风云三号E星空间环境载荷综合探测技术

针对中国风云三号卫星运行的低地球太阳同步轨道,开展空间环境及粒子辐射效应监测,提出基于空间环境监测器Ⅱ型载荷的综合探测技术。在各载荷技术指标的地面研制过程中,通过标准放射源、等效信号源、粒子加速器和标准磁场等不同方式进行标定和实验验证。结果表明,多方向全能谱粒子探测的能量范围为30 keV~300 MeV,精度优于10%;磁场强度测量范围为-65023~+65023 nT,精度优于0.73 nT;电位探测范围为-32.4~+23.7 kV,灵敏度优于10 V;辐射剂量探测范围为0~3×10^(4) rad(Si),灵敏度优于8.3 rad(Si)。通过空间环境监测器Ⅱ型载荷对卫星运行轨道上的粒子辐射环境、原位磁场矢量变化、辐射剂量累积以及卫星表面电位变化等进行观测,可以为航天活动、卫星设计、空间科学研究及空间天气预警预报业务提供必要的数据支撑。

空间高能电子探测器准直仪的设计研究

空间电子探测器的准直仪的目的是限制仪器的探测张角和几何因子,而电子与准直仪材料的散射效应严重,准直仪的设计优劣将直接影响仪器的测量精度。本文以我国的风云四号卫星的高能电子探测器为例,在基础准直仪的结构基础上进行了改进设计,分析了在准直仪内的加齿结构、齿形、齿厚、齿深、齿数等参数对准直仪反散射能力的影响。分析发现齿形对反散射能力的影响最大,齿深对反散射能力影响较小。提出了最优准直仪结构,有效改善了准直仪内电子散射问题,总结了空间电子探测器的准直仪设计的经验和原则,为以后准直仪的优化提供参考。

一种用于MCP成像探测器降噪的数字滤波器

基于微通道板(micro-channel plate,MCP)的单光子成像探测器是应用于电离层光学遥感探测及深空光学探测的主流探测器之一,MCP成像探测器运行于外太空非平稳环境时,探测器的观测信号受到高斯、非高斯噪声污染,引起观测信号信噪比降低,导致探测器成像质量下降.针对传统模拟滤波方式难以兼顾观测信号的降噪效果以及系统的计数率、基于模拟电路的滤波方式难以滤除后级电路引入的噪声等问题,提出了一种基于级联结构的数字滤波器对观测信号进行降噪.该方法先使用递推最小二乘(recursive least-squares,RLS)滤波器对观测信号进行初级滤波,经RLS滤波器降噪后的信号输入滑动平均(moving average,MA)滤波器进行平滑处理,最终获得高信噪比的输出信号.为了测试RLS-MA滤波器的降噪效果,针对不同信噪比的观测信号,分别使用最小均方(least mean square,LMS)、RLS、MA以及RLS-MA滤波器进行降噪对比,结果表明RLS-MA滤波器的输出信号具有更高的信噪比和更低的均方根误差.

空间中能电子多次散射对探测结果的影响

使用MC法模拟了中能电子的多次散射过程,对不同能量中能电子在多次散射条件下的探测结果进行了比较。使用电子加速器对研制的中能电子探测器进行了测试,验证了该物理过程对探测结果的影响。分析了加速器测试和仿真结果的异同,提出了针对多次散射过程的传感器优化设计方法。

风云三号E星中能质子探测器标定

风云三号E星搭载的中能质子探测器实现了风云三号系列卫星首次对辐射带中能质子进行多方向的测量。中能质子探测器实现了对九个方向的测量能量范围为0.03~5 MeV的中能质子能谱的测量。为确定中能质子探测器的实际性能,在仪器交付前,利用中国科学院国家空间科学中心的中高能电子加速器,对中能质子探测器的能量分辨率,相对响应效率曲线、不同方向探头测量一致性以及抗电子污染能力进行了标定。文中介绍了仪器的标定场所、标定内容,并对标定的结果做了分析。其结果显示,仪器的能量分辨率为6.50%@310 keV,各测量一致性偏差优于1.51%,电子在仪器内产生污染计数的概率低于1%。该结果为中能质子探测器在轨运行时数据的分析处理提供了重要的参考依据。

MCP成像探测器前端电子学增益补偿

基于微通道板电子倍增电荷分割型阳极的成像探测器常用于行星大气、气辉等微弱信号探测。针对探测器读出电路增益不相等导致探测器成像产生畸变的问题,利用理论分析结合MATLAB仿真揭示了不同畸变图像的形成机制,在该基础上提出了一种探测器读出电路增益补偿方法减小探测器成像畸变。通过MATLAB仿真和实验测试结果表明该文提出的方法能够有效减小由于读出电路增益不相等导致的探测器成像畸变。

北斗卫星广播星历精度分析

讨论了BDS卫星广播星历精度分析方案,通过BDS卫星广播星历与IGS MGEX的GBM分析中心精密星历产品进行比较,统计分析连续一个月所有在轨健康BDS卫星的广播星历轨道及钟差的误差特性。结果表明:1)当前BDS卫星广播星历轨道误差的径向均方根误差在1m以内,GEO类型卫星的轨道切向、法向精度在8m以内,IGSO、MEO类型卫星的轨道切向、法向精度在4m以内;2)BDS卫星钟差误差与轨道类型没有关系,其精度在10ns左右;3)从空间信号测距误差(SISRE)角度分析,BDS卫星广播星历整体精度与BDS卫星轨道类型关系不明显,BDS卫星广播星历整体精度优于2m。

GNSS-R/IR监测地表冻融状态对延迟多普勒波形和多路径数据影响分析

将GNSS-R/IR技术的应用领域拓展到地表冻融状态的监测中,本文利用冻融土混合介质介电常数模型计算土壤介电常数,采用双站全极化相干反射率模型和随机粗糙面散射模型,分别计算了经冻融土反射的GPS相干反射量的镜像反射率,以及GPS非相干反射分量的漫散射特性。模拟分析了冻融转换时,GPS多路径信息(GNSS-IR)以及包含漫散射信号的延迟多普勒图(GNSS-R)的变化特征。理论研究表明冻融转换过程中,地表介电常数的变化导致GPS多路径信息和延迟多普勒图的明显变化。本文从散射机理上揭示了利用GNSS-R和GNSS-IR遥感进行地表冻融特性监测的理论依据。

SMILE卫星载荷宽视场软X射线成像仪设计与仿真

SMILE卫星载荷宽视场软X射线成像仪(Soft X-ray Imager,SXI)采用Angel型龙虾眼光学成像系统的设计方案,具有大视场,高分辨率质量轻的优点.本文中对宽视场软X射线成像仪进行初步设计,包括成像镜头支撑结构设计,可见光/极紫外滤光片的选取,镜头遮光罩和高能粒子屏蔽门设计.利用模拟仿真程序对成像仪的点扩散函数,有效面积以及灵敏度进行研究.该成像仪用于太阳风与地球磁层区域进行全景成像.

宽谱段高光谱成像仪星上波长定标方法

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求,优选出高精度的太阳参考光谱,用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线,并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差,以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS,确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下,可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。

临近空间飞行平台青藏高原大气NO_(x)原位观测实验

大气NO_(x)气体分析仪是中国科学院战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”“太阳风暴在临近空间环境的响应”任务的主载荷之一,是我国自主研发的原位探测临近空间大气NO_(x)的载荷,并已成功测量临近空间高空气球飞行路径NO、NO_(2)、NO_(x)混合比.分析仪基于可见-紫外光谱吸收法原理,用动态流导法将飞行路径上1×103~1×10^(5) Pa的自然大气压缩至8×10^(4)~1×10^(5) Pa,构建了长期稳定的常压工作环境,把商用氮氧化物光谱仪的适用范围从地表拓展到高空.2019和2020年夏季,中纬度青藏高原大柴旦地区开展的两次高空气球科学实验均搭载了大气NO_(x)气体分析仪,实现了对流层5 km到平流层30 km大气NO_(x)的原位测量,并获取了青藏高原上空NO、NO_(2)、NO_(x)混合比的科学探测数据.

基于树模型机器学习方法的GNSS-R海面风速反演

GNSS-R是基于GNSS卫星反射信号的一种新技术.GNSS-R技术可以运用到海面风场反演中,传统的GNSS-R技术反演海面风场主要有波形匹配和经验函数两种方法,风速反演精度约为2m·s^-1.波形匹配方法耗时多,计算量大;经验函数方法通常只使用少量物理观测量,会造成信息浪费,损失一定的反演精度.为了提高海面风速的反演精度,引入机器学习领域常用的树模型算法决策树、随机森林、GBDT等对海面风速进行预测.利用GNSS-R与ECMWF数据构成训练集和验证集,训练集用于模型学习,验证集用于检验模型的反演效果.实验结果显示,决策树和随机森林预测误差约为0.6 m·s^-1,GBDT等算法的预测误差约为2 m·s^-1,满足风速反演要求.与GNSS-R传统反演方法相比,机器学习树模型算法效果更好,在验证集上表现稳定且误差较小.因此,可以将机器学习树模型算法运用到海面风速反演中.

电离层模型IRI-2016的NmF2和HmF2参数在平静期的误差分析

国际参考电离层模型IRI(the international reference ionosphere model)是利用全球电离层测站以及卫星观测数据建立的电离层经验模型,并广泛用于电离层研究领域.本文选用2014年地磁暴平静期的IRI-2016模式和电离层垂测仪的数据,对电离层F2层峰值电子密度NmF2和峰值高度HmF2两个物理量,通过IRI模型最新版本(IRI-2016)在地磁环境平静期的误差精度进行评估.根据不同磁倾角范围分别选择5个台站(Juliusruh(54°N,13°E)磁倾角:68.54°,Okinawa(26°N,128°E)磁倾角:37.26°,Jicamarca(12°S,77°W)磁倾角:-0.26°,Port_Stanley(52°S,58°W)磁倾角:-51.20°,Hermanus(34°S,19°E)磁倾角:-64.24°)进行NmF2和HmF2参数对比分析.5个台站中Port_Stanley站的NmF2相关性最差(相关系数0.68),Okinawa站HmF2相关性最差(相关系数0.52),Juliusruh站两个参数的相关性最高(相关系数0.87).以Juliusruh站为例进行白昼、夜晚以及不同季节的分析,可以看出白昼误差明显低于夜晚,相较于分季(春或秋)和冬季,IRI模型在夏季预测效果最好.5个台站的研究结果表明,IRI模型与垂测仪数据具备一致性,IRI模型的值高于实测数据值.

GNSS-R DDM波形仿真的时延与多普勒间隔研究

DDM波形是GNSS-R技术用于反演地球物理参量的基本观测量,其仿真结果的可靠性直接影响GNSS-R的理论研究及项目工程参数设计。利用GREEPS仿真软件分析了时延间隔与多普勒间隔对DDM波形仿真结果可靠性的影响,得到了用于获取可靠DDM仿真波形的时延与多普勒间隔参数。研究表明,时延和多普勒间隔越小,DDM仿真波形与理论波形吻合度越高;当时延间隔取1/16个GPS L1 C/A码元、多普勒间隔取50Hz时,DDM仿真波形与理论波形几乎完全吻合,二者的相关系数大于0.99;时延间隔对DDM仿真波形峰值位置的影响远大于对峰值信噪比的影响;而多普勒间隔对DDM仿真波形峰值位置与信噪比的影响相当。