其将太阳和太阳风控制的日球层空间作为一个系统，研究太阳/太阳风与行星/彗星的上层大气、电离层、磁层乃至星际介质之间的相互作用。空间物理学从本质上讲是一门实验科学，空间物理探测是空间物理学发展的基础。进入新世纪，随着空间基础设施和人类高技术活动的日益频繁，空间物理学进入新的发展阶段，强调科学与应用的密切结合。近年来，空间物理学取得了一系列重要进展。本文对接国家自然科学基金委地球科学部“宜居地球−地球系统科学”的顶层战略设计，梳理总结近年来空间物理各学科发展动态和趋势，凝练中国空间物理学未来发展的重点领域，优化学科布局，推进空间物理各学科的高质量发展。
综述
宇宙黑暗时代探路者−鸿蒙计划
陈学雷, 阎敬业, 徐怡冬, 邓丽, 吴锋泉, 武林, 周莉, 张晓峰, 朱晓铖, 杨中光, 吴季
2023, 43(1): 43-59. doi: 10.11728/cjss2023.01.220104001
摘要(570) HTML全文 (142) PDF 2487KB(110)
摘要:
低频射电探测任务构想——鸿蒙计划旨在利用多颗卫星绕月编队形成超长波天文观测阵列，在月球背面开展空间低频射电天文探测。其科学目标是高精度测量全天射电频谱，揭示宇宙黑暗时代与黎明的演化历史；实现首次高分辨率超长波巡天，打开最后一个电磁窗口；观测太阳和行星超长波活动，揭示空间环境相互作用规律。该任务将获得超长波频段全天空图像，获取超长波波段天文射电源的强度、频谱、分布等信息。这些科学数据对于探索宇宙黑暗时代和黎明时代、研究银河系星际介质、宇宙线起源与传播、河外射电星系、类星体和星系团的演化、太阳活动与行星磁场等，具有重要的科学价值。
空间物理
太阳活动区EUV图像的生成式模型耀斑分级与预报
郭大蕾, 张振, 朱凌锋, 薛炳森
2023, 43(1): 60-67. doi: 10.11728/cjss2023.01.220214015
摘要(324) HTML全文 (109) PDF 907KB(47)
摘要:
近年来，不断发射的空基观测台持续传送回海量日面图像及日地间气象数据，为采用人工智能技术对太阳活动进行预报预警提供了数据基础。但是，极端天气爆发少，样本量较少；中等程度爆发稍多，样本量较多；常规无爆发天气常见，样本较为集中，样本不均衡状况严重影响机器学习方法在空间天气领域的广泛应用。本文面向多源多通道多尺度日面图像信息，构建了来自SOHO和SDO的1996－2015年日面活动区图像数据集；针对数据分布的不平衡，对太阳活动区图像作耀斑分级与预报。在对比分析元学习算法的基础上，设计了结合分类头设计和卷积核初始化的生成式模型；在使网络轻量化的基础上，能够将M和X级耀斑预报的检测率指标相较于普通的深度学习模型和无监督度量式模型分别提升10%和7%。
基于长椭球面波函数去卷积方法的高动态范围太阳射电成像
张荣玉, 阎敬业, 武林, 吴季
2023, 43(1): 68-77. doi: 10.11728/cjss2023.01.211125126
摘要(115) HTML全文 (44) PDF 5184KB(20)
摘要:
利用综合孔径射电望远镜对太阳进行观测时，通过对图像中存在的明亮扩展源进行准确建模并移除，可以更好地观测视场内的微弱源并提高图像的动态范围。在射电天文领域，主要利用CLEAN算法对图像中的明亮源进行移除，以显示微弱的背景。然而，使用图像像素作为基函数的CLEAN算法的固有限制导致其对扩展源的建模效果较差。为了克服这种限制，将基于长椭球面波函数（Prolate Spheroidal Wave Functions, PSWF）的去卷积方法应用于太阳射电成像。PSWF最优正交基由脏图中的感兴趣区域（Region of Interest, ROI）和UV覆盖共同决定。为了验证该方法的有效性，基于PSWF正交基对均匀圆环阵观测的太阳射电图像进行去卷积，并从动态范围和保真度两个方面定量化对比了CLEAN算法和基于PSWF正交基方法的性能。基于PSWF正交基去卷积方法剩余脏图中的微弱源更接近真实情况且动态范围更高。
基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析
张海呈, 全荣辉, 张诚悦
2023, 43(1): 78-86. doi: 10.11728/cjss2023.01.220311028
摘要(146) HTML全文 (62) PDF 1400KB(34)
摘要:
空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用 COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%~5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。
太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响
汪宏波, 张明江, 熊建宁
2023, 43(1): 87-100. doi: 10.11728/cjss2023.01.211217130
摘要(199) HTML全文 (60) PDF 1851KB(54)
摘要:
对2001－2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据，以及CHAMP，GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析，发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数，证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异，从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350～500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异：对夏季半球的影响大于冬季半球；在白天，对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区；在夜间，密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值，在冬季半球中纬度存在谷值，模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型，提出基于球谐函数的拟合方法，优于主流模型周日效应采用的表达式，对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。
太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟
柳丹, 杨钧烽, 胡雄, 肖存英, 程旋
2023, 43(1): 101-111. doi: 10.11728/cjss2023.01.210929104
摘要(143) HTML全文 (106) PDF 2507KB(43)
摘要:
空间天气对地球及近地空间具有重要影响，大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM，针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件，以太阳活动平静期2015年5月10－14日的GEOS-5数据为模式背景场，通过F10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置，分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致，耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2~3 K，低热层大气相对密度增加在6%以内；太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层，但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。
空间天文
一种基于轻量化CNN的天文暂现源智能识别方法
李晓斌, 薛长斌, 戴育岐, 周莉
2023, 43(1): 112-118. doi: 10.11728/cjss2023.01.211224133
摘要(226) HTML全文 (86) PDF 1048KB(40)
摘要:
天文暂现源携带了关于天体本质及演化过程的丰富信息，对暂现源进行探测与研究具有极为重要的科学价值。天文暂现源的辐射峰值大多在X射线或伽马射线，天基望远镜对这些高能波段的观测优势是地基望远镜无法比拟的，更适合于暂现源观测。但由于星载计算机的性能约束，很难实现依托于地面强大算力的复杂检测算法。针对以上问题，提出了基于轻量化卷积神经网络（CNN）模型的天基暂现源检测算法，并在嵌入式ARM平台上实现了模型部署。实验结果表明，本文提出的轻量化CNN暂现源检测算法的模型复杂度和计算量不及Deep Hits算法的1/4，准确率达到96.52%，可应用于星载有限算力平台，实现未来的天基暂现源实时检测。
基于统计特征空间提取和支持向量机的极暗弱小天体检测方法
王存远, 郑伟, 李明涛
2023, 43(1): 119-128. doi: 10.11728/cjss2023.01.211231136
摘要(156) HTML全文 (54) PDF 1193KB(36)
摘要:
小天体检测是小天体防御和预警的前提。针对小天体目标信噪比低、检测难的问题，提出了基于统计特征空间提取和支持向量机（SVM）的极暗弱小天体检测方法。区别于传统方法基于时间或空间上目标的能量和背景噪声能量的瞬时能量差别或是瞬时能量差别的累积，对目标进行检测。该方法不依赖目标能量大小，提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标。将输入的图像序列转化为单像元时序信号，划分时序窗口提取统计特征，关联形成统计特征空间，利用更高维度的变化特性检测目标变化。通过SVM将暗弱小天体检测问题转化为目标与背景的二分类问题，避开了较难解决的阈值分割问题同时具有更好的泛化性能。利用真实数据与其他经典方法进行对比分析，使得分类准确率提高4.02%。该方法能够适应更低的信噪比，在极低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。
行星科学
自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计
郑香脂, 张爱兵, 孔令高, WIESER Martin, KALLA Leif, 仇通胜, 王文静, 田峥
2023, 43(1): 129-136. doi: 10.11728/cjss2023.01.210409047
摘要(175) HTML全文 (71) PDF 2067KB(24)
摘要:

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式，不同探测模式下数据率不同，多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率，利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点，火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式，FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法，实现三种压缩算法串行使用，或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写，实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4，对数压缩的压缩比为2，无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上，利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明，各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。
微型微焦斑X射线闭管及阴极丝电子发射差异性
李帆, 曹阳, 牟欢, 刘亚宁, 李海涛, 李保权
2023, 43(1): 137-143. doi: 10.11728/cjss2023.01.211124122
摘要(190) HTML全文 (73) PDF 1001KB(22)
摘要:
行星岩石成分原位测量是行星探测的基本需求，X射线荧光分析是开展元素成分测量的重要技术手段。针对深空探测X射线荧光分析仪的需要，设计并研制了一款微型微焦斑X射线闭管，尺寸为Φ15 mm × 22 mm，焦斑尺寸230 μm，工作时阳极接地，阴极接浮地负高压，最大电压为–50 kV。在微型X射线闭管研制过程中，开展了螺旋型钨丝、直线型钨丝、直线型铼钨丝等常用热阴极的电子发射差异性研究，测量了各型热阴极的电子发射效率。结果显示，在200 V阳极电压下，低铼含量直线型铼钨丝电子发射效率最大为27.87 μA·W–1，是螺旋型钨丝的4倍，直线型钨丝的9倍；掺铼钨丝电子发射效率远高于纯钨型阴极丝。此外，铼钨丝还具有电子发射快、预热要求低、对真空度要求不高等特点，是深空探测X射线闭管阴极丝较理想的选择。
一种低能量远焦距电子枪技术
吴伟, 刘超, 张贤国, 张爱兵, 孙越强
2023, 43(1): 144-155. doi: 10.11728/cjss2023.01.220208013
摘要(192) HTML全文 (58) PDF 3588KB(19)
摘要:
针对可移动非接触式月球表面电位探测器的电位无扰动测量单元对低能远焦电子束的需求，设计了低能远焦电子枪。以平板二极管电子枪为电子源，匹配两个静电聚焦透镜，将电子源引出的发散电子束聚焦为需要的形状，并加速至所需能量。优化电子枪的几何参数以及施加在电极上的电位，电子枪引出的电子束能量在5~500 eV内，并且具有良好的电子光路特性。电子束能量为5 eV时，初始半径r为5 mm，束腰至电子枪出口的距离p约为133 mm。随着能量增加，r逐渐减小至500 eV时的3 mm左右，p逐渐减小至105 mm。电子束经月球表面电场反射被电子收集平极接收，仿真数据和理论分析结果均表明，电子枪的工作距离为400~600 mm，平板接收的电子占发射电子比例在96%以上。电子枪结构质量仅408 g，满足探测器对电子枪的质量需求。
空间探测技术
重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法
刘玄, 杨珊珊, 臧荣春
2023, 43(1): 156-163. doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030
摘要(101) HTML全文 (55) PDF 1963KB(15)
摘要:
在卫星时频传递、矢量测量技术领域，有效观测数据的高精度滤波处理十分重要，其基本要求是在保留有效观测信息的同时能够降低噪声干扰，实现原始信息的高效、高精度传递。以中国地球重力场测量卫星高精度测距系统的工程研制为背景，为实现高频噪声抑制、保留低频重力场信息，基于对FIR滤波器结构的优化和窗函数的改进，提出了一种对10 Hz采样率的原始测距数据降速率、降噪滤波的算法。相比其他类似算法，所提方法同时具备降速滤波和差分运算两种功能，噪声抑制抑制度优于44%，且频率截止特性陡峭，第一旁瓣抑制度达到–94 dB。该算法在提高测距精度、充分保留重力场信息的同时，实现了地面数据后处理流程的简化，为微波测量系统、激光测量系统的数据处理提供了一种优选方案。
基于符号化表示相似度度量的卫星多元工程参数异常检测
宋华婷, 刘玉荣
2023, 43(1): 164-173. doi: 10.11728/cjss2023.01.220112004
摘要(126) HTML全文 (74) PDF 1287KB(22)
摘要:
随着卫星系统复杂程度的日益增加，综合分析卫星多元参数之间的相关性异常对于卫星安全运行和空间任务的正确执行具有重要意义。利用某卫星工程参数数据，基于符号聚合近似算法（SAX），研究卫星多元工程参数的异常检测问题，解决了当前异常检测方法中多元参数融合时不考虑上下文信息造成信息丢失的问题，实现多元参数有效融合，形成一种优化的基于快速动态时间规整算法（Fast-DTW）的异常检测算法。研究结果表明，模型在某卫星电源子系统的异常检测过程中，recall，precision和F1 score分别为0.947，0.9和0.923，能够实际应用于卫星异常检测，提高卫星在轨运行的安全性。
星载高速串行数据处理系统设计与实现
宋景星, 朱岩, 饶家宁, 安军社
2023, 43(1): 174-182. doi: 10.11728/cjss2023.01.220112005
摘要(169) HTML全文 (89) PDF 1588KB(36)
摘要:
遥感卫星图像数据量的高速增长，以及遥感卫星搭载的相机不同工作模式下产生的数据差异化处理的需求，为星间数据处理带来了巨大挑战。针对星载Gbit·s–1级高速数据收发及文件缓存等星间数据处理面临的问题，以百兆每秒级星载高速接收缓存系统为切入点，以遥感卫星数据处理的发展为依据，在分析SerDes传输原理的基础上，采用模型仿真和工程验证的方法，制定了高速串行数据链路层传输协议SSLLP（Satellite Serial Link Layer Protocol）和类文件化高速缓存的策略。在硬件设计和软件开发的基础上，最终完成了具备处理入口速率3.2 Gbit·s–1并能以类文件化的方式缓存64个数据文件的星载数据处理单元的工程实现。测试结果表明，基于SSLLP的高速串行数据接收正确，缓存策略有效，系统高效可靠。该设计已在某型号任务中取得在轨验证，为星载高速串行数据处理系统提供了参考。
星载开关电源的电磁干扰抑制技术
周莉, 马晓勇, 武林, 阎敬业, 安军社
2023, 43(1): 183-189. doi: 10.11728/cjss2023.01.210922100
摘要(138) HTML全文 (68) PDF 2498KB(33)
摘要:
电磁干扰（EMI）抑制技术是保证航天器各功能单元正常运行互不干扰的重要技术。开关电源是航天器内电磁干扰的主要来源。基于对星载开关电源DC/DC和负载点电源POL电磁干扰特性的测试结果，提出了一种星载二次电源系统的电磁干扰抑制方案，采用高稳晶振+控制器+时钟管理芯片硬件与软件设计结合的方法，利用高稳晶振为电源模块提供稳定时钟，通过控制器实现时钟管理芯片的分频和时钟分配。系统以非同步方式上电，软件控制时钟管理芯片输出电源模块同步时钟，然后软件打开时钟同步的使能，实现星载开关电源（DC/DC和POL）开关频率的外同步，最后通过测量输出电压频谱的方法验证了电磁干扰抑制方案的有效性。
海表温度对中法海洋卫星散射计测量的影响
赵晓康, 林文明, 王志雄, 何宜军
2023, 43(1): 190-198. doi: 10.11728/cjss2023.01.220216017
摘要(229) HTML全文 (64) PDF 5714KB(42)
摘要:
卫星散射计通过测量海表粗糙度反演全球海面风场。对于Ku波段散射计，海表粗糙不仅和海面风场相关，还受海表温度的二阶效应调制。定量研究了海表温度对中法海洋卫星（CFOSAT）散射计（CSCAT）反演风速和后向散射测量的影响。结果表明，CSCAT两种极化方式测量的后向散射系数都会受到海表温度的影响，但是垂直极化中低入射角（θ < 36°）测量的后向散射系数几乎不随温度变化。因此CSCAT的风速偏差也随海表温度的变化而变化，且随着入射角的增大和风速的减小，海表温度对风速偏差的影响程度增大。在数据分析的基础上提出了一种考虑海表温度影响机制的地球物理模式函数，为未来CFOSAT散射计风场反演的海温校正提供参考。

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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