月球空间天气探测与研究进展

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间天气监测站的构想,明确了监测站具体科学目标,并介绍了监测站三大系统构成及相互关系,包括监测系统、科学研究系统以及建模与预报系统。建立月球空间天气监测站对研究太阳爆发活动、日地月耦合关系以及月球局地环境的变化具有重要的科学意义,也有利于促进月球空间天气建模和预报技术的发展,提升未来月球科研探索任务空间环境保障能力。

一种基于硅传感器的空间中子探测器设计

针对空间站轨道复杂的中子辐射环境,设计一种中子探测器,采用硅层叠结构,利用核反冲法及核反应法进行中子的间接探测,获取空间站轨道中子辐射的能谱信息。该中子探测器的探测范围指标为0.025 eV~10MeV,搭载于天宫空间站梦天实验舱的空间辐射生物学暴露实验装置上,用于监测空间站低地球轨道的中子辐射环境,获取在轨探测数据,可为研究空间中子对生物体造成辐射效应的作用机理提供重要依据,也可为研究次级粒子对航天器电子元件造成的单粒子效应提供必要的空间环境参数。

中国月球及深空空间环境探测

深空探测承载着人类航天技术发展、探索宇宙奥秘和寻找地外生命及人类宜居地的重任,成为各航天大国关注的热点。我国月球与深空探测虽然起步晚,但起点高,正在追赶并将实现领先。简要回顾了我国月球及深空空间环境探测的载荷情况、数据结果、理论和应用研究成果,简述了当前在研的自主火星空间环境探测目标以及规划中的未来深空探测任务,并根据当前国际发展态势,及我国在研、规划中的月球及深空探测任务情况,分析了我国月球及深空空间环境探测的关键科学问题、载荷技术发展趋势、理论与模拟的研究需求,最后对深空环境探测进行了展望。

大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器(RLV)竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性(1月、4月、7月和10月)气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。

基于语义的空间环境信息服务组合技术研究

随着卫星技术的飞速发展,保障空间技术系统的运行安全对空间环境预报业务提出了更高要求.本文根据空间环境信息服务中数据及模型资源分布式集成与共享的现状,针对空间环境预报数据智能化、自动化生成的需求,将Web服务技术及语义服务组合技术应用到空间环境信息服务中.根据空间环境领域特点,提出了空间环境领域的语义相似度计算方法,并采用基于语义相似度的方法实现空间环境信息服务的自动组合.

临近空间多普勒激光雷达技术及其应用(特邀)

研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。

HXMT卫星空间环境监测器及初步观测结果

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星是中国首个专门进行天文探测的空间科学实验卫星,运行于高度约550 km、倾角约43°的低地球轨道.星载空间环境监测器为星上科学任务开展提供背景辐射实测资料.该监测器采用固体探测器望远镜系统和扇形阵列全新组合设计,可获取轨道空间高能质子和高能电子能谱、方向综合动态结果,给出更为全面的粒子辐射分布图像.初步探测结果显示,卫星运行轨道遭遇的带电粒子辐射集中分布在经度80°W-20°E,纬度0°-40°S的南大西洋异常区,粒子辐射在该区域表现出不同程度的方向差异分布,高能电子方向差异分布显著强于高能质子.2017年9月空间环境扰动期间,爆发的太阳质子事件并未对该轨道粒子辐射产生影响,而地磁活动导致该轨道穿越经度120°W-60°E,纬度40°-43°N的北美上空和经度60°-120°E,纬度43°-40°S的澳大利亚西南区域时遭遇增强粒子辐射影响,增强的粒子辐射表现出极强的方向分布.

基于权重的层次矢量量化体压缩算法及其在空间环境中的应用

空间环境数据可视化是空间环境预报和服务的重要手段.目前基于矢量量化的压缩体绘制算法均只考虑了数据特点和压缩效果,并未结合具体应用需求.为适应空间环境体数据可视化具体应用需求,提出了一种应用驱动的压缩体绘制算法——基于权重的层次矢量量化算法(WHVQ).算法将体数据划分为4~3的数据块,并为数据块设置权重,重点关注区域的数据块赋予相对较大的权重值.然后,对各数据块用三层结构表示.最后,对次高层和最高层分别采用基于权重的主成分分析分裂法产生初始码书,并采用基于权重的LBG算法进行码书优化和量化.实验结果表明,该算法能够在保证整体压缩效果的同时,提升局部重点关注区域的重构质量.

全球空间天气路线图及对中国的启示

随着科技的发展,空间天气对电力系统、通信导航系统和航天资产等遍布全球的技术基础设施的影响越来越深.需要加强对空间天气事件过程的理解,提升空间天气的预报能力,优化基础设施设计,从而减缓空间天气对社会造成的影响.基于这些需求,国际空间研究委员会(COSPAR)联合国际与日共存计划(ILWS)共同成立专家组,研究制定了全球2015-2025空间天气发展路线图.本文对该路线图进行介绍和解读,讨论该路线图对中国空间天气发展的启示.

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

"嫦娥1号"(CE-1)、"嫦娥2号"(CE-2)都安装了1台太阳高能粒子探测器(High-energetic Particles Detectors,HPD)和2台太阳风离子探测器(Solar Wind Ion Detectors,SWIDs),进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子(质子、电子和重离子)能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明:太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1~2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明:能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于1011 cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风"拾起"离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。

一种低能量远焦距电子枪技术

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。

星载高层大气风场原位探测技术与测试分析

采用平板型碳纳米管冷阴极作为电子发射体,基于电子发射材料的性能与几何特征,设计了以直流电子枪为结构基础的均匀场离子源,在栅极和阳极间设计聚焦极,阳极与电离区之间增加双层屏蔽栅网形成电场,对离子和电子产生区进行有效分离,确保出射电子束的能量单一且方向一致,并结合具有较高速度分辨率的阻滞势速度分析器,研制了可获取高精度中性风速的星载高层大气风场原位探测仪(SSTNWI)。仿真计算和对实物的测试分析表明,风速测量误差在平均风速100 m/s时仅为10%左右,高于“通信/导航中断预报系统”卫星(C/NOFS)的轨道风传感器,中性风速测不准引起的轨道预报误差可下降到优于1.0%,未来有望应用于火星等行星和地球卫星的大气探测任务。

一种基于TOF×E方法的空间中能离子探测器设计与仿真

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~5MeV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。

基于FY-3D电离层光度计数据开展夜间135.6nm辉光辐射强度对赤道环电流指数Dst的响应特性研究

远紫外气辉探测仪小型电离层光度计IPM于2017年11月15日随FY-3D卫星发射升空.IPM通过对地测量夜间O+和电子辐射复合产生的135.6 nm辉光辐射、白天光电子激发产生的OI 135.6 nm和N2LBH波段的辉光辐射,可以得到夜间电离层峰值电子密度、电子总含量以及白天大气氧原子和氮分子的柱密度比O/N2等参数.本文基于IPM夜侧数据研究了在非极光区的中低纬度上,135.6 nm波段辐射强度在磁暴时与磁平静时的相对变化.研究表明,135.6 nm波段辐射强度极易受到磁暴影响发生扰动,对Dst指数响应十分敏感,即使是较弱的磁暴,135.6 nm波段辐射强度也会出现增强,辐射增强出现的时间与磁暴的主相与恢复相有很好的对应性;通过与IGS(International GNSS Service)提供的TEC比对研究表明,磁暴期间135.6 nm辐射增强并非仅由与电离层电子密度信息正相关的O+和电子辐射复合机制产生的辐射贡献引起;多个不同强度的磁暴事件研究表明,135.6 nm辐射强度在磁暴时相对平静时的增加量与Dst指数呈反比,即Dst指数越低,135.6 nm辐射强度的增加量越大,且纬度越高,135.6 nm辐射强度的增加量越大.

火星无线电掩星探测进展

火星是地球的姊妹星,研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射,首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后,国际上不少的火星任务都开展了掩星实验,取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研,针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等,梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息,以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性,并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座;并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量;火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合,发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进,无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究,包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将被人类掌握.

一种基于北斗三号系统的GNSS-R海面干涉测高技术

GNSS-R干涉测高技术可用于中尺度海面高度观测,具有空间分辨率高、测量精度高等优势。与传统的GNSS-R本地码测高技术相比,GNSS-R干涉测高技术可以有效提升高度测量精度。虽然GNSS-R干涉测高技术已有一些研究,但是基于北斗三号的干涉测高应用还很少。本文根据GNSS-R干涉测高技术优势,针对北斗三号系统在干涉测高技术上的应用,研发了支持北斗三号的GNSS-R干涉测高接收机并描述了整体架构及实现。利用所研发的接收机进行水面干涉测高试验,首次获取了北斗三号B1和B2干涉测高波形,与传统GPS L1和北斗B1本地码测高波形进行对比。对两种方法计算出的水面高度进行对比,结果显示北斗三号干涉测高精度明显优于GPS L1和北斗B1传统本地码测高精度。

基于氧气A波段发射谱线临近空间大气温度的反演及分析

基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据对临近空间高度(60~110 km)的大气温度反演进行了研究及结果分析。首先,基于正演模型分别模拟了无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值,基于这两种模拟数据分别进行了临近空间大气温度反演,并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析,确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为温度观测的判断依据。温度通过影响线强和自吸收两部分来影响辐射强度,且温度对它们的影响正好相反,权函数就是用来表示温度对辐射强度影响大小的函数,而反演结果的差距可从其权函数中得到规律。在无噪声情况下,当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时,权函数未发生正负翻转,温度反演精度较高,平均反演偏差为4.1 K;当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时(主要位于60~80 km高度),权函数发生正负翻转,原因是自吸收降低了辐射强度对温度的灵敏度,此时温度的反演精度较差,平均反演偏差达到34.9 K。此外,在有噪声的情况下,强线比弱线的抗干扰能力更强,反演精度更高,在实际观测中也更适合用于温度的反演,所以线强的强弱也是谱线选择的另一个重要的依据。基于辐射弱线,进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响,结果表明:辐射越强,信噪比越大,温度的反演精度越高,反之则越低。当气辉谱线线强达到10-26时,也可以用于80 km以上的温度反演并获得较好的反演结果,反演精度<5 K。

第21~24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析

对第21~24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计,结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比,耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974,0.997;太阳质子事件主要发生在峰年前后1~2年,约占总发生次数的80%,峰值通量大于10pfu(1 pfu=1 cm^(-2)·sr^(-1)·s^(-1))的质子事件中,84%伴有耀斑爆发,并且主要伴随M或X级耀斑,少量伴随C级耀斑,峰值通量大于1000pfu的质子事件中,98%伴随M或X级耀斑,并且以X级耀斑为主;第21,22,23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982,1991,2003年和2015年,分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年;72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期,24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.

临近空间太阳远紫外-紫外光谱仪设计

设计了利用高空气球平台搭载到达临近空间底部区域的太阳远紫外-紫外光谱仪,对170~400 nm波段的太阳远紫外-紫外辐射进行高分辨光谱探测,在该区域获得波长小于280 nm的远紫外光谱数据。该远紫外-紫外光谱仪采用改进的罗兰圆光路设计实现紧凑、轻量化、宽波段和高光谱分辨率,并通过Zemax仿真软件对光路设计进行了光谱分辨率、波段覆盖性和杂散光抑制等关键指标的仿真分析,验证设计的可实现性及其对科学研究需求的满足度。

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演,分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下,信噪比为66~337时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59,762.2,764.05nm的反演误差平均值分别为5.52,3.94,4.73K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57,7.04,8.80K.信噪比为6~34时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27,12.18,18.27K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18,68.79,85.98K.研究结果表明,基于贝叶斯理论的反演方法,利用先验信息对反演结果进行约束和修正,在有噪声的情况下获得了更合理的解,从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考,也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.