拓展全球地球物理场和空间环境感知建模能力——张衡一号卫星在轨运行五周年

<正>1跨世纪争论催生的科学计划中国是世界上地震活动十分严重的国家之一。强烈地震以其突发性、毁灭性和链生性，对人民生命财产安全和社会经济活动造成巨大影响，但地震预测至今仍然是一个世界性科学难题。20世纪末至21世纪初，国际学术界围绕地震能否预报展开了一场大讨论，困惑中的地震预报与巨大的地震灾难触动了关于地震预报方法论的思考。2003年2月18-19日，中国地震局、国家国防科技工业局、科学技术部、中国科学院等共同组织香山会议，正式启动地震卫星规划论证工作，     

基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率

利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，对2018年3月至2019年11月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期（Kp <3）和地磁扰动期（Kp> 3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45°-64°MLAT范围内普遍存在，其中55°-64°MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45°-54°MLAT的地区，除了春秋分季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。     

动态地球磁层的时空剖分编码

动态地球磁层时空剖分模型借鉴了广泛应用于地学大数据的地球格网模型思想，实现了面向地球磁层的动态、非规则化物理空间的多层级剖分，且剖分格网形变稳定，可以实现一定范围内地球磁层时空特性的形式化。在此基础上，对剖分得到的时空格网进行编码表达，以便于计算机存储和处理，这是构建地球磁层大规模观测数据统一管理基础时空框架的另一个关键问题。由于地球磁层特殊的时空特性，经典、单一思路的地学编码方案较难完整地反映格网间的时空关系，因此难以支持格网间的基础时空关系计算。本文融合了整数坐标编码与Morton曲线编码的基本思路，实现了对漂移壳剖分格网的高效编码方案设计，完成了动态地球磁层的时空框架构建，从而为地磁数据的高效组织和处理奠定了基础。实验证明，本文提出的编码方案编码效率较高，且可以支持高效的相邻关系计算，为动态地球磁层多源、多层级、异构的大规模观测数据的组织与计算提供了一种解决方案。      

基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

利用转移熵研究引起磁暴扰动的太阳风参数重要性排序

磁暴是重要空间天气灾害性事件，能够影响卫星的安全在轨运行和地面电网系统等。目前，对于太阳风–磁层相互作用的研究多集中在分析相关系数的线性关系，而基于信息论的转移熵可以提供强大的无模型有向统计量，可用来分析传统相关性分析和模型假设检测不到的非线性关系。本文利用转移熵的方法，研究了磁暴期间的太阳风驱动参数。利用第23和24太阳活动周的小时精度数据进行长时间尺度分析，发现太阳风向地磁的信息传递呈双峰分布，表现出与太阳活动水平的一致性。利用2010-2018年93个地磁暴期间的分钟精度数据进行短时间尺度分析，结果表明：行星际电场(E)和行星际磁场南向分量(B z)对地磁指数Sym-H在时间延迟为60 min时信息传递较强，而太阳风速度v_{s w}、温度T _sw、数密度D_sw、磁场B和动压P_sw对Sym-H指数的信息传递较弱。上述研究结果能够为太阳风–磁层相互作用的建模提供参数选择及确定预测范围的依据。     

用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

针对空间探测载荷的轻量化需求，以空间等离子体探测的静电分析器为研究对象，进行了轻量化设计和验证。在材料及加工方式选择方面，充分利用增材制造这一新兴加工手段，打破传统轻量化设计时追求低密度材料的思路，对比多种材料及加工方式下设备重量及力学表现，确定铝合金为主要材料，3D打印为主要加工方式。在结构设计方面，基于3D打印加工的优势，在减小设备各部分结构厚度的同时，适当设置加强筋以解决薄壁在后处理时易产生形变的问题。采取上述方案设计的设备质量减少至1.2 kg，比使用镁合金及传统加工方式的设备质量（2.2 kg）下降45%。以典型航天任务的鉴定级力学试验条件作为输入，开展了设计模型的有限元仿真，完成实物加工装配以及力学试验，验证了该设计的抗力学性能。     

空间数据系统参考体系架构的功能视角

<正>信息系统的架构通常采用视角、视图、关注、利益相关方、模型等概念,从不同角度来描述对象,例如,ISO/IEC 42010:2011、ISO 10746开放分布式处理参考模型(RM-ODP)系列标准、IEEE 1471-2000等架构标准。不同视角对同一个对象的关注角度和范围不同,每个视角描述有其自身的方法论,一般通过视图的方式来表达。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的空间数据系统参考体系架构(RASDS)也采用了视角方法,提出了具有空间领域特点的体系架构方法论。     

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。     

一种基于TOF×E方法的空间中能离子探测器设计与仿真

对空间中几十keV到几MeV的中能离子进行成分、能谱和角分布进行测量，具有重要的科学价值和应用意义。中国在载人登月等深空探测计划中明确提出了对中能离子的探测需求，但当前尚未掌握中能离子测量技术。本文提出了一种基于SEE TOF×E方法的中能离子探测器方案，方案包括复合材料二次电子薄膜、电极、位置灵敏MCP探测器和SSD等核心部件的设计，可同时实现对5个方向的中能离子和4个方向的中能电子的测量。结合目前空间粒子探测载荷可实现的硬件时间分辨率、能量分辨率和仿真计算结果，可以发现，该设计可以在40 keV～5 MeV能量范围实现中能离子能谱测量；并能够对40 keV～5 MeV的H离子，45 keV～5MeV的He离子，130 keV～5 MeV的O离子和240 keV～5 MeV的Fe离子进行离子成分分辨；同时可实现对20～500 keV的电子进行能谱测量。