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当期目录

2024年 第44卷  第1期

战略
NASA 2023年度进展与成果回顾
范唯唯, 韩淋, 王海名, 杨帆
2024, 44(1): 1-4. doi: 10.11728/cjss2024.01.2024-yg04
摘要:
2023年美国国家航空航天局(NASA)继续努力突破空间探索极限, 探索空天未知领域, 在月球至火星、气候与地球科学、载人航天、太阳系及以远、空间技术创新、航空技术等方面持续产出新的科学发现, 并对这些科学发现进行广泛宣传, 从而吸引人们关注空间探索, 例如: NASA制定月球至火星载人深空探索体系化蓝图, 阿尔忒弥斯载人月球探索计划系列任务和各系统研制持续推进, 詹姆斯·韦伯空间望远镜发现有史以来观测到的最远星系、恒星和黑洞, 多项小行星探测任务取得重要进展, 天基和空基平台共同助力理解变化中的地球, 成功验证16×106 km深空光通信, 开发新型跨音速验证机X-66A等, 并激励和引导下一代关注和参与空间探索.
综述
空间系外行星探测与研究进展
周济林, 谢基伟, 葛健, 季江徽, 窦江培, 东苏勃, 刘慧根, 王炜, 郭建恒, 余聪, 白雪宁, 冯发波, 刘倍贝
2024, 44(1): 5-18. doi: 10.11728/cjss2024.01.2024-yg01
摘要:
系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科. 其主要研究内容和目标包括, 通过发展各种探测技术探测太阳系外行星, 分析行星轨道、成分、大气性质, 评估行星的宜居性, 统计行星的分布规律, 从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制. 系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义. 随着21世纪空间探测技术的发展, 系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段. 本文分析了系外行星研究领域的发展态势, 凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域, 优化学科布局, 以推进系外行星研究的快速稳步发展.
小行星探测历史及启示
魏思佳, 何雨旸, 刘天宇, 杨蔚, 林杨挺
2024, 44(1): 19-50. doi: 10.11728/cjss2024.01.2024-yg02
摘要:
自1989年美国Galileo探测器在探测木星的途中顺访了小行星951 Gaspra和243 Ida起, 小行星探测已经逐渐成为各主要航天国家深空探测的重点目标之一. 过去30年, 小行星探测任务从飞掠探测到专访探测再到采样返回, 探测类型愈加丰富, 并逐步从单纯的科学探测发展到小行星防御与资源利用. 中国预计在2025年发射天问二号, 同时计划开展首次小行星防御任务. 在此背景之下, 本文详细分析了迄今为止小行星探测任务的历程、科学目标、科学载荷配置以及主要研究成果, 并重点研究了日本Hayabusa和Hayabusa 2任务及美国OSIRIS-REx任务的样品储存管理、分配经验和返回样品实验室初步分析流程, 以期对中国未来小行星探测任务的设计和实施提供参考. 设计低成本、多频次采样返回任务; 统筹任务规划, 注重加强任务之间的配合; 加强科学团队建设是更好地规划中国未来小行星探测任务的要点.
空间物理
喉区极光过程中的能量输入估算
范天舒, 曹永军, 邱荟璇, 王智伟, 韩德胜
2024, 44(1): 51-59. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0065
摘要:
喉区极光是一种只发生在磁正午附近的特殊分立极光, 具有明显的从分立极光卵赤道侧边界向低纬延伸的特征. 已有研究表明, 喉区极光对应于一种由磁重联导致的磁层顶局地凹陷. 磁重联是太阳风能量注入到地球磁层空间的重要方式之一, 但伴随喉区极光过程有多少能量传输进入电离层尚不明确. 利用2015年12月的地基全天空极光观测与经过电离层上方的卫星粒子共轭观测, 建立了极光强度与沉降电子能通量之间的相关关系. 在此基础上, 针对发生在2015年12月8日的一个典型喉区极光事件, 在综合考虑持续时间与空间尺度基础上, 估算出伴随该事件由电子携带的输入到电离层的总能量约为$ 1.07\times {10}^{11}\;\mathrm{J} $, 单位面积输入能量的平均功率约为$ 1.31\times {10}^{-4}\;\mathrm{W}\cdot {\mathrm{m}}^{-2} $, 对比以往研究中MHD模拟给出的通常情况下极隙区能量输入结果, 本文给出的喉区极光过程中能量输入的效率约为MHD模拟结果的两倍, 表明伴随喉区极光过程的能量输入非常可观, 可能引起局地空间天气效应.
全球电离层峰值参数的季节变化
李波, 崔瑞飞, 翁利斌
2024, 44(1): 60-70. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0130
摘要:
针对全球电离层峰值参数的季节变化问题, 使用2006-2019年COSMIC掩星电离层月均值数据和小波分析方法分析了全球电离层NmF2hmF2季节变化特征, 结果表明: 电离层NmF2hmF2随地方时、季节、纬度存在显著差异, 电离层峰值参数均与太阳活动水平表现出正相关性, 月均值相关系数分别达到了0.9和0.8以上; 正午电离层NmF2在太阳活动高年期间存在显著年、半年等季节变化特征, 午夜基本以年变化为主, 且南半球电离层NmF2季节变化特征更为明显; 正午电离层hmF2所有年份均存在显著年变化特征, 午夜期间季节性变化特征不太明显, 且南半球电离层hmF2季节变化特征强于北半球; 电离层峰值参数的季节变化规律在太阳活动高年期间更为显著; 太阳活动指数和电离层峰值参数中似乎存在25~35个月的周期信号, 但未通过显著性检验, 综合分析研究认为电离层中的等离子体不会受到QBO现象影响.
COSMIC电离层掩星反演模拟及星座优化
许波波, 王成, 张雨露, 文援兰, 何丽娜, 李桢
2024, 44(1): 71-79. doi: 10.11728/cjss2024.01.2022-0072
摘要:
基于卫星导航系统精密星历和NeQuick模型模拟COSMIC星座电离层掩星事件的几何过程和物理数据, 并采用改正TEC法和“洋葱分层”算法反演电离层三维电子密度. 模拟反演得到的电子密度廓线与模型变化趋势一致, 偏差较小. 电离层hmF2, NmF2的绝对误差分别为4.2 km和0.26×104 cm–3, 相对误差分别为1.66%和4.95%, 反演值与模型值的线性回归决定系数R2分别为0.956和0.950, 表明掩星反演模拟完整可靠、正确有效. 在几何模拟正确的基础上, 分析了COSMIC-2完全组网时的掩星观测性能及多系统GNSS对掩星数量及空间分布特征的影响. 为提高未来掩星事件的时效性及时空分布的均匀性, 提出了一种掩星分布均匀性指数, 并且通过非支配排序遗传算法实现掩星星座卫星总数、轨道面数、轨道倾角的最优确定.
Automatic Generation of Artificial Space Weather Forecast Product Based on Sequence-to-sequence Model
罗冠霆,
2024, 44(1): 80-94. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0029
摘要:
基于嵌入式CPU+GPU异构平台的遥感图像滤波加速
谭鹏源, 薛长斌, 周莉
2024, 44(1): 95-102. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0033
摘要:
针对遥感图像在轨实时处理提出一种基于嵌入式CPU + GPU异构平台的遥感图像滤波加速设计方法. 以加速拉普拉斯滤波为例, 利用GPU的并行计算特点, 通过数据划分及数据映射的方法对算法进行并行设计; 利用GPU的向量单元和缓存等硬件资源, 通过采取向量化和向量重组以及工作组调优方法进一步提高了算法的运行速度. 在嵌入式开发板上验证了加速设计的可行性和高效性. 实验结果表明, 相比于单CPU的串行实现, 在增加GPU并行处理后的拉普拉斯滤波获得了4.08~16.92倍的加速比. 进一步利用GPU硬件资源优化性能后, 加速比可达15.38~56.41倍.
基于高光谱数据的密云水库水生态空间地物精细分类
陈珠琳, 李添雨, 张耀方, 薛万来, 谢营, 吴迪, 赵晨强, 马利, 王思棋, 贾坤
2024, 44(1): 103-113. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035
摘要:
重点水域水生态空间地物类型分布状况是其健康评估以及生态规划的重要基础. 基于高分五号(GF-5)卫星高光谱数据, 采用混合式特征选择算法开展北京市密云水库水生态空间地物精细分类研究. 采用随机森林算法获取波段重要性排序, 经过特征降维将总体分类精度最高的模型对应的特征集作为初始特征子集. 利用后向序列选择算法搜索地物精细分类的最佳特征子集, 进而开展密云水库水生态空间的地物精细分类. 结果表明, 高光谱数据可以实现较高精度的地物分类(总体分类精度为93.61%, Kappa系数为91.71%), 相比于哨兵二号(S-2)卫星多光谱数据, 在精细树种分类方面具有明显的优势.
微重力与空间生命科学
35 K空间深低温热传输系统性能天地差异
郭元东, 刘思学, 张红星, 苗建印, 赵建福, 林贵平
2024, 44(1): 114-121. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-yg13
摘要:
为了解决空间红外探测系统的深低温散热问题, 保证红外探测器的低温工作环境, 基于脉冲管制冷机和深冷环路热管, 设计研制了一套35 K温区的深低温获取与热传输集成系统. 该系统由一套35 K温区氖工质深冷环路热管、两台35 K温区脉冲管制冷机、一台150 K温区脉冲管制冷机、隔热冷屏、测温/加热组件、控制系统等组成. 完成了地面单机级、整星级热真空测试, 并于2020年完成空间飞行测试. 在地面单机试验中开展了水平姿态和逆重力恶劣姿态下的传热测试, 保证了空间微重力下必定能稳定工作; 整星级测试验证了系统在卫星平台散热工况下的工作特性, 空间飞行测试获得了系统的空间微重力下的工作性能. 本文分析了系统在上述不同阶段的热性能, 包括超临界启动特性, 稳态运行性能等, 验证了相关设计的正确性, 重点对比了不同阶段的性能差异, 分析其可能的原因.
微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究
李文韬, 黄文昊, 梁国柱
2024, 44(1): 122-132. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0003
摘要:
研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础. 与常重力和低重力环境不同, 微重力下Marangoni效应变得突出. 为了求解气泡脱离半径, 构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型. 针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题, 依托数值仿真方法, 拟合得到了更精确的修正因子计算公式, 进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围. 使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3 MPa下的饱和液氧物性参数, 计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系. 结果表明, 气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分. 微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡, 而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡. 相比之前的模型, 本文模型可以同时适用于三个区, 更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性, 可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.
白藜芦醇对后肢去负荷雄性大鼠生殖 损伤的对抗作用
轩莹莹, 杨玉田, 孙月红, 蔡楠, 唐汉琴, 李亮, 陈克明
2024, 44(1): 133-141. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0063
摘要:
研究白藜芦醇对后肢去负荷雄性大鼠生殖损伤的对抗作用, 将30只实验雄性大鼠随机分为安慰剂组(placebo control, PC)、后肢去负荷+安慰剂组(hind-limp unloading + placebo control, HU+PC)、后肢去负荷+白藜芦醇给药组(hind-limp unloading + Resveratrol, HU+Res). HU+Res组按隔天30 mg·kg–1的剂量腹腔注射, PC组和HU+Res组腹腔注射等体积生理盐水. 28 d后处死所有雄性大鼠, 取睾丸和附睾, 用于组织病理学检测、组织生化指标检测、组织蛋白表达分析. 与PC组相比, HU+PC组雄性大鼠睾丸和附睾重量均显著下降, 白藜芦醇可以显著改善这些指标; 组织病理学结果显示, HU+PC组雄性大鼠睾丸组织生精上皮层数显著减少, 细胞间质面积显著增大, 出现明显的水肿, 精原细胞数目明显减少, 经白藜芦醇处理后, 睾丸组织形态有部分恢复; 氧化应激与炎症因子水平检测结果显示, 与PC组相比, HU+PC组雄性大鼠睾丸组织氧化应激水平失衡, 炎症因子水平明显升高, 经白藜芦醇处理后, 可以明显逆转这一有害情况; Western blot 结果显示, 白藜芦醇能显著降低HU+PC组大鼠睾丸组织Bax表达水平, 提高Bcl-2, p-PI3K/PI3K, p-AKT/AKT表达水平, 表明30 mg·kg–1的白藜芦醇可能通过激活PI3K/AKT信号通路发挥对后肢去负荷雄性大鼠生殖损伤的对抗作用.
空间探测技术
BDS/GPS对流层延迟估计及对精密单点定位的影响
邓标, 王伟娜, 王延霞
2024, 44(1): 142-150. doi: 10.11728/cjss2024.01.2022-0051
摘要:
针对对流层湿延迟参数估计及水平梯度处理策略对精密单点定位影响的问题, 以9个多系统实验网实测数据为基础, 设计了6种对流层延迟处理方案并进行实验. 实验结果表明, 观测时长在8 h时段内, BDS/GPS定位模式下, 对流层延迟的水平梯度处理不宜采用随机游走模型; 采用随机游走估算对流层湿延迟参数, 且不估算或使用分段常数处理水平梯度的策略相对占优. 动静态精密单点定位结果显示, BDS/GPS采用分段常数或随机游走进行对流层湿延迟参数估算和分段常数处理水平梯度的策略相对占优, 采用随机游走处理水平梯度的策略稍弱. 总体而言, BDS较GPS估算的对流层延迟及定位精度稍弱; 海洋周边6种方案解算结果差异较内陆站大. 静态精密单点定位模式下, 随着观测时长的增加, 6种方案定位误差趋势趋于一致, 误差大小基本在2 cm内, 观测时长大于12 h时, 随机游走估算对流层湿延迟参数和不考虑水平梯度的处理策略整体较优.
基于TLE双行根数的航天器机动检测方法
崔文, 郭超, 张炜
2024, 44(1): 151-158. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0001
摘要:
由于不同功能的航天器承担的任务不尽相同、轨道亦不相同等原因, 航天器不时需要变轨机动以确保完成任务. 对于非合作航天器, 其可能的变轨信息预先未知且难以预测, 故需要准确快速判断航天器的变轨事件, 以及时调整轨道探测策略. 由于美国公布的双行根数具有来源稳定、更新频率快和容易获取等特点, 本文结合航天器轨道动力学及变轨控制的特点, 提出了基于TLE双行根数的航天器变轨机动检测方法, 通过检测半长轴的变化量和相对距离最小值实现了在轨航天器轨道面内机动的检测. 以METOP-A1和IRNSS 1G两个航天器在2019年6-9月的TLE根数为例, 说明使用该方法开展机动检测的操作流程和步骤. 同时大量仿真计算结果表明, 该方法能够有效解决航天器在轨运行过程中面内机动时间和半长轴改变量的检测以及多次变轨识别的问题, 检测精度与TLE根数自身精度及机动量大小相关.
面向即时响应的卫星在轨分布式协商智能任务规划
李英玉, 史好迎, 赵通
2024, 44(1): 159-168. doi: 10.11728/cjss2024.01.2022-0074
摘要:
低轨遥感星座任务规划是一个复杂的多目标优化问题, 目前基于深度强化学习的卫星任务规划研究存在试验数据星座规模小、优化目标单一、任务重复安排或模型适应性差等问题. 针对上述问题, 提出CON_DQN(Contract network and Deep Q Network)算法, 采用主从星在轨分布式协商机制, 从星基于规划决策, 主星基于深度强化学习算法决策, 从任务优先级、资源代价和负载均衡等方面进行多目标优化, 实现面向即时响应的卫星在轨分布式协商智能任务规划. 针对用户需求高频动态到达重点观测区域的场景, 进行百星级星座不同规模任务集的仿真实验, 结果表明本文所提算法的响应速度较快且能达到较高的任务收益.
基于跨阻抗前置放大器的宽频带感应式磁传感器的设计与验证
周斌, 薛永亮, 陶然, 程炳钧, 王子栋, 张海波, 吴新哲
2024, 44(1): 169-177. doi: 10.11728/cjss2024.01.2022-0073
摘要:
本文建立了一种基于跨阻抗前置放大器的磁传感器信号传递模型, 并在该模型的基础上推导出磁传感器的灵敏度和噪声理论值. 根据理论推导的结果, 进一步研究了感应式磁传感器设计方法, 以带宽0.01~10 kHz, 噪声1 fT·Hz–1/2 (1~10 kHz)作为设计目标设计了一个感应式磁传感器, 并对这一传感器进行了性能验证试验. 在处理频率响应测试数据时设计了一种基于信号调制的处理方法, 有效提取特定频率得到幅值和相位, 并降低了随机噪声的干扰, 磁传感器–3 dB带宽达到了0.01~10 kHz. 在评估传感器噪声时, 采用双探头差分的方法消除了环境的干扰, 设计了相位差分析的评估方法, 确认在哪些频带双探头探测的信号是同源的, 在这些频带采用差分法评估是有效的. 评估的结果是, 传感器在1~10 kHz 实现了1 fT·Hz–1/2噪声水平.
基于ASIC芯片的多探测单元设计与验证
张鑫, 徐婉秋, 白超平, 孙越强, 王文静, 张帅, 韩建伟, 陈睿, 朱翔, 李悦
2024, 44(1): 178-184. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0018
摘要:
以空间辐射环境中的粒子为研究目标, 研制了用硅微条传感器作为探头、用集成芯片IDE3160进行信号处理的空间粒子探测系统. 该系统采用两片硅微条传感器组成的硅微条探测阵列作为前端探头, 并应用数字化的信号处理方法, 获取空间粒子入射的位置及在硅微条内单位长度沉积的能量(线性能量传递, LET). 从诱发单粒子效应的物理机制角度, 对比重离子和脉冲激光在硅半导体中所产生物理效应的不同. 采用1.064 μm脉冲激光开展系统测试, 获得良好的LET线性结果: 该系统数据采集所需时间为2.47 ms, 可探测到的LET阈值约为0.1 MeV·cm2·mg–1, 皮尔逊相关系数(PCC)达0.998, 表明系统测量结果与理论设计符合性良好. 该系统动态范围宽、线性度好, 具有较高的集成度、可拓展性及可移植性, 可以搭载在各种空间探测卫星上.
XFDU标准在遥测数据定义上的应用研究与设计
谭杰, 吕良庆, 王彧泽
2024, 44(1): 185-191. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0021
摘要:
固定的星载数据格式设计会造成数据冗余, 占用遥测数据下行带宽, 导致不关注、不需要的数据被传输等问题. 参照OAIS模型中XFDU的设计思路, 提出了采用CCSDS XFDU标准进行数据格式的包装方法, 采用PUS标准的参数定义方法给出了星载数据定义的方法模型, 设计了相应的元数据schema, 元数据编码表以及进一步的XFDU格式文件. 相应设计了XFDU转换器, 支持对描述数据格式的星载二进制数据串到XML文件的转换, 基于元数据schema生成元数据文本, 并进行了相应的测试验证. 通用的XFDU转换器可以提供给不同的系统, 供其识别和解析收到的数据格式, 从而支持异构系统之间异构信息的解读. 采用XFDU可以将卫星遥测场景下的数据定义模型与OAIS模型进行衔接, 有利于星地的标准化数据流转、处理和保存, 从而进行星载数据的灵活定义, 成为定义卫星的一个手段.