地球低纬区边缘大气密度的预测

基于NRLMSISE-00大气模型讨论日地空间环境对地球低纬度地区边缘大气密度的影响,提出预测地球低纬地区边缘大气日平均密度的简化模型法和经验法。简化模型法利用地磁活动和太阳活动的11年准周期特性,通过预测地磁活动和太阳活动的变化规律以预测地球边缘大气密度。经验法则直接利用第23个太阳活动周期的日平均密度变化曲线经过傅里叶变换处理得到日平均密度变化规律曲线,然后将曲线拟合得到不同高度下的密度昼夜波动规律,再利用预测得到的日平均密度即可计算出具体当地时间对应的密度情况。误差分析说明经验预测法比简化模型法精度更高。两种方法均具有较高的精度并且使用方便,可用于地球边缘大气密度的工程化预测计算。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

火星表面热辐射环境模拟

为了对火星表面的热辐射环境进行模拟,以辅助火星探测等任务,建立了火星大气的一维模型和土壤的一维导热模型,并与NASA的一维火星大气辐射程序相结合,得到了一套整体模拟系统。模拟获得了火星地表温度及接收到的可见光、红外辐射热流密度,分析了季节、纬度、尘暴、云层的变化对地表温度和所受太阳辐射造成的影响。模拟结果表明,纬度和季节的变化影响着太阳高度角和日照时长等因素,进而对可见光辐射造成显著影响;尘埃光学厚度的增加会削弱可见光辐射并增强红外辐射,云层光学性质的改变造成的影响与之相似但较小;四者的改变都会对地表的温度及接收到的太阳辐射热流密度造成不同程度的影响。     

地球与大气反射光对空间光学传感器探测能力的影响仿真研究

现有辐射计算模型不考虑地表的各向异性特征,导致计算结果存在较大误差。针对这一问题,提出一种新的地球与大气反射光对传感器照度贡献的计算模型,考虑了地表反射、大气散射和辐射传输三方面的影响因素;在此基础上提出一种启发式蒙特卡罗重点光线采样方法,该方法根据给定的传感器参数和空间几何参数高效解算地球与大气反射光对空间光学传感器探测能力的影响程度。     

地球大气边缘高超声速飞行再入点调整方法

分析环境波动对地球大气边缘高超声速飞行的影响,论证了利用微弱气动力实现再入点调整的可能性。提出神经网络I-PIDA姿态控制策略,控制力矩由脉宽调制驱动的反作用推力器实现,利用模糊预测制导的方法实现再入点的精确调整。仿真算例说明该方法可以实现姿态跟踪和再入点的位置调整,并具有较强的鲁棒性。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

基于WHU甚低频探测系统的大气噪声监测

大气噪声由来源于远处闪电的背景噪声和近处闪电的脉冲噪声共同构成,会对甚低频通信造成严重的影响。文章首先利用武汉大学(WHU)甚低频探测系统随州站(31.57°N, 113.32°E)2个不同季节月份的观测数据,把大气噪声分为闪电脉冲噪声和背景白噪声,选择3个典型的频段(6、16和27 kHz)进行分析,获取了大气噪声分布特性以及不同种类噪声贡献度的基本信息;之后通过与CCIR大气噪声模型提供的数据进行对比分析,考查了CCIR模型在中国大陆地区的准确性;最后,利用随州站长达2年的观测数据,对4～27 kHz之间16个频率上的大气噪声进行了统计分析,获得了该地区大气噪声的统计分布特性。     

空-地激光通信链路地面站选址大气信道传输因素研究

对影响空-地激光通信链路地面站选址的大气信道传输因素进行了理论及数值模拟分析、研究。研究表明：(1)大气信道对不同波长激光传输的影响程度不同；(2)能见度越好，大气衰减效应对激光传输的影响越小；(3)激光传输在海拔较高的大气分层中受到的衰减比海拔低的层段小；(4)0．53μm、0．8μm、1．06μm波段激光传输受气溶胶衰减的影响比分子吸收和散射更严重；(5)大气湍流效应会降低直接探测系统的信噪比，恶化传输光束的空间相干性，降低相干探测系统的信噪比。结合部分我国气象统计分析资料及地理分布特点，建议我国空-地激光通信链路地面站选址可多考虑大气衰减及湍流效应影响相对较弱的高海拔、少雾、多晴的西部乡村地区。     

基于精确星光大气折射观测模型的轨道摄动研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航方法,改进了现有的大气密度模型和固定高度(25km)的观测模型,建立了自适应连续高度(20km～50km)的星光折射观测模型,并在此观测模型的基础上深入分析研究了影响导航精度的各种轨道摄动力,包括地球形状各阶摄动力、不同高度的大气阻力摄动力、太阳光辐射压力等.提出一种精简的大气模式--静止变标高球面大气,解决了由于高层大气密度的求解复杂,使大气阻力摄动模型不精确的问题,由此取得了较好的导航定位精度.利用UKF和EKF两种不同非线性算法,对考虑各种摄动力后的导航定位精度进行全面的计算机仿真实验,并就仿真结果进行了误差分析,同时研究了各种有关参数对导航精度的影响.     

基于Lowtran7的地空探测红外系统作用距离计算

利用基于对比度的红外系统作用距离模型,从作用距离公式中的目标辐射量和大气传输参数出发,分析地基探测和空基探测对应不同探测目标的辐射,利用光谱分割法对目标和背景辐射积分,通过调用Low tran7大气软件形成大气辐亮度和透过率的数据库.提出一种求解作用距离方程的新方法,并在其基础上建立作用距离计算系统,提高了计算效率和准确性.利用生成的数据库对设定的空中目标和地面目标进行仿真,仿真结果表明不同纬度季节大气组分存在差异,波长对大气传输参数的影响不可忽略,大气辐亮度越强,透过率越小,红外系统的作用距离越小,在同一大气情况下,随着天顶角的增加,作用距离减小,并给出整个天顶角范围内作用距离分布.计算得到的结果与实际数据对比表明建立的作用距离计算系统可以为红外对抗提供合理有效的参考.     

一种利用地球敏感器的星光导航方法

针对直接敏感地平的红外地平仪-星光导航系统精度低的问题,提出通过建立扁率误差补偿函数,研究扁率引起的姿态角测量误差;建立地心矢量的姿态角误差模型,通过修正地球扁率误差来补偿姿态角,对卫星施加姿态偏转指令调整地心矢量偏移。同时基于SODERN地球红外辐射模型,考虑红外辐射强度随纬度和季节的变化建立真实红外辐射曲线,通过滤波算法获得精确的地球切线边缘的量测信息,提高红外地平仪测量精度。仿真结果表明,该方法有效提高了基于红外地平仪的星光导航定位方法的可靠性和精度,导航位置误差能达到500m左右,较原有系统提高3倍以上。     

不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下,冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量,并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律,结果表明：撞击坑直径和深度的主导机制不同,坑深主要由弹丸侵彻作用形成,而坑径主要由冰块的剥落所致;坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性,高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性;撞击坑体积与撞击能量成正比,高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“能量缩比”行为,而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“动量缩比”行为。     

Vegetation's red edge: a possible spectroscopic biosignature of extraterrestrial plants

Earth's deciduous plants have a sharp order-of-magnitude increase in leaf reflectance between approximately 700 and 750 nm wavelength. This strong reflectance of Earth's vegetation suggests that surface biosignatures with sharp spectral features might be detectable in the spectrum of scattered light from a spatially unresolved extrasolar terrestrial planet. We assess the potential of Earth's step-function-like spectroscopic feature, referred to as the "red edge," as a tool for astrobiology. We review the basic characteristics and physical origin of the red edge and summarize its use in astronomy: early spectroscopic efforts to search for vegetation on Mars and recent reports of detection of the red edge in the spectrum of Earthshine (i.e., the spatially integrated scattered light spectrum of Earth). We present Earthshine observations from Apache Point Observatory (New Mexico) to emphasize that time variability is key to detecting weak surface biosignatures such as the vegetation red edge. We briefly discuss the evolutionary advantages of vegetation's red edge reflectance, and speculate that while extraterrestrial "light-harvesting organisms" have no compelling reason to display the exact same red edge feature as terrestrial vegetation, they might have similar spectroscopic features at different wavelengths than terrestrial vegetation. This implies that future terrestrial-planet-characterizing space missions should obtain data that allow time-varying, sharp spectral features at unknown wavelengths to be identified. We caution that some mineral reflectance edges are similar in slope and strength to vegetation's red edge (albeit at different wavelengths); if an extrasolar planet reflectance edge is detected care must be taken with its interpretation.     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

动能撞击偏转近地小天体研究进展

以近地小天体防御为背景,介绍了近地小天体的基本概念和物理特性,分析了超高速动能撞击偏转近地小天体的研究进展。讨论了超高速动能撞击近地小天体表面成坑形貌、相似律以及成坑过程中抛射物产生机制、演化过程和抛射物质量速度分布相似律。总结了基于结合点源假设、实验和数值模拟结果建立的超高速动能撞击小天体动量传递理论模型和相似律。分析了近地小天体的物理特性和撞击条件对动量传递系数的影响规律。归纳了超高速动能撞击偏转近地小天体研究中存在的问题,对超高速动能撞击防御小天体的发展趋势提出了若干建议。     

地球自转对光机扫描仪摆扫成像的影响分析

地球自转会影响地物相对光机扫描仪的运动。不同纬度的地速不同,地速的变化会造成扫描条带畸变、相邻条带错动和重叠率的变化。文章研究了地球自转的变化规律,从扫描条带畸变、相邻条带错动和重叠率变化3方面因素研究了地速对光机扫描仪成像的影响。最后,针对这些影响提出了校正建议。     

Amplitude—frequency analysis of Chandler oscillations of the Earth’s pole

An approximate nonlinear spectral-correlation model of fluctuations of the amplitude—frequency characteristics of the Chandler self-excited oscillations of the Earth’s pole is considered. The sensitivity of the model parameters to the asymmetry and anisotropy of fluctuation-dissipative moments of forces and to the effect of harmonic gravitation-tidal moments of forces is studied at Chandler frequency and frequencies close to it. The results of analytical and statistical modeling of the stability of the amplitude—frequency characteristics are presented. The influence of fluctuation disturbances of the white noise type on spectral-correlation characteristics of the oscillations is investigated.     

利用低轨道卫星间微波信号探测反演温湿廓线

通过同时测量微波信号的折射和吸收信息,低地球轨道卫星间（LEO-LEO）微波掩星探测技术能够独立反演温度和水汽廓线。通过仿真手段,首先,正演模拟了微波信号穿过大气层后由折射和吸收效应分别导致的相位延迟和振幅衰减,在此基础上,对温度、水汽和云中液态水反演廓线进行了个例分析,然后,统计分析了温度和水汽在不同纬度带的反演性能,以及云对反演精度的影响。结果表明：温度在约35 km以上存在明显正偏差,高纬度的最大,中纬度次之,低纬度最小。水汽反演误差在约4 km以下明显增大,低纬度的最大,中纬度次之,高纬度最小。有云存在时,需要去除云的吸收作用,否则温度和水汽会出现明显的正偏差。上述研究为进一步发展LEO-LEO掩星探测计划提供了理论参考依据。