电离层H2O释放扰动效应的数值模拟研究

为充分研究化学物质在电离层释放的扰动效应和后期发展效果,基于化学物质在电离层的扩散模型、化学反应和电离层扩展F的控制模型,通过电离层H₂O的释放,研究电子e,H₂O,O+和H₂O+共4种粒子的分布状态,分析点源、多源和线源释放对电离层的扰动效果,比较不同高度、不同量和不同时间释放的影响结果,模拟夜间释放后期所激发的扩展F发展差异.结果表明,H₂O在电离层释放后,能有效耗散背景电子形成空洞,O+和H₂O+数密度呈椭圆形分布;点源、多源和运动目标线源等不同释放方式对电离层的扰动效果不同,证实了人工影响一定形态和区域电离层的可能性;H₂O释放扰动幅度,低层大于高层,白天强于夜晚,释放量越多扰动越突出;夜间化学释放能激发扩展F,并且释放量越多,激发效果越好.      

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.      

赤道地区和中纬度地区扩展F的特点和比较

通过数值模拟研究了赤道地区和中纬度地区扩展F的触发机制间的联系,发现相同的触发机制在不同纬度的条件下所演化出的结构形态不相同,因此观测上会有所不同;研究了西向电场在赤道地区的作用,发现在适合的电离层参数组合下会产生观测到的电离层F区顶部扰动出现率高于底部扰动出现率的状况;在数值模拟的基础上提出了一个中纬度地区电波散射的模型,用以解释观测到的中纬度地区电波散射的出现率高于线性理论预期的现象.      

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.     

小管径高精度超声波流量计设计

航天器推进剂在轨剩余量测量一直是航天器在轨管理所面临的一个难题.提出采用超声波流量计测量推进剂在轨剩余量的方法,并给出了超声波流量计的设计方案.设计的新型超声波流量计结构,通过改变超声换能器的安装方式,从而延长了超声波传播路径,减少了传播过程中超声波的衰减.通过以单片机和FPGA为主控制器、以高精度时间测量芯片作为数据采集模块的流量计软硬件系统实现了超声波流量计对液体流量的高精度测量.通过恒速测试、交变流速测试和总量测试表明,该系统测量精度达到了0.5%,可满足目前航天器推进系统推进剂剩余量的在轨测量要求.     

地磁暴期间中国中低纬电离层的CIT研究

利用电离层层析成像技术(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)处理115°E子午圈附近6个台站的GPS观测数据, 分析了2004年11月地磁暴期间中国中低纬电离层的响应情况. 结果表明, 电离层呈正相扰动, 且不同高度上的响应不同, 800 km以下电子密度有不同程度的增加, 且在峰值高度附近增幅最大, 800 km以上地磁暴的影响并不显著; 伴随地磁能量的注入, 赤道异常峰极向扩展; 随磁扰强度的降低, 电子密度也逐渐恢复至平静水平. 这些结果与以往的理论和观测结果一致, 初步估计扰动是由热层暴环流引起的, 并受到赤道异常峰移动的影响.      

合成射流作用机理及其对共轴射流掺混的影响

对合成射流流场及其作用下的内、外涵共轴射流流场进行了二维非定常数值模拟, 研究了合成射流流场和共轴射流流场情况.结果表明,合成射流由一系列对称分布在中心线 2侧的旋涡对组成,频率与激振频率相同,对外场构成一扰动力;涡对自形成后向远处运移 速基本稳定;腔内和腔外涡对的形成及发展变化过程总体保持一致,在每时刻则呈现截然相 反的发展态势;中心线速度的降幅起伏变化分布是由激励器的激振变化引起的,体现了涡量 产生、发展变化的基本特征;合成射流激励器的采用可使共轴射流截面掺混率比未加激励时 得到增加,增强了共轴射流的掺混效果.      

DEMETER卫星记录到的电离层加热现象

在法国DEMETER卫星运行期间, 地基电离层加热装置SURA和HAARP开展了一系列加热试验, 记录到各类电离层异常信息, 发现电离层加热过程中卫星观测的电离层扰动信号包括HF发射泵波及边带泵波、VLF人工源增强及频谱拓展、ULF/ELF/VLF调制波、ELF电磁扰动、ULF谐振波、等离子体特征参量扰动及高能粒子沉降等. 由于传播及耦合机制的差异, 发射泵波可以穿透电离层直达卫星高度, 其观测概率最高达到68%以上, 其他扰动受发射调制模式及当地电磁环境等影响,观测概率相对较低, 均在40%左右, 有些甚至是某次试验中出现的个别事例. 结合中国地震电磁监测试验卫星飞行轨道设计及载荷配置等,对未来开展加热试验进行了分析论证, 并参考DEMETER卫星试验结果给出了一些建议.      

电离层Es电波传播模型研究

考虑大气折射的影响,对不同高度Es层条件下大圆路径传播距离与仰角的关系进行计算.基于电离层Es电子密度时空分布特点,建立高阶Es反射模型;运用高阶修正贝塞尔函数表示电离层Es电子密度扰动的自相关函数,综合考虑电离层Es各向异性结构的尺度关系,建立高阶Es散射模型.仿真计算Es层VHF斜入射传播衰减与频率、距离的关系.对于反射模型,Es层厚度越厚,电波衰减越大.对于散射模型,Es层不规则体水平尺度相同,垂直水平漂移的尺度越大,衰减越大;而垂直水平漂移的尺度相同,水平尺度越大,衰减越小.无论反射模型还是散射模型,f₀E_s越高,衰减越小;电波工作频率越高,衰减越大.对比建立的模型与VHF链路的测量结果,明确不同强度的电离层Es反射/散射机制,证明了建立模型的正确性.      

基于IGS电离层TEC格网的扰动特征统计分析

电离层总电子含量（TEC）是研究空间天气特性的重要参量,通过分析电离层TEC,可以了解空间环境的变化特征.利用IGS提供的1999—2016年全球电离层TEC格网数据,按照地磁纬度将全球划分为高、中、中低、低磁纬四个区域,计算不同区域的电离层扰动;利用大量统计数据选取电离层扰动事件的判定阈值,分析电离层扰动与太阳活动、时空之间的关系;计算电离层扰动指数与地磁活动之间的相关系数.结果显示:电离层扰动与太阳活动变化具有较强的正相关特性.在太阳活动低年,电离层扰动事件发生的概率约为1.79%,在太阳活动高年发生扰动的概率约为10.18%.在空间分布上,无论是太阳活动高年还是低年,高磁纬地区发生扰动事件的概率均大于其他磁纬出现扰动事件的概率.计算得到的中磁纬和中低磁纬地区电离层扰动指数与全球地磁指数Ap的相关系数分别为0.57和0.56,说明电离层扰动指数与Ap具有较好的相关关系;高磁纬电离层扰动指数与Ap的相关系数为0.44;低磁纬扰动指数与Ap的相关系数为0.39.以上结果表明,不同区域电离层扰动与全球地磁指数Ap的相关性不同,测定区域地磁指数可能会提高与电离层扰动的相关性.      

Research on the disturbance of ballistic missile to ionosphere by using 3D ray tracing method

This study uses the 3D ray tracing to analyse ionospheric disturbance generated by a ballistic missile plume (which was simulated in our previous work). Ray tracing results show that the 6 MHz radio waves are completely reflected by the ionosphere and cannot reach the ionospheric disturbance zone. The 8 MHz radio waves partially penetrate the ionospheric disturbance zone, producing a focusing effect. Most of the 10 MHz radio waves pass through the ionosphere and the disturbance zone. The focusing effect and focus height are reduced. In the height range 65̃400 km, the ray absorption loss of reflection is greater than the transmitted ray. When the ray is reflected multiple times in the cavity formed by the plume, ray absorption loss greatly increases.     

Identification of seismic activity sources on the subsatellite track by ionospheric plasma disturbances detected with the Sich-2 onboard probes

Using a cylindrical Langmuir probe and the authors’ proprietary two-channel pressure transducer, ionospheric plasma parameter distributions along the orbit of the Sich-2 satellite (Ukraine, 2011–2012) were measured. This paper is concerned with identifying the space–time location of ionospheric plasma disturbance sources, including the epicenters of actual earthquakes (before or during the satellite flyover) and incipient earthquakes on the subsatellite track, from the measured distributions of the electron density and temperature and the neutral particle temperature along the satellite orbit. To do this, the measured ionospheric plasma parameter distributions are connected to the coordinates on the subsatellite track.It is shown that local disturbances in the electron density and temperature and neutral particle temperature distributions in the satellite orbit in the ionosphere may serve as indicators of seismic activity on the subsatellite track. The epicenters of incipient earthquakes may be set off from other plasma parameter disturbance sources associated with seismic activity using information provided by special monitoring and survey centers that monitor the current seismic situation.     

乌鲁木齐地区电离层环境长期变化特性研究

电离层环境变化对电子信息系统具有重要影响,其可能引起短波通信质量下降甚至中断,导致导航信号闪烁和误差增加等. 研究电离层环境特性对于评估空间环境对通信、雷达及导航装备的影响具有重要意义. 本文根据乌鲁木齐电波环境观测站50余年数据,研究了乌鲁木齐地区电离层F层临界频率、F层底高、Es层临界频率的日变化、季节变化和长期变化情况,同时根据HWM07高空风场模型研究了乌鲁木齐地区高空风场的昼夜和季节变化特性.      

Space technologies for short-term earthquake warning

Recent theoretical and experimental studies explicitly demonstrated the ability of space technologies to identify and monitor the specific variations at near-earth space plasma, atmosphere and ground surface associated with approaching severe earthquakes (named as earthquake precursors) which appear several days (from 1 to 5) before the seismic shock over the seismically active areas. Several countries and private companies are in the stage of preparation (or already launched) the dedicated spacecrafts for monitoring of the earthquake precursors from space and for short-term earthquake prediction. The present paper intends to outline the optimal algorithm for creation of the space-borne system for the earthquake precursors monitoring and for short-term earthquake prediction. It takes into account the following:

• 1.Selection of the precursors in the terms of priority, considering their statistical and physical parameters.
• 2.Configuration of the spacecraft payload.
• 3.Configuration of the satellite constellation (orbit selection, satellite distribution, operation schedule).
• 4.Different options of the satellite systems (cheap microsatellite or comprehensive multisatellite constellation).

Taking into account that the most promising are the ionospheric precursors of earthquakes, the special attention is devoted to the radiophysical techniques of the ionosphere monitoring. The advantages and disadvantages of such technologies as vertical sounding, in-situ probes, ionosphere tomography, GPS TEC and GPS MET technologies are considered.     

An overview of radar soundings of the martian ionosphere from the Mars Express spacecraft

The Mars Express spacecraft carries a low-frequency radar called MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) that is designed to study the subsurface and ionosphere of Mars. In this paper, we give an overview of the ionospheric sounding results after approximately one year of operation in orbit around Mars. Several types of ionospheric echoes are commonly observed. These include vertical echoes caused by specular reflection from the horizontally stratified ionosphere; echoes from a second layer in the topside ionosphere, possibly associated with O⁺ ions; oblique echoes from upward bulges in the ionosphere; and a variety of other echoes that are poorly understood. The vertical echoes provide electron density profiles that are in reasonable agreement with the Chapman photo-equilibrium model of planetary ionospheres. On the dayside of Mars the maximum electron density is approximately 2 × 10⁵ cm⁻³. On the nightside the echoes are often very diffuse and highly irregular, with maximum electron densities less than 10⁴ cm⁻³. Surface reflections are sometimes observed in the same frequency range as the diffuse echoes, suggesting that small isolated holes exist in the nightside ionosphere, possibly similar to those that occur on the nightside of Venus. The oblique echoes arise from upward bulges in the ionosphere in regions where the crustal magnetic field of Mars is strong and nearly vertical. The bulges tend to be elongated in the horizontal direction and located in regions between oppositely directed arch-like structures in the crustal magnetic field. The nearly vertical magnetic field lines in the region between the arches are thought to connect into the solar wind, thereby allowing solar wind electrons to heat the lower levels of the ionosphere, with an attendant increase in the scale height and electron density.     

电离层多普勒接收机的设计与实验

利用软件无线电技术设计了一种电离层多普勒接收机. 该接收机采用DSP, FPGA等数字芯片与PXI总线进行架构, 使用GPS作为接收机的时间和频率同 步模块, 能够灵活设置系统参数. 实验接收来自中国蒲城陕西天文台的高 频时间信号, 实时获取由于电离层扰动所产生的多普勒频率偏移信息. 使用通过MATLAB语言实现的信号处理软件平台, 对接收到的高频信号进行处理. 观测结果表明, 接收机能够分析电离层回波信号的多普勒频移随时间的变化, 是获取不同空间尺度电离层扰动信息的一种有效手段.      

化学物质释放人工改变电离层

考虑中性气体在电离层高度的扩散过程和相应的电离层离子化学过程，研究了利用主动化学物质释放来改变电离层的方法，理论计算了H2O和SF6两种气体释放后电离层随时间的响应过程，结果表明，在电离层高度上气体的扩散过程非常迅速，电离层F区的电子密度有很大程度的减少，而扩散慢且化学反应快的气体对电离层的影响更大，就更加有利于电离层洞的形成。