地面实验室模拟空间等离子体环境的初步测试

空间等离子体和航天器的相互作用对航天器的安全有重要影响，利用空间实验来研究这些作用的代价很大，可以通过在地面实验室中模拟空间等离子体环境来低成本地研究这些相互作用。本研究通过使用ECR等离子体源期望在地面实验室来近似模拟空间等离子体环境。通过初步测量，我们得到了一个比较均匀的等离子体环境。     

余辉等离子体的实验研究

利用调制脉冲产生的余辉等离子体的参数测量表明:等离子体空间电位和电子温度的衰变是重要的,它在余辉等离子体的密度衰变过程研究中必须予以考虑.对容器中余辉等离子体密度径向分布的测量结果与理论预言是一致的.     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%～5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

空间尘埃的充电过程及与等离子体参数的关系

考虑了地球附近的彗星、行星环、行星际介质等空间尘埃等离子体环境中尘埃颗粒的充电问题．应用典型的空间尘埃等离子体参数，计算了不同种类的尘埃颗粒，以及不同等离子体成分下等离子体中尘粒的平衡电势，得到了尘埃颗粒的平衡电势与尘埃等离子体成分、温度，及其他等离子体参数之间的相互关系．     

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

空间飞行体与压缩区内等离子体非稳态相互作用的数值模拟

在压缩区内，飞行体天线辐射出的高频调制场影响着等离子体中的电荷分布，而电荷分布的扰动又反过来影响场量，采用FTCS有限差分格式方法，利用二维三分量轴对称，对空间飞行体与压缩区内等离子体非稳态相互作用过程进行数值模拟，得到了电荷密度扰动与电场的变化情况，计算结果表明，这种非线性相互作用可以引起场的塌缩并出现密度空洞，通过对密度空洞变化的探测，可对隐身飞行体进行跟踪。     

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS（Spacecraft Plasma Interaction Software）模拟了卫星平台和探针与等离子体的相互作用,从而得到了不同环境下卫星周围等离子体鞘层的厚度,以及探针电位与电流的对应关系.模拟结果表明:由于光电子和二次电子的影响,卫星鞘层的厚度小于等离子体的德拜半径,且温度越高其偏差越大;模拟得到的探针表面电流与电位的关系表明,施加偏置电流的探针可明显提高对电流扰动的抗干扰能力.此外,估计了不同轨道高度上探针处于最佳工作点时应施加偏置电流的大小.      

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用，其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据，给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同，等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性，并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.      

电离层等离子体主动释放试验研究

等离子体主动释放试验是空间物理研究的一种主动、有效手段. 2013年4月中国科学院空间科学与应用研究中心在海南进行了中国第一次空间等离子体主动释放试验. 探空火箭在190 km高度释放了近1 kg碱金属钡, 形成一团由钡原子和钡离子组成的云团. 利用地面光学观测手段, 记录了钡云从释放初期到末期的演化全过程, 获取了钡云亮度、粒子密度、成分及扩散范围随时间的变化规律. 通过对钡云漂移的研究, 得到低纬度地区释放点处电离层的中性风场特性, 其分析结果对于研究低纬度地区电离层动力学特性具有一定指导意义.      

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

基于空间隔离的低轨卫星系统频谱共享方法

随着业务需求的全球性增长,传统低频波段有限的频谱资源已不能满足低轨（LEO）卫星的业务承载要求,采用Ka频段的LEO星座系统设计成为了主流。然而,采用Ka频段的LEO星座系统不可避免地会对同频段已经存在的静止轨道（GEO）卫星系统产生干扰。首先,通过基于空间隔离的干扰规避方法,采用对LEO与GEO的频谱共用系统设置隔离角来进行上下行场景的干扰消除,使该LEO系统能满足国际电信联盟（ITU）对同频段内通信干扰的约束条件;然后,通过引入GEO带的概念,分析并研究了干扰规避区域的确定方法和其对LEO星座密度的影响。最后,通过仿真得出了干扰隔离角、GEO带与LEO星座密度的关系,得到了在采用隔离角的方式进行干扰避让时满足LEO星座系统业务不中断所需要的最小卫星数量,对LEO星座设计具有一定的指导意义。      

低轨道航天器的表面充电模拟

为研究航天器表面材料在空间环境中的充电现象, 利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction System)模拟了航天器在低轨道等离子体环境中的表面充电情况, 通过对模拟结果进行分析并与实际观测进行比较, 可以看出模拟结果基本能够反映出不同性质材料之间的充电差别, 特别是导电材料与非导电材料之间的充电差别. 模拟得到的充电电位及充电时间与充电的一般理论计算结果符合较好, 且能够清晰反映出航天器运动中产生的冲击流及尾流的结构特征. 根据SPIS低轨道航天器表面充电模拟的特点, 认为SPIS的模拟结果是合理的.      

The radiation impedance of electrodynamic tethers in a polar Jovian orbit

Juno, the second mission in the NASA New Frontiers Program, will both be a polar Jovian orbiter, and use solar arrays for power, moving away from previous use of radioisotope power systems (RPSs) in spite of the weak solar light reaching Jupiter. The power generation at Jupiter is critical, and a conductive tether could be an alternative source of power. A current-carrying tether orbiting in a magnetized ionosphere/plasmasphere will radiate waves. A magnitude of interest for both power generation and signal emission is the wave impedance. Jupiter has the strongest magnetic field in the Solar Planetary System and its plasma density is low everywhere. This leads to an electron plasma frequency smaller than the electron cyclotron frequency, and a high Alfven velocity. Unlike the low Earth orbit (LEO) case, the electron skin depth and the characteristic size of plasma contactors affect the Alfven impedance.     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

Validate the IRI2007 model by the COSMIC slant TEC data during the extremely solar minimum of 2008

During 2008, the solar activity is extremely low. The satellite observations show that the ionospheric height and electron density is much lower than the predictions by the international reference ionosphere (IRI) model. In this paper, we compared the slant total electron content (TEC) observed by the COSMIC satellites during 2008 with the IRI model results. It is found that the IRI model with IRI2001 and IRI2001 Cor. topside options will always overestimate the electron density in both lower and higher altitudes. But the rest two topside options (NeQuick, and TTS) tend to overestimate the electron density in the F layer and underestimate it in the topside altitudes. The switch altitude between overestimation and underestimation and the latitude-local time distribution of the model deviation depend on the topside option. The current investigation might be useful for the model improvement as well as data assimilation work based on the IRI model and the LEO TEC data.     

Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions

Spaceborne global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) is an innovative bistatic radar remote sensing technique utilizing low Earth orbit (LEO) based GNSS-R instruments to acquire GNSS L-band opportunistic signals for measuring geophysical parameters. A GNSS-R LEO constellation with an optimization design for its specialized missions is very significant and necessary. However, the constellation design involves multi-parameter and multi-objective optimization, and the classical analytic solution is not capable of such a complicated issue. This study proposes a multi-objective LEO constellation design method with a genetic algorithm (GA) and presents a framework for designing two GNSS-R LEO constellations, termed “lower-latitude constellation” for typhoons and hurricanes observation in the tropics and “global constellation” for global geophysical parameter measurements. Then, the observation capability of both designed constellations is evaluated in terms of the number of reflection points, spatial coverage density, and revisit time to verify the GA efficiency in LEO constellation design. Results show that the two designed LEO constellations with high fitness function values possess optimal orbit parameter set configuration and outperform the existing CyGNSS constellations in observation performance. Compared with CyGNSS, the number of reflection points observed by the lower-latitude constellation and the global constellation increases by 38% and 45%, as well as the spatial coverage density increases by 28% and 36%. The revisit time for the lower-latitude constellation is reduced by 0.29 h, whereas the revisit time for the global constellation increases by one hour.     

Effective Coulomb force modeling for spacecraft in Earth orbit plasmas

Coulomb formation flight is a concept that utilizes electrostatic forces to control the separations of close proximity spacecraft. The Coulomb force between charged bodies is a product of their size, separation, potential and interaction with the local plasma environment. A fast and accurate analytic method of capturing the interaction of a charged body in a plasma is shown. The Debye–Hückel analytic model of the electrostatic field about a charged sphere in a plasma is expanded to analytically compute the forces. This model is fitted to numerical simulations with representative geosynchronous and low Earth orbit (GEO and LEO) plasma environments using an effective Debye length. This effective Debye length, which more accurately captures the charge partial shielding, can be up to 7 times larger at GEO, and as great as 100 times larger at LEO. The force between a sphere and point charge is accurately captured with the effective Debye length, as opposed to the electron Debye length solutions that have errors exceeding 50%. One notable finding is that the effective Debye lengths in LEO plasmas about a charged body are increased from centimeters to meters. This is a promising outcome, as the reduced shielding at increased potentials provides sufficient force levels for operating the electrostatically inflated membrane structures concept at these dense plasma altitudes.     

基于认知无线电的GEO与LEO卫星频谱共存

随着新的宽带多媒体业务的发展，宽带无线频谱的需求日益增长。同时，低轨道（LEO）卫星由于其传输损耗低、传播时延小而被大规模部署。为了更好地利用频谱资源，卫星通信系统普遍采用高轨道（GEO）卫星与LEO卫星频谱共存的方案来提高频谱利用率。在频谱共存的过程中，提出了一种基于动态阈值的能量检测与波束跳跃相结合的算法，以减小LEO对GEO卫星的干扰。首先对LEO卫星的信噪比进行估计并实时选择最优阈值，然后利用基于动态阈值的能量检测算法对GEO卫星信号进行判别，最后根据判断的结果进行波束调整。仿真结果表明，提出的基于动态阈值的能量检测算法的检测误差明显低于传统的基于固定阈值的能量检测算法和基于二阶循环统计量的频谱感知方法。当信噪比低于-10dB的情况下，检测误差低于0.2；而当信噪比高于-5dB时，检测误差趋近于0。     

移动通信卫星经济性分析

由小型近地轨道卫星组成星座,实现移动通信服务,是卫星通信发展的重要方向。近地轨道卫星和地球静止轨道卫星用作移动通信卫星网,各有其优缺点。文章从经济性角度对两类卫星网进行了比较,重点是对不同高度的轨道(包括低、中、地球静止)的移动通信系统的空间部分成本——卫星星座的研制成本与发射成本进行分析比较,给出了具体的运算公式和计算结果。其结论是:轨道高度越低,卫星网的成本越高;地球静止轨道卫星网的成本最低。但是,决定是否发展小型近地轨道通信卫星网,不能仅考虑经济因素,还要考虑对技术进步的推动作用。