空间科学学报

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主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院国家空间科学中心
中国空间科学学会

ISSN 0254-6124

CN 11-1783/V

国内唯一全面反映空间科学前沿领域及其相关技术与研究进展的学术刊物

刊载范围

与空间相关的研究性成果，空间科学和探测计划综述及总体方案。具体包括：空间天文与太阳物理，空间物理、空间环境及其效应、空间天气研究及预报方法，空间科学探测有效载荷设计方法与相关技术，行星与空间地球科学及相关遥感技术，微重力科学、空间生命科学、生命起源与地外生命探索，轨道、时空基准、飞行器设计相关技术。及时刊登具有国家重大航天任务和空间科学研究计划背景的研究成果。

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网络预出版栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章，这些文章尚未确定卷期及页码，但可以根据DOI进行引用。

2014年3月30日我国上空夜间电离层等离子体泡群的演化过程多设备观测研究

吴坤, 徐寄遥, 袁韡

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0030

摘要(4) [PDF 2091KB](3)

摘要:
利用子午工程海南富克观测站(19.5°N, 109.1°E)全天空气辉成像仪630 nm波段的气辉图像、VHF雷达的观测数据、三亚观测站(18.4°N, 109.6°E)数字测高仪以及C/NOFS卫星的观测数据，对2014年03月30-31日出现在我国上空的电离层等离子体泡事件进行了研究分析。详细分析了该事件中电离层等离子体泡的形态结构特征以及演化过程，研究结果表明，当天夜间观测到一个电离层等离子体泡群，大约有9个电离层等离子体泡组成。这些电离层等离子体泡发生在日落后，且一直持续到午夜之后，持续时间大约为8小时（~20: 15 LT - ~ 04: 15 LT）。这些电离层等离子体泡在演化过程中自西向东运动，其南北向最大尺度超过了1200 km，等离子体泡群东西向绵延超过2900 km。此外发现电离层等离子体泡（b5和b6）在演化过程中，两个电离层等离子体泡部分结构相融在了一起。在电离层等离子体泡被全天空气辉成像仪观测到的同时，数字测高仪及VHF雷达也分别观测到相应的扩展F及羽毛状电离层不规则结构。同时，C/NOFS卫星也检测到明显的电子密度耗散区域。该电离层等离子体泡事件被地基光学观测（全天空气辉成像仪）、无线电探测（数据测高仪和VHF雷达）及C/NOFS卫星同时观测到。

基于参数自适应优化聚类的卫星状态异常检测方法

赵玉炜, 苏举

当前状态:

摘要(1) [PDF 2091KB](0)

摘要:
实时监测卫星状态、进行异常检测，有利于保障卫星安全稳定运行。聚类分析已在许多工程异常检测问题中证明有效，但聚类质量对参数高度敏感，目前还没有便捷的参数选择方法。为实现聚类参数的自适应选择，本文将参数调整视为一个单目标优化问题，并引入智能优化算法进行求解。据此，将基于层次的聚类算法 BIRCH 和改进的联合多算子进化算法 UMOEAs-II 结合，提出了 UMOEAsII_BIRCH 算法。在某空间科学卫星真实数据的基础上，模拟含有点异常的遥测数据，经预处理后用于异常检测效果测试。选取传统聚类算法 K-Means , MeanShift , OPTICS , DBSCAN , BIRCH 和本文提出的算法进行实验，对比异常检测的精确率、召回率、F1-score 和假阳率。结果证明 UMOEAsII_BIRCH 算法异常检测效果优于其它算法，F1-score 可达到 0.861017 。同时，对比网格搜索，提出的算法需要较少的人工干预，实现了最优聚类参数的自动选择，符合改进预期。

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划

杜岩, 董晓龙, 蒋兴伟, 张玉红, 朱迪, 吴炜, 王祥鹏, 赵章喆, 徐星欧, 唐世林, 经志友, 李毅能, 陈琨, 陈雯

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0047

摘要(9) [PDF 680KB](2)

摘要:
海流是描述海洋运动状态和认知海洋变化规律的最基本物理量，在海洋要素中处于核心位置。海流具有多时空尺度的动力学特征，其状态和模拟是预估地球系统变化的关键一环，也是地球系统科学和全球变化研究的前沿。迄今为止，国际上尚无全球海表流场直接观测的卫星。现有海洋动力观测主要依赖于卫星高度计，基于地转平衡反演得到百公里以上的大、中尺度地转流。目前对全球海表百公里以内尺度以及非平衡态过程的观测和研究仍然存在空白，多普勒卫星海洋学是解决这一问题的重大突破方向。对此，中国、欧洲和美国均提出了多普勒卫星海洋学卫星概念。中国科学院提出全球海表流场多尺度结构观测卫星计划 (Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM)，用于探测全球海表全流场并开展海洋多尺度动力过程研究。OSCOM首次提出海表流场、海面风场和海浪谱（简称：“流-风-浪”）一体化探测的多普勒散射计DOPS测量原理和系统体制。OSCOM采用Ka-Ku双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达，将实现超过1000km观测刈幅、公里级分辨率的“流-风-浪”一体化卫星直接观测。OSCOM将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈中，并支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。未来，应用OSCOM海表流速观测的模式改进，将奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础，实现海洋和海气耦合模式的重大改进。与多源数据的融合，OSCOM海流观测的应用将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大任务提供支撑。OSCOM科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义，有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。

祝融号火星车科学探测模式设计与验证

王连国, 朱岩, 张宝明, 沈卫华, 李雪, 薛彬, 李玉喜, 徐卫明, 孙树全, 蔡治国, 王蔚

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0022

摘要(9) [PDF 1315KB](2)

摘要:
受通信能力低、能源不足等限制，火星车有效载荷科学探测需提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。根据火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况，针对性设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合，解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务，设计的科学探测模式全部经过了在轨验证。结果表明这些模式设计合理、有效，满足安全、自主、高效地开展科学探测的需求。

An Improved HVQ Algorithm for Compression and Rendering of Space Environment Volume Data with Multi-variables

包黎莉, 蔡燕霞, 王睿, 邹业楠, 师立勤

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0020

摘要(13) [PDF 620KB](0)

摘要:
Space environment simulation can produce several correlated variables at the same time. For space environment volume data with multi-correlated variables, based on HVQ-1d method we propose a further improved HVQ method by compositing variable-specific levels to reduce the redundant information among these variables. We further take advantage of progressive rendering based on GPU for real-time interactive visualization. The results of our experiments prove that the method proposed in this paper can pays the least cost of quality at compression and provides satisficed fidelity while ensuring interactive rendering speed in space environment domain. The proposed method can also be applied in other domains.

基于X射线掩星探测反演行星大气密度的方法和现状

余道淳, 李海涛, 李保权, 刘亚宁

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0027

摘要(16) [PDF 583KB](7)

摘要:
X射线掩星是一种常见的天文现象，基于X射线掩星探测的大气密度反演新技术通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演，是一种涉及学科交叉的新方法。本文在简要介绍X射线掩星探测应用需求的基础上，重点对基于X射线掩星反演大气密度新技术进行分析和论证，主要介绍了X射线掩星探测反演大气密度的国内外研究进展和研究方法，并对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论，最后对X射线掩星探测的应用场景进行展望。

火星探测器行星际转移段定轨分析

段建锋, 张宇, 孔静, 陈明, 李翠兰

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0008

摘要(17) [PDF 771KB](5)

摘要:
天问一号是我国第一次实现地火转移行星际飞行的探测器，在长达6.5个月的行星际转移飞行期间，经历了4次中途修正及1次深空机动控制。本文对深空探测期间的动力学模型进行了分析，制定了转移飞行期间积分中心转换原则，需要在出地球影响球后，积分中心更换为日心；对行星星历表的使用进行了分析，确定了使用DE436历表进行计算对定轨影响最小，制定了一种基于逐日迭代定轨策略的精度评估方法。基于实测数据分析表明，火星探测器行星际转移段定轨位置误差优于2km，速度误差优于20mm/s(1σ)。

基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率研究

王玮, 张佼佼, 王赤, 阎敬业, 蓝爱兰, 邓翔

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0028

摘要(28) [PDF 1071KB](11)

摘要:
本文利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，统计研究了在2018年3月至2019年11月期间两雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征，并进行了对比分析。研究比较了在地磁平静期（Kp<3）和地磁扰动期（Kp>3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45º-64º MLAT范围内普遍存在，其中55º-64º MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45º-54º MLAT的地区，除了秋季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。

基于线性中值滤波的高分辨率光谱图像降噪研究

肖焱山, 刘浩, 曾祥云, 郑胜, 曾曙光, 黄瑶, 罗骁域, 易爽

当前状态:

摘要(10) [PDF 1071KB](0)

摘要:
针对高分辨率光谱(HRS)图像中的宇宙射线噪声问题，本文提出了一种线性中值滤波降噪的方法，该方法通过线性局部极值检测光谱图像中的宇宙射线位置，采用线性中值滤波实现对高分辨率光谱图像数据的降噪处理。相较于中值滤波、拉普拉斯边缘检测等传统降噪方法，该方法在HRS图像宇宙射线去噪中效果显著，在完成降噪同时能保持原有数据的真实性，信息保真率达92% 以上。实验证实了所提方法的有效性和可靠性。

基于贝叶斯证据的全球地磁场模型主磁场阶数分析研究

马森, 马嘉卉, 佟继周, 李云龙

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0009

摘要(28) [PDF 604KB](51)

摘要:
本文使用贝叶斯推理对全球主磁场模型进行比较，依据贝叶斯证据比较数据偏好的模型阶数，为主磁场的阶数选择提供一种统计依据。利用Swarm卫星磁测数据，估计不同阶数主磁场模型的证据，结果表明在0-20的主磁场阶数中，阶数N=12具有全局最佳证据，参照Jefrrey’s scale给出的阈值区间，数据对阶数N=12的偏好显著的优于其它阶数，并且该结果与14阶球谐函数的功率谱分析相匹配。

ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证

陈灯意, 张哲, 胡一鸣, 江贤恺

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0013

摘要(20) [PDF 1406KB](46)

摘要:
先进天基太阳天文台卫星（简称ASO-S）是中国首颗综合性太阳观测任务，计划于2022年秋季发射。太阳硬X射线成像仪（简称HXI）是ASO-S卫星三大载荷之一，主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法，共计包含91个子准直器探测单元。作为空间科学仪器，在地面完成定标是必要的，HXI地面定标包含准直器调制功能定标与量能器探测单元定标，难点在于准直器的定标。本文重点介绍了HXI研制过程中为准直器地面定标所研制的X射线束流调制定标装置；随后利用该装置对HXI所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符，充分证明了准直器的优良性能，为其在轨正常工作和后期科学数据处理提供调制参数参考，试验结果也确证了X射线束流定标装置的优良性能。

超低轨道飞行器的技术难点及研究进展

黄劲

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0010

摘要(39) [PDF 1570KB](13)

摘要:
超低轨道飞行器在军用、遥感、科学研究等领域有着广泛的应用需求，已经成为各国的热门研究领域。由于超低轨的特殊空间环境，从而需要面临和解决众多技术难点，主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文介绍了典型的超低轨飞行器任务，主要的大气模型及反演方法，超低轨飞行器气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法，气动防热材料及防热散热可变切换技术。本综述有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验论证，将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。

夜间135.6nm气辉反演的电离层foF2与测高仪观测的比较研究

薛仕翔, 姜春华, 马征征, 徐彬, 丁广兴, 杨国斌, 张援农, 赵正予

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0018

摘要(24) [PDF 857KB](50)

摘要:
在夜间电离层，气辉135.6nm谱线主要由F层的和电子的辐射复合过程以及和的中性复合过程激发，该谱线强度和电离层峰值电子密度NmF2存在很强的相关性。本文利用夜气辉135.6nm辐射强度与F2层峰值电子密度NmF2的平方成正比的物理模型，建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪（SSUSI）实际观测的135.6nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F2层临界频率foF2，并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明在太阳活动高年（2013年），相对误差小于等于20%的数据占比92.99%，平均相对误差约为7.18%；在太阳活动低年（2017年），相对误差小于等于20%的数据占比80.76%，平均相对误差约为13.02%。最后对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。

基于Bi-LSTM及贝叶斯似然比检验联合的认知卫星通信频谱感知算法

杨凯, 胡圣波, 张欣

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0017

摘要(52) [PDF 826KB](60)

摘要:
随着LEO巨型卫星星座投入运营，可用的频谱资源变得更加稀缺，为了改善频谱利用率，GEO中继卫星和LEO卫星组成的认知卫星通信技术成为了解决该问题的首选。认知卫星通信场景中，最为关键一步则是用于快速判断主用户是否存在的频谱感知技术。然而，当前的频谱感知算法以模型驱动为主，但模型驱动算法的感知性能过于依赖预先假设的统计模型，这使得其在多变的卫星通信场景的部署变得困难。本文首先对LEO卫星过境期间的信噪比波动情况进行了分析，其次针对此多变的信道环境提出了一个基于双向长短期记忆网络及贝叶斯似然比检验联合的频谱感知算法。该算法不需要任何PU信号的先验知识，可自动从PU信号数据中学习特征信息并做出决策。仿真结果表明，所提算法在信噪比为-14dB的情况下，依旧能达到83%的检测性能，且始终优于卷积神经网络、多层感知机和基于模型驱动的能量检测算法。

时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化的应用

祝艳, 钟鼎坤

当前状态: doi: 10.11728/cjss2022-0011

摘要(35) [PDF 1054KB](50)

摘要:
了解太阳风暴行星际传播过程是空间环境预报和服务的基础，数值模型结果可视化是分析传播动力学过程及验证模型有效性的重要方法。为便于模型结果可视化分析，本文提出一种针对时变数据体绘制的传输函数设计算法(Time-varying Volume data Transfer Function，TVTF)。该算法基于KNN(K-Nearest Neighbors，KNN)背景差分法提取运动区域的图像及三维子集，然后利用频率调谐(Frequency Tuned，FT)显著性算法在运动区域图像中检测日冕物质抛射(Coronal mass ejection，CME)，并根据CME检测结果设计颜色反映射算法查找CME与背景的分界阈值，最后基于阈值自适应调整传输函数实现各时间步运动区域中CME的快速三维可视化。实验结果表明，该算法能够适应静态及动态背景下CME的数值模型结果，相对于常用线性传输函数有效避免了视线方向的遮挡，直观自动地展示了相对动量的变化，示踪行星际空间中CME的演化过程，局部区域的提取降低了数据冗余，借助算法自动分析数据自适应调整传输函数过程避免了人工调整的低效性。

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

刘晋芳, 姜国英, 徐寄遥, 朱亚军

当前状态: doi: 10.117282022-0016

摘要(41) [PDF 1213KB](18)

摘要:

本文利用漠河站、北京站、武汉站流星雷达观测到的中间层—低热层大气风场数据，分析研究了在2012-2018年地磁活动期间80-100公里高度大气的纬向风与经向风对地磁活动的响应特征。统计研究2012-2018年的风场数据，比较了在地磁平静期（Kp ≤ 2）和地磁扰动期（Kp ≥ 4）的日平均纬向风与经向风数据，得到在地磁活动期风场的变化特征，研究结果表明在地磁扰动时风场变化具有季节差异，并且在不同的纬度表现不同。对于纬向风，地磁活动在较高纬度地区更倾向于表现为中间层西风增强，低热层东风增强，其对纬向风的影响大约在3 m/s的量级，而对于纬度较低地区，在80-100 公里大气区域倾向于表现为东风增强，影响约在5 m/s量级左右。在春季地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异，在夏/冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异，对春冬季节的影响强于夏秋季节，在冬季，对中低纬地区经向风的影响强于高纬地区。从计算结果来看对纬向风影响约在5 m/s到10 m/s量级，对经向风的影响大约在3 m/s到5 m/s的量级。地磁活动对中性大气风场的影响可以达到80公里，在这一高度，地磁活动对纬向风的影响在春季最强，达到8 m/s，对经向风的影响在春冬季节最强，达到5 m/s。

一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法

冯水春, 孟新

当前状态: doi: 10.117282022-0014

摘要(42) [PDF 1359KB](53)

摘要:

目标区域多维特征的建模表征是实现目标跟踪搜索的前提。传统的特征提取先连通出目标区域，再计算目标特征，实时性不强。提出了一种基于像素连通域标记及目标特征同步计算的方法，目标区域连通完成即可输出目标特征。该方法建立了特征传递机制，在扫描图像时同步建立标号表、标号映射表与特征属性表，利用标号映射表关联了标号表与特征属性表。区域邻接时进行标号合并和特征属性同步传递计算，保证了目标特征提取的实时性。给出一种基于FPGA硬件设计的实现方案。仿真测试结果显示，此方法具有几项突出的特点：连通域标记耗时接近理论最小值；利用循环缓存区存储图像，资源消耗小；标记与计算并行流水处理，提升检测跟踪效率；多目标特征经测试验证结果准确，可有效支持后续的目标跟踪检测；具有理论与实用价值。

优先出版栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章，这些文章目前处在编校过程，尚未确定卷期及页码，但可以根据DOI进行引用。