中俄联合火星电离层星-星掩星探测

中俄联合火星星-星掩星探测是人类首次在火星空间环境进行此类的联合试验。用于探测火星电离层的星-星掩星技术较以前星地间的探测技术相比,有可接收高信噪比信号,反演精度高,可探测火星上太阳天顶角大于43°,或者小于138°的区域电离层等优点。本文介绍了中俄联合火星星-星掩星探测方案、基本原理,给出了主要技术指标、地面模拟测试结果。     

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

火星空间环境磁场探测研究

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测. 火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响, 萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的. 此磁强计在工作原理及具体设计上, 考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求. 通过装星前的地面标定测试, 验证了萤火一号磁强计可以在-130~75°C温度范围内测量±256 nT以内的磁场, 分辨率可达到0.01 nT, 带宽内总噪声小于0.03 nT, 能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求.      

基于MARSIS的火星低纬度电离层统计特性研究

在对欧空局火星快车探测器搭载的MARSIS雷达的浅表层探测数据进行校准过程中,获得了火星电离层的总电子含量(total electron content,TEC)观测数据。利用该数据,计算火星低纬度地区电离层的峰值电子密度和标高;并对其进行统计分析发现,在低纬度地区,火星冬季电离层的标高和峰值电子密度均较夏季高,即冬季电离层较夏季更显著,且春季电离层的电子密度梯度最大。     

地基行星大气掩星观测资料流程和数据整理

在中国火星探测萤火一号(YH-1)计划中, 包括了地基掩星观测反演火星大气的科研任务. 观测资料整理是反演流程的第一步. 本文描述了地基火星大气掩星观测处理软件系统的观测数据流程和观测资料整理模块,并详细介绍了观测资料整理模块的结构和功能, 其中包括时间系统转换、历表插值、坐标系变换、信号时延改正以及掩星平面建立. 利用行星数据系统公布的火星快车无线电科学数据和由SPICE得到的地球、火星历表以及火星快车的轨道数据, 结合本文的算法, 得到了一些实验结果.      

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。     

电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

月球电离层掩星探测研究

日本SELENE/KAGUYA探测任务提供了研究月球电离层的机会。采用无线电掩星探测技术和趋势外推算法,消除地球电离层和行星际等离子体的干扰影响,残余的信号相位信息的变化反映了月球电离层的信息,估算出月球周围附近近似对称分布的稀薄电离层中电子总含量(TEC)约为每立方米10-14个。     

国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能

电离层峰值高度H_mF₂是描述电离层形态的重要参数之一，国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据，用以提升H_mF₂的预测精度.本文利用太阳活动低年（2007—2010年）气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC H_mF₂的三维形态变化，对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果，同时分析了IRI-2016模型输出H_mF₂的性能.结果表明，IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果，而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比，IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高，但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.      

火星探测的微波遥感技术

从微波遥感的角度出发,综述目前国际上对火星的探测现状,列出对微波遥感探测有影响的火星表层土壤、岩层的结构、分布及其介电特性等参数的已有研究结果,分析对火星地壳表层水(或冰)存在可能性及其分布状态的研究动向.结合地球表面微波遥感技术的最新进展,提出用主动与被动微波遥感探测火星表面浅层土壤物质状态和分层结构的可行性分析,初步研讨了火星表层是否有水(或冰)存在的探测方案.      

用于火星表面生命信息探测的激光拉曼技术进展

生命信息探测一直是深空探测中重要的一个部分。简要介绍了拉曼光谱技术探测有机物的优势和火星生命信息探测进展,以及常见的火星生命信息探测技术;重点概述了国内外用于火星有机物和生命信息探测的激光拉曼光谱技术的进展,分析总结了火星表面有机物质探测技术的发展趋势;最后简要概述了拉曼光谱技术在火星探测领域的发展前景。     

Scientific Objectives and Payloads of Chinese First Mars Exploration

China plans to implement the first Mars exploration mission in 2020. It will conduct global and comprehensive exploration of Mars and high precision and fine resolution detection of key areas on Mars through orbiting, landing and roving. The scientific objectives include studying the Martian morphology and geological structure characteristics, studying the soil characteristics and the water-ice distribution on the Martian surface, studying the material composition on the Martian surface, studying the atmosphere ionosphere and surface climate and environmental characteristics of Mars, studying the physical field and internal structure of Mars and the Martian magnetic field characteristics. The mission equips 12 scientific payloads to achieve these scientific objectives. This paper mainly introduces the scientific objectives, exploration task, and scientific payloads.      

深空探测中的激光诱导击穿光谱探测仪

物质成分探测是深空探测领域非常重要的技术领域,激光诱导击穿光谱技术是一种可以非接触式快速获得物质元素成分信息的手段,论文针对2020年我国首次火星探测任务提出的火星表面成分探测仪,阐述了激光诱导击穿光谱技术基本原理,国内外的技术发展现状和趋势,重点围绕火星环境、有效载荷生存性进行了分析,最后论文详细探讨了激光诱导击穿光谱技术中的数据反演和定量化技术。     

我国首次火星探测任务

我国首次火星探测任务于2016年立项实施。综合介绍了国际火星探测的历史和现状,我国首次火星探测任务的工程目标和科学目标、总体技术方案、关键技术难点、预期创新成果。我国首次火星探测任务将通过一次发射,实现火星环绕和着陆巡视,对火星开展全球性普查和局部的精细探测,推进火星地形地貌与地质构造、土壤特征与水冰分布、表明物质组成、大气电离层和气候环境、物理场与内部构造等方面的研究。实现火星探测任务目标,针对火星探测面临的各种特殊环境,需突破长期自主管理与控制等8类关键技术,取得的一系列创新成果,将为我国建立独立自主的深空探测基础工程体系,掌握深空探测基础共性技术,形成开展深空探测的基础工程能力。     

火星土壤物理力学特性分析

火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。     

太赫兹火星大气临边探测仿真研究

对火星大气进行连续高分辨率观测是研究火星大气物理和化学过程的重要手段.太赫兹临边探测技术通过测量火星大气中的风和光化学循环中的重要气体（CO，O₃，H₂O，H₂O₂等）提高对火星的认知.针对火星大气遥感的探测需求，分析了300～1000GHz频段的频谱特征.针对探测卫星对于载荷质量、功耗等参数的要求，提出一个560GHz频段的火星大气太赫兹临边探测仪设计方案，并利用辐射传输模型ARTS中的行星工具箱进行仿真.仿真结果显示:火星大气温度的反演精度优于4K，其中45km高度以下优于2K；H₂O丰度的反演精度在90km以下优于50%，30km以下优于2%；H₂O₂的反演精度在40km以下优于50%；O₃的反演精度在50km以下优于60%；大气风速度的反演精度在65km以上优于5m·s-1，最高可以达到2m·s-1.研究结果表明，利用太赫兹波段的吸收谱线可以很好地探测火星大气中各成分的丰度、变化趋势以及中高层大气的风，可为后续火星表面及大气探测提供参考.      

The implantation of life on Mars: feasibility and motivation.

Environmental conditions on Mars are extremely hostile, and would be destructive to any organisms which might arrive there unprotected to-day. However, it is a biocompatible planet. Its unalterable astrophysical parameters would allow the maintenance of a much thicker, warmer carbon dioxide atmosphere than that which currently exists. Though very cold (averaging about -60 degrees C), highly oxidizing and desiccated, Mars may possess substantial quantities of the materials needed to support life--in particular, water and carbon dioxide. A general scenario for implanting life on Mars would include three main phases: (1) robotic and human exploration to determine whether sufficiently large and accessible volatile inventories are available; (2) planetary engineering designed to warm the planet, release liquid water and produce a thick carbon dioxide atmosphere; and (3) if no indigenous Martian organisms emerge as liquid water becomes available, a program of biological engineering designed to construct and implant pioneering microbial communities able to proliferate in the newly clement, though still anaerobic, Martian environment. The process of establishing an ecosystem, or biosphere, on a lifeless planet is best termed 'ecopoiesis.' This new word, derived from Greek, means 'the making of an abode for life.' It is by no means clear whether ecopoiesis on Mars is scientifically possible or technologically achievable. Thus we urge that it be one of the objectives of space research during the next century to assess the feasibility of ecopoiesis on Mars.