空间科学学报

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2023, 43(2): 199-211. doi: 10.11728/cjss2023.02.yg04

摘要(159) HTML全文(50) PDF 2119KB(68)

摘要:
太阳物理学是研究太阳上发生的物理过程及其对行星际空间环境影响的学科。太阳是人类唯一可以进行细致探测的恒星，也是天然的多尺度过程并存的等离子体实验室，同时，太阳活动直接影响日地空间环境和人类地球家园的宜居性，剧烈的太阳活动如耀斑和日冕物质抛射还会影响人类的航天航空、通信导航、电网等高技术活动与设施。因此对太阳物理的研究不仅是理解浩瀚宇宙的基石，也是理解日地联系和行星宜居性的基础，同时还是国家在航天和空间安全领域的战略需求。21世纪以来，随着卫星探测技术发展，太阳物理学进入了全新的发展阶段。本文梳理了近年来太阳物理学在空间探测中的发展态势，凝练中国太阳物理学未来空间探测发展的重点领域，优化学科布局，推进太阳物理的高质量发展。

基于太阳10.7 cm射电流量的全日面耀斑预报方法

雷蕾, 崔延美, 钟秋珍, 师立勤

2023, 43(2): 212-218. doi: 10.11728/cjss2023.02.220219018

摘要(65) HTML全文(14) PDF 1091KB(27)

摘要:
太阳耀斑是一种重要的太阳爆发活动现象，表现为近乎全波段的电磁辐射增强。统计表明，太阳活动水平越高，太阳爆发越频繁，耀斑爆发的概率越大。利用1975－2007年10.7 cm流量与耀斑爆发的统计关系，建立了一种可行的全日面爆发耀斑概率的预报方法，能够实现C，M，X三种级别的耀斑在全日面爆发的概率预报。通过2008－2016年的观测数据，对模型进行了预报性能的评估，得到模型对C，M，X级耀斑发生概率的预报误差均较小，Brier评分误差分别为0.113，0.087，0.012；模型的预报性能均比平均模型有提高，对C，M，X级耀斑发生概率预报的Brier技巧评分分别为0.250，0.106，0.012。在2008－2016年未来1天耀斑预报的模型实测中，模型的预报效果与中国科学院空间环境预报中心的预报效果相当，这说明该模型在实际的空间环境预报中切实可行。

基于深度表征学习的紫外极光卵图像聚类

张龄舒, 邹自明, 白曦

2023, 43(2): 219-230. doi: 10.11728/cjss2023.02.220127012

摘要(67) HTML全文(26) PDF 1725KB(14)

摘要:
极光受太阳风驱动的地磁亚暴等大尺度动力学影响，其形态及演化因不同的太阳风-磁层-电离层耦合作用可能表现不同。目前，极光卵及其形态的归类大多依据极光演化理论作主观定性分析，没有明确的分类标准，故难以借助统计分析方法和有监督分类模型开展客观定量研究。建立了基于深度表征学习的紫外极光卵图像聚类模型（MoCo-GMM），并利用空间环境参数设计了评估模型物理合理性的方法，在大规模POLAR卫星紫外极光卵图像数据上进行了实验，聚类结果不仅具有良好的簇内凝聚性和簇间分散性，且具备一定的物理可解释性，有效实现了基于图像的极光卵及其形态的客观归类。

基于迁移学习的太空台风自动识别

夏凯, 邢赞扬, 张清和, 王艳玲, 杨秋菊, 陆盛, 刘振平

2023, 43(2): 231-240. doi: 10.11728/cjss2023.02.2022-0031

摘要(134) HTML全文(17) PDF 4114KB(23)

摘要:
太空台风是极盖区内一种新发现的大尺度亮斑状极光结构，直观表征了地磁平静期的一种堪比磁暴的太阳风能量注入现象，这更新了人们对太阳风–磁层–电离层耦合过程的认识，如何从海量星载极光数据中准确髙效识别出太空台风事件具有重要的科学意义。采用深度学习的方法，通过六种网络模型的对比，最终基于迁移学习和EfficientNetB2网络提出了一种太空台风自动识别方法。在2005－2021年美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）上搭载的紫外光谱成像仪（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager，SSUSI）的观测数据中验证了该模型的有效性，识别准确率达到97.7%。研究结果表明，该方法可用于从海量星载极光观测数据中自动识别太空台风事件。

太阳活动下降年昆明地区TEC变化特征与IRI-2020模拟比较分析

刘国其, 李昊昱, 解朝娣, 刘本玉, 刘瑾, 李祥, 刘魁, 李昊桐

2023, 43(2): 241-250. doi: 10.11728/cjss2023.02.2022-0066

摘要(57) HTML全文(15) PDF 2304KB(23)

摘要:
利用昆明低纬度测站（24.7°N，102.9°E，磁纬15.1°N）2016－2019年的观测数据和最新版的国际参考电离层（IRI-2020）模拟结果，对昆明地区电离层总电子含量（TEC）在太阳活动下降年期间的变化特征及与模型输出进行对比研究。结果表明, 昆明TEC存在明显的春秋高值、夏冬低值的半年异常；白天高值、夜间低值的日变化特点突出，日峰值出现在06:30－08:00 UT（约13:00－15:00 LT）；TEC随太阳活动减弱而明显下降，年平均峰值在2016－2019年分别为48，33，27，24 TECU；日峰值TEC与F_10.7存在显著相关，月均值相关系数达到0.86，而与Ap指数则表现为弱相关； IRI-2020能较好地模拟昆明地区TEC的季节变化，但与观测值存在较大差异；均方根偏差值多集中在2~15 TECU，相对偏差百分比值主要在–85%~50%范围变化。对比结果表明IRI-2020的预测精度仍有待提高。

磁静日电离层电势分布的形态学研究

王瑜晗, 任志鹏, 于婷婷, 刘耘博, 魏勇

2023, 43(2): 251-259. doi: 10.11728/cjss2023.02.220328032

摘要(54) HTML全文(13) PDF 10583KB(13)

摘要:
利用理论模式GCITEM，在国际地磁参考场（IGRF）下，模拟了地磁平静条件下的电离层发电机主导的中低纬电离层电势分布，研究了太阳活动、季节、世界时和低层大气潮汐对电离层电势的调节作用。结果表明，各种条件下中低纬电势全局分布基本一致，都具有两个正电势峰值（源）和一个负电荷峰值（汇）；电势分布存在明显的季节和世界时差异；中低纬电离层电势峰值差随着太阳活动的增强明显增加，并在一定太阳活动高值后趋于饱和；周日迁移潮主要影响赤道地区，导致电势峰值差增加，而半周日迁移潮主要影响中纬度地区，导致电势峰值差减小。

基于风云3C卫星观测数据的全球重力波活动特性研究

王聪, 杨钧烽, 程旋, 郭文杰, 李嘉巍, 杨光林, 张效信, 杨忠东, 胡秀清, 谷松岩, 张鹏

2023, 43(2): 260-272. doi: 10.11728/cjss2023.02.211108111

摘要(51) HTML全文(12) PDF 12395KB(16)

摘要:
大气重力波是临近空间中重要的动力学过程之一，并且广泛存在于全球大气层中，研究其全球分布及变化规律，对理解大气动力学具有重要意义。全球卫星导航系统（GNSS）可以通过掩星的方式来获取临近空间大气的温度信息，并且具有全球覆盖、垂直和水平分辨率较高的优点，从而被广泛应用于临近空间大气重力波研究。利用气象卫星风云3号C星（FY-3C）搭载的全球导航卫星掩星接收机（GNOS）的探测数据来反演全球重力波扰动分布，反演得到了2015－2019年这5年间的全球重力波分布，并着重分析了全球重力波的季节变化、年际变化以及长波和短波重力波的全球分布和特征。结果表明，冬夏两季的重力波扰动要强于春秋两季，并且呈现冬季半球强于夏季半球的现象; 同时还发现，重力波扰动的强度随着高度增加而逐渐增强；在20～50 km的高度范围内短波重力波强度大于长波重力波强度。

月球水冰资源综合开发技术研究概况

张天, 唐红, 贺怀宇, 李雄耀, 周传娇, 刘建忠

2023, 43(2): 273-290. doi: 10.11728/cjss2023.02.2022-0069

摘要(96) HTML全文(29) PDF 5793KB(57)

摘要:
水冰作为月球的重要资源，是未来月球科研站以及月球基地建设和运行的基本保障，开展月球水冰资源综合开发技术研究是目前各航天大国的关注热点之一。本文调研了有关月球水冰的探测和研究成果，阐述了月球水冰的赋存状态与分布特征，详细分析了月球水冰资源在开采提取、分离纯化、储存运输和分解利用等环节的技术方案，并简要评述了各个方案的优缺点。结合中国未来国际月球科研站的建设规划与美国以建立月球基地为目标的阿尔忒弥斯（Artemis）计划，评价分析了适宜开展月球水冰资源综合开发的地区和可行的技术方案，为中国在月球两极地区的水冰资源开发利用方案提供参考。

月壤颗粒间的范德华力作用研究进展

赵学亮, 王浩, 陈正翰, 杨建中, 徐赵东

2023, 43(2): 291-301. doi: 10.11728/cjss2023.02.220406037

摘要(85) HTML全文(25) PDF 1237KB(15)

摘要:
当前中国嫦娥工程“绕、落、回”三期任务已经圆满完成，为保持中国月球探测技术的领先地位，对月壤的力学特性进行研究具有重要意义。月表所处环境高真空、低重力和强辐射等特点使月壤表现出不同于地面砂土的性质，导致这一现象最主要的原因之一是月壤颗粒间的范德华力作用。本文对当前有关范德华力的研究进行总结，分别从分子/原子间的范德华力计算、范德华力的迟滞性、理想条件下宏观物体间的范德华力计算和真实条件下范德华力的计算四个方面对目前已有的研究进行分析，给出当前宏观颗粒间范德华力研究的不足，为今后月壤颗粒间范德华力的进一步研究提供参考。

LAMP耦合荧光侧向流层析试纸条的空间微生物快速检测技术

韩培, 侯红渠, 樊云龙, 王文甲, 吕雪飞, 张伟, 李晓琼

2023, 43(2): 302-309. doi: 10.11728/cjss2023.02.211125124

摘要(22) HTML全文(20) PDF 2232KB(5)

摘要:
微生物种类及其含量监测是空间站内微生物控制的重要环节。但是空间环境的微重力条件及对资源的条件限制导致地面常规检测实验难以开展，因此在轨微生物检测主要依靠培养法。基于侧流层析试纸条的生物分子识别检测方法具有不受微重力环境影响的优点，耦合荧光检测方法可以达到较高的检测灵敏度，是在轨微生物检测的潜在方法之一。针对空间环境中对航天员生活环境及仪器仪表设备具有潜在危害的微生物，研究了一种基于环介导等温扩增（LAMP）耦合荧光侧流层析试纸条的微生物核酸鉴别技术。研究结果表明，该技术可实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等空间站常见有害微生物的高灵敏、高特异性、快速检测，检测时间小于60 min，灵敏度达到100 copy·μL^–1。

长期禁食对尿酸代谢的影响及其调控机制探讨

隋修锟, 郭志峰, 张洪玉, 王海龙, 吴峰, 杨超, 郭雅秀, 马婷, 李莹辉, 戴钟铨

2023, 43(2): 310-320. doi: 10.11728/cjss2023.02.220225021

摘要(156) HTML全文(118) PDF 2642KB(11)

摘要:
为研究长期禁食过程中大鼠尿酸代谢的变化及其潜在的调控机制，以Sprague-Dawley（SD）大鼠为动物模型，通过病理组织切片、生化检测、荧光定量PCR（qRT-PCR）以及蛋白免疫印迹（Western blotting）等方法分析不同禁食时间（1，2，3，5，7天）大鼠尿酸水平及其代谢相关基因和蛋白的表达变化。结果表明，长期禁食未对大鼠肾脏组织产生明显的损伤，引起了血尿酸水平上升、尿尿酸水平波动性变化和血液尿酸酶活性升高；随着禁食时间的延长，主要尿酸转运蛋白的mRNA和蛋白表达水平逐渐上调。长期禁食过程中大鼠尿酸代谢变化可能与尿酸转运蛋白及尿酸酶活性有关。

太阳射电爆发干扰导航通信机理及影响表征分析

董亮, 黄文耿, 潘业欣

2023, 43(2): 321-329. doi: 10.11728/cjss2023.02.220215016

摘要(51) HTML全文(17) PDF 1238KB(14)

摘要:
太阳射电爆发是一种潜在的导航系统干扰因素。通过导航信号模型推导，分析了其干扰导航信号的机理，提出太阳射电爆发干扰导航通信的影响方程与太阳射电爆发流量、接收机性能以及太阳–天线高度角有关，其中太阳射电流量总功率与信号的信噪比下降呈正相关；同时受到太阳–天线高度角和有效面积的制约，又与接收机环路滤波器响应函数呈卷积关系。通过对2003年10月28日、2006年12月6日和2015年11月4日事件中GPS失锁情况分析，发现同一次事件中同一站点不同接收机的失锁率不同；同一次事件中不同纬度的接收机失锁率不同，以及在同一次事件中L波段（1~2 GHz）太阳射电爆发频谱不均匀的条件下，L1和L2频段信号的信噪比下降情况也不同。从上述三个事件的观测表征验证了上述影响方程的分析正确性。

用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

杨墨欣, 张爱兵, 解世君

2023, 43(2): 330-339. doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024

摘要(31) HTML全文(12) PDF 3779KB(14)

摘要:
针对空间探测载荷的轻量化需求，以空间等离子体探测的静电分析器为研究对象，进行了轻量化设计和验证。在材料及加工方式选择方面，充分利用增材制造这一新兴加工手段，打破传统轻量化设计时追求低密度材料的思路，对比多种材料及加工方式下设备重量及力学表现，确定铝合金为主要材料，3D打印为主要加工方式。在结构设计方面，基于3D打印加工的优势，在减小设备各部分结构厚度的同时，适当设置加强筋以解决薄壁在后处理时易产生形变的问题。采取上述方案设计的设备质量减少至1.2 kg，比使用镁合金及传统加工方式的设备质量（2.2 kg）下降45%。以典型航天任务的鉴定级力学试验条件作为输入，开展了设计模型的有限元仿真，完成实物加工装配以及力学试验，验证了该设计的抗力学性能。

一种基于TOF×E方法的空间中能离子探测器设计与仿真

张伟杰, 沈国红, 张珅毅, 张贤国, 叶依众

2023, 43(2): 340-351. doi: 10.11728/cjss2023.02.220310027

摘要(32) HTML全文(17) PDF 2197KB(4)

摘要:
对空间中几十keV到几MeV的中能离子进行成分、能谱和角分布进行测量，具有重要的科学价值和应用意义。中国在载人登月等深空探测计划中明确提出了对中能离子的探测需求，但当前尚未掌握中能离子测量技术。本文提出了一种基于SEE TOF×E方法的中能离子探测器方案，方案包括复合材料二次电子薄膜、电极、位置灵敏MCP探测器和SSD等核心部件的设计，可同时实现对5个方向的中能离子和4个方向的中能电子的测量。结合目前空间粒子探测载荷可实现的硬件时间分辨率、能量分辨率和仿真计算结果，可以发现，该设计可以在40 keV~5 MeV能量范围实现中能离子能谱测量；并能够对40 keV~5 MeV的H离子，45 keV~5 MeV的He离子，130 keV~5 MeV的O离子和240 keV~5 MeV的Fe离子进行离子成分分辨；同时可实现对20~500 keV的电子进行能谱测量。

NGSO星座Q/V波段星间链路干扰规避技术

张钊, 姚秀娟, 高翔, 智佳, 王静

2023, 43(2): 352-360. doi: 10.11728/cjss2023.02.220302023

摘要(84) HTML全文(36) PDF 1677KB(17)

摘要:
随着大规模星座系统的发展，近地轨道空间频轨资源越来越紧缺。随之而来的星载通信链路干扰风险不容忽视，已成为今后星座系统设计需要重点考量的指标之一。在规避干扰的前提下，保证星座系统的工作性能至关重要。针对大规模非静止轨道（NGSO）星座系统星间链路存在的干扰风险问题，提出了基于干扰、受扰链路夹角的干扰规避方法。以Starlink的Q/V波段星间链路为例，定义了系统效率与工作效率，研究不同干扰规避方法与建链策略下系统的鲁棒性。仿真结果表明，基于受扰链路夹角的干扰规避方法能够在不同建链策略下将系统干扰噪声比I /N超限时长分别从5.79%和16.75%降至0，并且不影响工作链路。这种仿真方法对于类似具有星间链路的大规模NGSO星座系统的干扰规避具有借鉴意义。

天区机遇目标空间探测任务规划算法

曾而康, 吴海燕, 冯准

2023, 43(2): 361-368. doi: 10.11728/cjss2023.02.220225020

摘要(38) HTML全文(26) PDF 899KB(7)

摘要:
针对中法合作SVOM卫星的天区范围内机遇目标规划问题（ToO-MM），对其中的约束条件和优化目标进行抽象，建立了规划问题数学模型，设计实现了基于启发式规则的机遇目标规划算法TMHPA。以最大化卫星科学观测收益和最大化应急任务响应度为优化目标，考虑卫星姿态调整时间的影响，对观测任务和数传任务进行规划。通过仿真实验验证算法的有效性，结果表明该方法能够在保证算法收敛性和时效性同时，给出卫星在天区范围内的网格单元（tile）目标观测序列以及执行数传任务的时段安排，实现对ToO目标观测的快速响应，并及时下传机遇目标科学观测数据，满足规划算法的设计需求。

输入受限的漂浮基多柔性空间机器人轨迹跟踪的混合控制及振动主动抑制

谢立敏, 于潇雁

2023, 43(2): 369-380. doi: 10.11728/cjss2023.02.220120008

摘要(29) HTML全文(14) PDF 2594KB(9)

摘要:
空间机器人在实际运作中往往会遇到控制系统输入受限的情况，这将严重影响系统的控制品质。考虑输入受限的情况，对漂浮基多柔性空间机器人系统进行研究。通过对系统进行运动学和动力学分析，构建系统的动力学方程。采用奇异摄动方法，将刚柔耦合系统分为慢变子系统和快变子系统，并为各个子系统设计控制方法。最终提出由改进的鲁棒滑模模糊控制方法、速度差值反馈控制法和线性二次最优控制方法组成的混合控制方法。该控制方法能够主动减小空间机器人完成期望运动所需的力矩，使系统适应输入受限的工作条件；同时能够补偿系统的不确定参数和外部干扰，最终实现系统运动的精确控制和振动的主动抑制。仿真对比实验证明了在输入受限的情况下，所提出的混合控制方法的有效性和强适应性。

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