基于稀疏地磁数据的中低纬度磁暴感应地电场的算法研究

强磁暴产生的地磁感应电流是诱发电力系统灾害性事故的关键因素,预防与控制地磁感应电流的必要途径是评估其在系统中的水平.掌握磁暴感应地电场的时空分布是评估所在区域电网地磁感应电流的基础,可为研究与防治电网磁暴灾害提供参考.在中国现有稀疏分布的地磁台观测数据基础上,建立了电离层等效球面元电流系统模型,并将其与复镜像法结合,建立了磁暴感应地电场和地磁场的计算模型.利用磁暴期间实测的地磁台站数据进行了计算,算例结果与平面波理论计算结果的对比证明了算法的正确性与有效性.计算结果可直接应用于电力系统的地磁感应电流计算,为分析电力系统磁暴灾害风险提供参考.      

地磁图制备方法及其有效性评估

高精度地磁图制备是地磁匹配导航关键技术之一.在简单介绍4种网格插值方法原理的基础上(反距离加权插值法、克里金插值法、改进的谢别德插值法以及径向基函数法),应用实测地磁数据,选取测点分布较均匀区域,根据上述插值方法分别制备地磁图,并通过交叉验证统计准则对地磁图制备方法的有效性进行评估.结果表明,径向基函数插值法制备的地磁图"鸭蛋"形分布较少,地磁图等值线较圆滑,其标准偏差远小于其它方法的标准偏差,且其标准误差以及平均偏差也最小,具有较高的插值精度,能更好地反映该区域地磁场分布情况.     

基于等值线约束的地磁匹配方法

地磁辅助导航是组合导航技术研究的新方向.简要介绍了地磁辅助导航的基本原理和发展现状,并重点对地磁匹配方法进行了研究.地磁匹配是利用地磁图进行定位的方法,位置输出可用于限制惯性导航系统的误差积累.提出了一种改进的基于等值线约束的相关匹配算法,能够有效消除导航系统的初始位置误差并能限制匹配过程中惯性导航系统的积累误差.仿真实验证明,该算法能有效提高相关匹配的实时性,并能把定位精度控制在地磁数据网格间距以内.该算法对航向误差具有一定的适应性.      

基于Pareto分布的磁暴感应地电场极值测度模型

磁暴感应地电场为电力系统安全运行带来风险，研究极端磁暴地电场水平能够为量化并防御电力系统磁暴灾害风险提供理论支持.提出了基于极值理论的磁暴感应地电场极值测度模型.首先利用地磁观测数据构造年度最大地电场样本数据，建立地电场广义Pareto分布模型，然后利用剩余寿命图和Q-Q图检验模型，并通过Bayes方法估测模型参数，最后计算模型的分位数，即地电场极值测度.利用中国地磁台观测的52年磁暴数据，结合中国喀什地区大地典型结构，估算出喀什地区五十年一遇的感应地电场可达3.288V·km-1，百年一遇地的感应地电场可达3.332V·km-1.利用相同方法还估测了中国部分地磁台站所在区域的地电场极值.研究结果可为估计极值地磁暴提供新思路，也可为分析电力系统磁暴灾害风险提供数据支撑.      

北京地区磁暴频谱及能量的分配因子

本文利用北京、青光、昌黎地磁台1973-1977年80个磁暴资料,借助快速付里叶变换的方法,把时间域里的磁暴转化到频率域中,以频谱的形式表现出来,用频率为参量把不同类型的磁暴进行了相互间的比较和分析;研究了磁暴在频率域中的特性.得出了局部地区磁暴频谱的一般特征;并发现在周期0.5-6.8小时范围内,磁暴能量具有恒定的分配因子.这对探讨磁暴源的物理特性以及日地关系的研究都是有意义的.      

2021年10月11日地磁暴对两座变电站GIC的影响

近年来中国相继监测到地磁暴侵害电网、铁路轨道电路和油气管道系统产生的地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current,GIC）数据,但是目前实测的GIC数据还相对较少。根据2021年10月9日日冕物质抛射事件（CME）产生的Kp指数为6的地磁扰动（Geomagnetic Disturbance,GMD）数据,500 kV阿拉坦变电站（48.7°N,116.8°E）和上河变电站（33.4°N,119.2°E）及输电系统的参数,分析了2021年10月11日地磁暴期间在两座变电站监测到的GIC数据以及输电系统参数对GIC量值的影响。结果表明:地磁暴在500 kV上河变电站产生的GIC比阿拉坦变电站GIC量值相对较大。分析结果说明,在这次磁暴事件中,输电线路导线电阻是影响变电站GIC的主要因素。      

低轨道中等能量电子对地磁扰动的响应

低轨道高度上能量电子通量变化与地磁扰动程度密切相关.利用我国资源2号(ZY-2)03星空间环境监测分系统在轨工作期间所获得的能量电子探测数据,以及美国NOAA-15,NOAA-16,NOAA-17三颗卫星中等能量电子探测器自1998年以来积累的太阳同步轨道中等能量电子探测数据,结合地磁活动观测数据,对低轨道高度上中等能量电子对地磁扰动的响应特性进行了统计分析.结果表明,该区域的中等能量电子通量在磁暴、磁层亚暴期间有显著增强,增幅大小与地磁活动程度呈正相关关系,强磁暴期间增幅可达一个数量级左右,在响应时间上存在电子通量变化滞后于磁扰的时间特性.      

多视场低磁星敏感器及其在磁测卫星中的应用

下一代地磁导航等空间任务对地球磁场测量卫星提出了迫切的需求, 高精度地磁场测量卫星需要极高的姿态测量精度和空间剩磁环境, 对星敏感器提出了新的要求。针对这一需求, 研究了低剩磁高精度星敏感器的改进设计方法。采用三视场分体结构设计,提高了数据更新率,通过数据融合提高了姿态确定精度,同时对光学头部进行了精细化降剩磁设计。仿真和测试结果表明，改进的星敏感器设计方法能够实现较低的剩磁和较高的定姿精度, 满足地磁场测量卫星的应用需求, 具有较高的应用价值。     

基于半实物仿真的地磁导航等值线匹配算法评估

影响地磁导航匹配算法性能的因素很多,而现阶段算法的评估完全依靠计算机仿真,其可信性有待进一步验证.以等值线(ICCP)算法为研究对象,首先从理论上分析影响算法性能的因素;然后搭建了地磁匹配导航半实物仿真系统,通过引入磁场仿真环境和磁传感器,提高了仿真的可信度;最后从测量噪声、匹配长度、匹配区域和惯导误差4个方面对ICCP 匹配算法的性能进行半实物仿真试验分析.仿真结果表明,通过半实物仿真试验可以对算法的抗干扰性、算法匹配长度的确定、匹配区域的选择以及惯导误差的影响做出有效评估,从而推动地磁匹配导航及匹配算法的工程化进程.      

基于稀疏表示和字典学习的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航在导航制导领域具有重要作用，地磁基准图的构建精度决定了地磁匹配导航的有效性。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际应用需求的问题，提出了基于稀疏表示和字典学习的高精度地磁基准图构建方法。首先，利用矩谐分析(RHA)进行稀疏字典的初始化；其次，利用K-SVD算法对稀疏字典进行训练；最后，利用低分辨率和高分辨率基准图具有相同稀疏系数的特点重建高分辨率地磁基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，对训练所需的数据集有更低的需求，同时对噪声有更好的鲁棒性。与PSO-Kriging插值法相比，在4倍放大倍数下峰值信噪比(PSNR)由26.31 dB提高至26.73 dB，结构相似度(SSIM)由0.498提高至0.524，均方根误差(RMSE)由14.96 nT减小至13.78 nT。      

磁屏蔽装置与磁场模拟器的耦合分析

地磁导航半实物仿真是地磁导航从理论走向工程应用的关键环节,而地磁场环境仿真技术是地磁导航由计算机仿真过渡到半实物仿真的桥梁。针对地磁场环境仿真系统中磁屏蔽装置与其内部磁场模拟器的耦合问题,采用仿真分析与实验验证相结合的方法,利用Ansoft Maxwell仿真软件设计仿真实验对二者的耦合关系进行了探索性研究,并基于小型地磁场环境仿真系统对仿真得到的结论进行了实验验证。仿真和实验结果均表明:磁场模拟器在大电流强磁场的工作情况下会对磁屏蔽装置造成严重的磁化,进而会影响其屏蔽效果;磁屏蔽装置不会影响磁场模拟器的线性度和均匀性,但是会增大轴线中心点附近的磁场值;磁屏蔽装置会使磁场模拟器的电感增大,从而使实时性变差。研究结论可以为地磁场环境仿真系统的设计提供理论依据。      

低纬地区夜间电离层底部电子浓度与磁扰的关系

本文利用100kHz的低频无线电波资料,计算分析了1986—1987年期间,几种不同磁扰情况下,低纬地区夜间电离层中100km以下区域积分电子浓度及其变化的起因.结果表明:该区域电子浓度的变化与地磁扰动关系密切.在磁静日期间,其值较小,且随磁扰而变化,但比磁扰滞后1到2天.在磁暴后,其值较大,会出现几次剧烈起伏.该区域积分电子浓度的起伏可大于一个量级.沉降电子产生的动致辐射可能是引起该区域电子浓度变化的主要原因之      

磁异常干扰下基于约束策略的仿生导航方法

地磁场异常将会在导航空间中形成极值区域,扰乱磁趋性运动行为,容易造成基于搜索的地磁仿生导航方法陷入局域极小,使得载体迷失航向难以逃离异常区域,最终导致导航失败。针对这一问题,提出了一种基于行为约束策略的导航搜索方法,通过约束搜索行为强制载体扩大探索范围,进而摆脱异常区域干扰,促使载体进入正常地磁场环境。利用磁趋性统计特征与多目标函数的收敛状态构建行为约束的触发及终止条件,将磁趋性历史数据中较好的样本作为约束行为,实施导航搜索行为约束。伴随载体的移动,实现对进化种群的时序更新,最终引导载体到达目标位置,完成导航任务。仿真结果表明,该方法能够有效克服磁场异常环境对地磁仿生导航的干扰,完成导航任务,并能够有效提高远程自主导航的成功率。      

一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航技术是一种重要的辅助导航制导方法，地磁基准图的构建精度对地磁匹配制导的精准度起着决定性作用。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际地磁匹配导航需求的问题，提出了一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法。首先，利用卷积层提取低分辨率基准图中的特征图像块；然后，利用基于学习的阈值收缩算法（LISTA）实现图像块的稀疏表示；最后，利用三通道的地磁信息得到重建后的高分辨率基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，同时对噪声有更好的鲁棒性，各种客观评价指标均高于现有的超分辨率重建方法。      

辐射带高能电子通量波动与地磁暴警报

地球磁场捕获带电粒子形成辐射带,地磁场的扰动将导致带电粒子通量的变化.根据磁暴期间外辐射带高能电子通量起伏和波动的特点及规律,利用GOES卫星实时发布的5min分辨率高能电子微分通量数据,构建了高能电子通量波动指数,并分析了该指数与地磁活动的关系.结果表明,所提出的高能电子通量波动指数与地磁事件有很好的相关性,能起到地磁暴发生的指示剂作用,相对于目前空间环境业务化预报过程中广泛使用的3hKp指数,高能电子通量波动指数能更早地警报地磁暴的发生,是潜在有效的地磁暴警报辅助手段,能为空间环境预报中的地磁暴实时警报提供重要参考.      

Regulation of autonomic nervous system in space and magnetic storms.

Variations in the earth's magnetic field and magnetic storms are known to be a risk factor for the development of cardiovascular disorders. The main "targets" for geomagnetic perturbations are the central nervous system and the neural regulation of vascular tone and heart rate variability. This paper presents the data about effect of geomagnetic fluctuations on human body in space. As a method for research the analysis of heart rate variability was used, which allows evaluating the state of the sympathetic and parasympathetic parts of the autonomic nervous system, vasomotor center and subcortical neural centers activity. Heart rate variability data were analyzed for 30 cosmonauts at the 2nd day of space flight on transport spaceship Soyuz (32nd orbit). There were formed three groups of cosmonauts: without magnetic storm (n=9), on a day with magnetic storm (n=12) and 1-2 days after magnetic storm (n=9). The present study was the first to demonstrate a specific impact of geomagnetic perturbations on the system of autonomic circulatory control in cosmonauts during space flight. The increasing of highest nervous centers activity was shown for group with magnetic storms, which was more significant on 1-2 days after magnetic storm. The use of discriminate analysis allowed to classify indicated three groups with 88% precision. Canonical variables are suggested to be used as criterions for evaluation of specific and non-specific components of cardiovascular reactions to geomagnetic perturbations. The applied aspect of the findings from the present study should be emphasized. They show, in particular, the need to supplement the medical monitoring of cosmonauts with predictions of probable geomagnetic perturbations in view of the prevention of unfavorable states appearances if the adverse reactions to geomagnetic perturbations are added to the tension experienced by regulatory systems during various stresses situations (such as work in the open space).     

Total electron content of the ionosphere at two stations in East Africa during the 24–25 October 2011 geomagnetic storm

The equatorial ionosphere has been known to become highly disturbed and thus rendering space-based navigation unreliable during space weather events, such as geomagnetic storms. Modern navigation systems, such as the Global Positioning System (GPS) use radio-wave signals that reflect from or propagate through the ionosphere as a means of determining range or distance. Such systems are vulnerable to effects caused by geomagnetic storms, and their performance can be severely degraded. This paper analyses total electron content (TEC) and the corresponding GPS scintillations using two GPS SCINDA receivers located at Makerere University, Uganda (Lat: 0.3^o N; Lon: 32.5^o E) and at the University of Nairobi, Kenya (Lat: 1.3^o S; Lon: 36.8^o E), both in East Africa. The analysis shows that the scintillations actually correspond to plasma bubbles. The occurrence of plasma bubbles at one station was correlated with those at the other station by using observations from the same satellite. It was noted that some bubbles develop at one station and presumably “die off” before reaching the other station. The paper also discusses the effects of the geomagnetic storm of the 24–25 October 2011 on the ionospheric TEC at the two East African stations. Reductions in the diurnal TEC at the two stations during the period of the storm were observed and the TEC depletions observed during that period showed much deeper depletions than on the non-storm days. The effects during the storm have been attributed to the uplift of the ionospheric plasma, which was then transported away from this region by diffusion along magnetic field lines.     

基于Unscented卡尔曼滤波器的近地卫星磁测自主导航

建立了近地卫星高精度轨道动力学模型和10×10阶地磁场模型,分别以地磁场矢量和强度幅值作为观测量,通过Unscented卡尔曼滤波实现自主导航。在采样周期10s,磁强计测量噪声100nT情况下仿真,仿真结果显示以地磁场矢量为观测量时卫星导航误差在卫星前进方向(切向)、轨道法向、卫星径向的分量分别为1km、0.9km、0.3km,而以地磁场强度幅值为观测量时误差分别为1.6km、1.3km、0.5km。