基于深度表征学习的紫外极光卵图像聚类

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。     

基于紫外极光图像的极光电集流指数模型

极光电集流指数AE是描述地磁亚暴强弱的重要指标,且与极区磁层扰动及极光粒子沉降过程密切相关。因此,建立更加准确的极光电集流指数模型对空间天气的研究具有重要意义。利用1997年POLAR卫星紫外极光图像数据探究了紫外极光图像中极光强度I_AP的空间分布与AE指数在不同季节的相关性,并在此基础上提出了基于紫外极光图像的AE指数模型。以网格化方法提取极光强度空间分布特征,采用广义回归神经网络,通过相关系数法和方差选择法构建Cor-GRNN和Var-GRNN两种AE指数模型,并针对冬至月份、夏至月份、分点月份3个季节分别进行训练。研究结果表明,AE指数与I_AP具有相似的半年变化趋势,其相关性在不同季节差异较大。相比于太阳风驱动下的AE指数神经网络预测模型,基于极光图像的AE指数模型在E_RMS和R²标准上均优于其他模型,其中归一化E_RMS小于0.1,模型对于AE指数变化的可解释度提升了10%左右。     

基于包应用标准的紫外极光成像仪通信控制系统的设计与实现

在中国传统航天器中,通信系统格式通常各不相同。随着载荷越来越复杂,通信系统的格式往往需要重建,而且由于缺乏灵活性,会产生许多限制。对于SMILE卫星中的紫外极光成像仪（UVI）工程任务, 为与国际对接,提高数据处理的效率,设计实现了基于遥控遥测包应用标准（PUS）的通信与控制系统,根据通信与控制系统的构成及工作原理,PUS业务的选择和实现,对通信功能进行设计,按照PUS标准完成遥测遥控功能,并基于PUS业务提出故障诊断和处理方法。通过对系统进行集成测试,结果表明电控箱通信与控制系统工作稳定,能够完成指令处理、科学数据接收存储、故障诊断以及多种数据包发送,满足任务需求。     

极向运动极光结构和喉区极光光学观测特征的对比分析

利用中国北极黄河站高时间分辨率的三波段全天空成像仪极光观测数据,联合太阳风和行星际磁场等观测,分析了极向运动极光结构（PMAFs）和喉区极光的形成及演化特征.研究发现：一系列PMAFs与喉区极光事件同时出现在观测视野中,其中PMAFs主要发生在日侧极隙区极光卵赤道向边界的极向一侧,沿东西方向分布,点亮后向高纬运动;喉区极光紧靠PMAF一侧发生,从极光卵赤道向边界向低纬延伸,沿南北方向分布,点亮后向高纬偏西方向运动;观测期间PMAFs发生频率高于喉区极光;当PMAFs与喉区极光同时出现时,PMAFs可以与喉区极光几乎同时出现或略晚于喉区极光出现,持续时间较喉区极光短.观测结果表明：与PMAF相对应的磁层顶重联过程和与喉区极光对应的磁层顶凹陷导致的磁重联过程在日侧磁层顶上的相邻区域分别发生,两种极光事件的形成过程相对独立,可能不存在相互触发关系.     

暴时极光区热层大气焦耳加热与F区电离耗空的EISCAT雷达观测

利用ＥＩＳＣＡＴ雷达探测数据,分析计算了太阳活动高年夏季发生的一次强磁暴期间,极光区电离层对流电场、电导率以及焦耳加热速率等着重考察了Ｅ区热怪大气焦耳加热和Ｆ区离子摩擦增温与Ｆ区电子密度耗空的关系发现在下午东向极光电集流期间,电子密度最大耗空出现在Ｆ区３００－３２５ｋｍ高度,时间恰在积分的Ｅ区大气焦耳加热量大值和Ｆ区最大离子增温之后５－１０ｍｉｎ,耗空率达７０％。     

一个基于观测的太阳风背景模型

建立由太阳光球磁场和日冕偏振亮度等观测约束的单流体太阳风模型,包括日冕和太阳风的等离子体密度、速度和磁场,温度还有待于以后处理.这里采用高山观测台(HAO)MKⅢ的日冕偏振亮度(pB)在1.36Rs上的观测概图,根据Guhathakurta在1996年发展的日冕电子密度反演模型确定日冕的电子密度分布.同时采用Wilcox太阳观测台(WSO)的光球磁场视向分量的观测概图作为底部边界,根据Zhao等在1994年发展的水平电流-电流片(HCCS)模型得到全球磁场.Phillips在1995年及McComas在2003年分别用Ulysses第一次和第二次跨极飞行的观测发现,归一化到1 AU的太阳风动量流密度除了在10°～30°的纬度范围内略低以外几乎不变.根据这一结论,结合已经得到的密度数据,就可以得到日冕和太阳风的速度.将上面的模型应用于1918卡林顿自转周稳态太阳风的研究,结果与太阳活动极小期的观测基本相符,但是与观测相比较低速高密度区偏大,因此密度模型还有待改进.     

地球自转对北极黄河站观测日侧极光弧运动的影响

利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开天顶的距离和偏斜角决定,其中偏斜角的影响更为重要,其还决定速度的方向.在4年的观测数据中,提取超过40000张出现极光弧的图像,计算极光弧偏斜角.计算结果表明,日侧极光弧的偏斜角随磁地方时增大而逐渐减小,并在大约10：00MLT（磁地方时）附近发生反转.由于偏斜角的反转,地球自转产生的极光弧运动在晨侧多为极向运动,到午后多为赤道向运动.相比午前,午后的运动更为明显,最大速度可超过300m·^-1.     

精确星光大气折射导航观测模型的研究

高精度星光折射间接敏感地平的自主导航方法,目前被国内外广泛关注,由于大气参数变化的不确定性,国内外现用星光折射模型有一定局限性,使得利用星光折射导航定位精度大打折扣.根据大气密度随高度、纬度、季节等变化规律,有效改进现有固定高度(25km)的观测模型,可从整体上提高自主导航精度及可靠性.并通过对大气折射原理、平流层大气数据、大气模型以及影响星光折射观测模型的诸多因素的深入研究,建立了自适应连续高度(20~50km)的星光折射观测模型,同时建立带摄动的系统方程,利用Unscented卡尔曼滤波算法进行了计算机仿真研究,并对仿真结果进行了误差分析.      

基于矢量观测的陀螺故障诊断算法

卫星在轨运行期间, 采用反作用轮进行姿态控制及推力器进行位置保持, 星体惯量会发生改变并存在控制力矩. 提出了一种基于运动学方程的矢量观测算法应用于陀螺故障诊断, 采用广义罗德里格参数描述卫星姿态, 避免了四元数在计算过程中出现模值不为一的情况; 计算过程中采用四元数进行姿态运动学计算, 避免了广义罗格里德参数复杂的积分运算. 针对陀螺突变和缓变两种故障, 分别在角速度幅值变化很小和幅值缓慢减小两类情况下进行仿真. 仿真结果表明, 该算法可有效估计星体角速度, 在上述两类情况下均能准确地对突变和缓变故障进行诊断, 不受星体惯量变化和控制力矩的影响, 并且计算量较小, 对工程应用具有较好的参考价值.     

观测路径和光谱分辨率对吸收性气溶胶指数的影响

吸收性气溶胶指数（AAI）在监测污染物方面有较好的应用,其反演结果受边界层高度、云高、相对湿度以及仪器指标和观测几何路径等因素影响.利用大气辐射传输模型MODTRAN,对辐射传输方程中多次散射计算的不同近似方法和不同观测几何角度下的AAI进行模拟,研究这些因素对AAI结果的作用,并分析仪器光谱分辨率对AAI探测结果的影响.结果表明,折衷考虑计算效率与精度的情况下,应选择8流近似的离散坐标法进行带有多次散射计算的辐射方程解析.AAI在不同浓度和不同类型气溶胶下随观测角度变化的趋势相同：相对方位角<120°时,AAI误差在太阳天顶角和卫星方位角均为40°～60°时最大;相对方位角在120°～180°时误差均较小;光谱分辨率对AAI反演结果无明显影响.     

Initial phase of mid-latitude aurora during strong geomagnetic storms

Analysing the initial mid-latitude aurora phase during strong geomagnetic storms we found that the initial phase of the mid-latitude aurorae observed at 630 nm emission during the strong geomagnetic storms on March 24, 1991, April 6, 2000, October 30 and November 20, 2003 is characterized by a short (∼1 h) wave-like disturbance. This disturbance corresponds to the beginning of main phase of the magnetic storms. The marked effect of the mid-latitude aurorae is analyzed using data on magnetosphere and ionosphere conditions in observation periods. The features of the dynamics of the 630 nm emission intensity and its connection with the dynamics of magnetospheric–ionospheric structures are considered. Possible excitation mechanisms of the atomic oxygen emission (630 nm) during these disturbances are discussed.     

Dynamics of the dayside Aurora Australis

Current dayside optical studies of Aurora Australis from the Amundsen-Scott Research Station at the South Pole (74 degrees magnetic latitude) show some striking differences from optical results reported from Svalbard. A 6-channel meridian scanning photometer operating during the past three austral winters shows, in particular, the 630 nm emission is much lower, on average, than the Arctic dayside aurora and very weak on some days. The 558 nm intensity is higher relative to 630 nm suggesting the incoming electrons have a higher average energy. There are notable differences in auroral forms, giving further evidence of asymmetries in the two dayside ovals.     

喉区极光过程中的能量输入估算

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$ 1.07times {10}^{11};mathrm{J} $, 单位面积输入能量的平均功率约为$ 1.31times {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.     

午后极光强度与太阳风-磁层耦合函数的相关

利用1997年和1998年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和Wind卫星在弓激波上游对行星际磁场和太阳风参数的观测数据,对午后高纬极光强度与太阳风-磁层耦合函数之间的相关性进行定量研究.研究表明,午后630.0nm极光强度与太阳风-磁层耦合函数间有很好的相关,而557.7nm的相关性差一些;在考察的所有耦合函数中,午后极光受太阳风电场和能量的影响更直接;同时,行星际磁场的时钟角对午后极光也有很强的控制作用.     

Application of small-size antennas for estimation of angles of arrival of HF signals scattered by ionospheric irregularities

A modification of the Doppler Interferometry Technique is suggested to enable estimating angles of arrival of comparatively broadband HF signals scattered by random irregularities of the ionospheric plasma with the use of small-size weakly directional antennas. The technique is based on the measurements of cross-spectra phases of the probe radiation recorded at least in three spatially separated points. The developed algorithm has been used to investigate the angular and frequency-time characteristics of HF signals propagating at frequencies above the maximum usable one (MUF) for the direct radio path Moscow-Kharkiv. The received signal spectra show presence of three families of spatial components attributed, respectively, to scattering by plasma irregularities near the middle point of the radio path, ground backscatter signals and scattering of the sounding signals by the intense plasma turbulence associated with auroral activations. It has been shown that the regions responsible for the formation of the third family components are located well inside the auroral oval. The drift velocity and direction of the auroral ionosphere plasma have been determined. The obtained estimates are consistent with the classical conception of the ionospheric plasma convection at high latitudes and do not contradict the results of investigations of the auroral ionosphere dynamics using the SuperDARN network.     

基于形态学与正交子空间投影的端元提取方法

针对现有端元提取方法从数据光谱或空间或特征信息的单一方面出发进行混合像元分解、不同类型端元难以区分等不足,提出一种扩展形态学与正交子空间投影结合的端元自动提取方法.利用扩展膨胀和腐蚀操作,通过计算形态离心率指数进行高光谱数据的端元数据集计算;利用光谱角匹配方法提取不同类型的端元,通过向端元正交子空间投影消除已经提取端元的影响;并通过航空高光谱数据进行算法性能验证.实验结果表明:提出方法能够实现在无任何先验信息情况下图像端元的自动提取,并且能够有效地区分相似光谱端元.