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U-net的紫外极光观测极光卵形态提取

极光卵形态提取是极光研究的重要手段.如何提高强干扰背景下的紫外极光图像极光卵形态提取精度，目前仍是一个难题.本文提出一种基于深度学习语义分割模型U-net的方法，实现了对极光卵形态的高精度提取.在Polar卫星紫外极光观测数据的实验结果表明，该方法相比于已有算法精度更高，对完整型极光卵和缺口型极光卵图像均能得到更加精确的提取结果，特别是针对强日辉干扰、灰度不均匀和对比度低情况下的紫外极光图像时，该方法显示了明显优势.      

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.      

喉区极光的机器识别

喉区极光是一种发生在电离层对流喉区附近的极光现象，是极光卵向低纬侧延伸出的南北向分立结构，其可能对应由磁鞘高速流与磁层顶作用引发的磁层顶重联过程.喉区极光研究对深入理解太阳风—磁层—电离层耦合过程具有重要意义.从长期观测所积累的大量全天空极光观测数据中准确高效识别出喉区极光结构，是开展喉区极光统计研究的基础.本文利用北极黄河站2003—2017年全天空成像仪的极光观测数据，建立了喉区极光图像标注数据集；基于密集连接卷积神经网络（DenseNet）对极光图像全局高维表征的自动学习，首次实现了喉区极光结构的机器识别.算法对喉区极光识别准确率达96%，且具有良好的泛化性能.研究表明基于深度学习的图像识别方法可用于从海量极光观测数据中自动识别喉区极光事件.      

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.      

基于迁移学习的太空台风自动识别

太空台风是极盖区内一种新发现的大尺度亮斑状极光结构，直观表征了地磁平静期的一种堪比磁暴的太阳风能量注入现象，这更新了人们对太阳风–磁层–电离层耦合过程的认识，如何从海量星载极光数据中准确髙效识别出太空台风事件具有重要的科学意义。采用深度学习的方法，通过六种网络模型的对比，最终基于迁移学习和EfficientNetB2网络提出了一种太空台风自动识别方法。在2005-2021年美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program,DMSP）上搭载的紫外光谱成像仪（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager,SSUSI）的观测数据中验证了该模型的有效性，识别准确率达到97.7%。研究结果表明，该方法可用于从海量星载极光观测数据中自动识别太空台风事件。     

亚暴起始地磁指数判断的统计研究

利用2004年地磁西向电急流 AL指数, 亚暴电急流AE指数和场向电流AF指数来确定亚暴起始, 并与2004年亚暴极光起始进行对比. 研究发现, 如果以极光亚暴起始为时间零点, 亚暴的西向电急流AL起始和电急流AE起始主要分布于-5~+6 min的时间范围内, 但在-9~+9 min的时间范围内也有个别事例. 场向电流 AF 起始分布较宽, 可以分布于-8~+7 min的时间范围内. 平均西向电急流AL起始, 电急流AE起始和场向电流AF起始分别为0.5, 0.5, -0.1min. 通常西向电急流AL起始与极光起始同时的概率最高, 而多数情况下电急流AE起始和场向电流AF起始提前极光起始1min. 这些地面磁场指数确定的亚暴起始分布, 随着亚暴强度的增大(即最小AL指数减少, 最大AE指数增大, 最大AF指数增大)而向极光亚暴起始靠近. 对于5个超级亚暴来说, 其西向电急流AL起始和电急流AE起始都发生在极光起始之前. 这些结果说明对于大亚暴, 电急流的增加要早于极光爆发.      

极光电激流中的暂态过程

本义分析了极光电激流建立阶段的物理过程，认为在此期间存在着一个正反馈，从而导致一种暂态过程的产生。使用一种简化的物理模型，模拟了极光电激流在建立阶段的物理过程，计算结果表明，极光电激流中的暂态过程确实存在，电流、净电荷和电导率在治极光电激流的方向上均存在着传播的阶跃结构.计算结果与有关观测资料符合得很好.     

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.      

利用AE指数重构磁层相空间—对存在问题的讨论

1引言由于磁层的物理过程受到太阳风到电离层诸多过程的影响并包含了许多空间和时间尺度，因此磁层是个相当复杂的系统．人们希望通过新的非线性科学理论了解这一系统的基本参数．因而许多学者纷纷用目前能较好反映磁层活动的极光电集流指数AE（或AL）及常用的相空间重构方法对磁层进行研究．他们利用不同时间段的AE指数和GP方法I’域SVD法l’］得到的吸引子的关联维在2－4之间，因此，认为磁层是一个具有低维吸引子的动力学系统．然而有人用修正的QP法l’］详细计算了多个时间段AE指数的关联维，发现计算的关联继大小依赖于磁层的活…     

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

磁层-电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点,并与极光电集流和赤道电集流(指数)变化相比较。相关分析和时序叠加分析均表明,高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象。有R事件的磁暴主相初期和无R事件的磁扰期内,赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同。这再次证明,耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的。      

基于神经网络的磁平静期赤道电集流预测

利用BP神经网络技术分别对2008年后磁平静期印度扇区、秘鲁扇区以及CHAMP卫星的赤道电集流（EEJ）变化进行预测，其中神经网络训练数据为对应的2000—2007年磁平静期EEJ观测数据，输入参量为天数、地方时、太阳天顶角、太阳活动指数（F_10.7）、太阴时以及卫星地理经度，输出参量为EEJ.对EEJ预测结果进行了统计学分析，并且与实际观测结果进行对比.结果表明:BP神经网络对事件中EEJ的变化具有很好的预测能力，预测结果能够反映EEJ的重要分布特征；EEJ预测值与观测值之间具有很好的相关性，其中地磁台站观测值与预测值相关性系数可达85%以上.此外，将BP神经网络模型的预测结果与Yamazaki提出的经验模型结果进行对比，结果显示BP神经网络与其经验模型性能相当.研究结果表明，BP神经网络技术在平静期EEJ变化预测方面性能优异，具有良好的应用前景.      

左旋寻常的极光千米波与辐射带高能电子相互作用的参数化研究

参数化研究了在L=4.5外辐射带区域左旋寻常（Left-hand Ordinary mode, L-O模）的极光千米波与高能电子的相互作用，定量计算了左旋寻常的极光千米波在不同峰值频率、传播角分布和纬度分布条件下的弹跳平均投掷角扩散系数、动量扩散系数和投掷角–动量交叉扩散系数。计算结果表明，动量扩散系数一般比投掷角扩散系数大100倍左右，说明动量扩散在L-O模与电子间的相互作用中起主导作用。随着传播角范围的改变，扩散系数均未发生明显变化，这说明L-O模与电子相互作用的扩散系数对传播角范围的依赖性很小。此外，扩散系数会因为L-O模纬度分布的改变而发生剧烈变化，该结果与之前得到的纬度分布对右旋奇异的极光千米波的影响是一致的。通过参数化研究结果表明，适当条件下，L-O模可能会显著影响外辐射带高能电子的动力学过程。      

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。      

利用BP神经网络预测AE指数

采用的预报模式是一种全连接的BP网络模型,利用太阳风及行星际磁场的观测数据预报AE指数.神经网络输入选用ACE卫星数据,取5 min平均值,通过比较,选用4个预报参量.构造了预报参量时续为20 min,40 min和60 min依次递增的三个网络,分别进行训练和预测,并对行星际参量对AE指数影响的时续性进行了探讨.预报结果表明,全连接BP神经网络在AE指数的短期预报中是比较有效的,同时还提出了需要进一步改进的环节.      

大气阻力参数修正对低轨空间目标轨道预报精度的改进

对于低轨空间目标, 大气阻力是影响轨道预报精度的主要摄动力. 本文提出了一种 基于空间环境数据和神经网络模型的空间目标大气阻力参数修正方法, 基于目 标的历史两行元根数, 通过模拟得到外推一天轨道预报中预报结果与观测数据 符合最好的阻力调制系数, 分析表明其与太阳F_10.7指数和地磁Ap指数具有很好的相关性. 根据已有数据, 构建神经网络模型, 实现对阻力调制系数 的补偿计算, 从而改进低轨目标外推一天的轨道预报. 结果表明, 神经网络模 型相比两行元根数能够更及时地对空间环境变化进行响应. 将该方案应用于天 宫一号和国际空间站的外推一天轨道预报, 验证了方案的正确性和普适性, 对 地磁扰动引起的较大预报误差改进效果更好, 误差能够降低50%~60%; 平均而言, 预报精度可以提高约30%, 改进成功率达到80%左右.      

基于神经网络及深层充电的电子通量反演模型

为了实现对空间高能电子通量的估计及航天器深层充放电的风险评估,基于深层充电和空间电子环境的关联性,利用人工神经网络（ANN）建立了一种由深层充电反演空间高能电子环境的模型。以深层充电探测电流密度及电子能量作为模型输入,电子通量作为模型输出,使用AE9模型对神经网络进行训练,将神经网络的MSE降低到了0.04122,并使用Giove A卫星的深层充电探测数据及GOES卫星的电子通量探测数据验证了模型反演电子环境的准确性。同时对由探测电流计算航天器典型介质材料最大内电场的神经网络模型进行了研究,以实现对航天器内充电风险实时评估。     

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。      

一种NRLMSISE-00模型太阳辐射校正方法

根据空间天气的状态,调整大气模型的相关输入参数能够减小模型的计算误差.通过对比CHAMP卫星在轨大气密度探测数据与NRLMSISE-00模式的计算结果发现,通过调整F_10.7的输入,使轨道大气密度积分的模式计算结果与探测结果之间的误差达到最小,此时的F_10.7被称为理想F_10.7输入（F*）.进一步的分析发现,F*与太阳紫外辐射MgII指数存在很好的相关性,因此可以选择其他的太阳紫外辐射代理参数取代F_10.7,从而减小模型计算误差.本文采用神经网络技术,建立新的太阳紫外辐射代理参量F_euv与MgII,F_10.7等的对应模型,能够根据当日参数值计算F_euv.研究结果表明,新的代理参数能够有效减小NRLMSISE-00的计算误差.