让科学目标牵引中国空间科学卫星研制取得不断成功——暗物质粒子探测卫星工程总师艾长春专访

正从2003年双星计划启动到"悟空"发射之前,中国没有发射新的空间科学卫星。当时国际上共完成5000多项空间科学实验项目,而中国只进行了100项左右。有感于中国空间科学研究基础的薄弱,原本就对空间科学问题感兴趣的艾长春接受了中国科学院的聘请,出任暗物质粒子探测卫星工程总师。2017年11月30日暗物质粒子探测卫星"悟空"第一批研究成果在英国《自然》杂志上发表。自2015年12月17日发射至今,"悟空"探寻近两年,巡天4     

中国月球与深空探测有效载荷技术的成就与展望

有效载荷是实现科学目标最直接的工具,其技术手段和水平影响科学目标的可实现程度。简要回顾了中国月球与深空探测的科学目标与有效载荷配置。介绍了"嫦娥1号"和"嫦娥2号"月球环绕探测器中采用的CCD立体相机、干涉式成像光谱仪、激光高度计、微波探测仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪、太阳风粒子探测仪、高能粒子探测仪等遥感探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。同时,也介绍了"嫦娥3号"月球着陆器和巡视器中采用的地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等就位和巡视探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。分析了有效载荷技术的发展趋势,展望了我国未来有效载荷技术的发展。     

利用粒子运动讨论等离子体电流片

本文我们利用了带电粒子在中性片磁场中的运动规律,讨论了一维等离子体电流片。我们引用了与阿尔芬的引导中心理论相类似的方法,将粒子在非小扰动区(在这个区内磁场很小或等于零)内的"8"字形运动分解成两个圆周运动。每一个圆周运动等效于一个小磁铁,因此"8"字形运动等效于两个极性相反的小磁铁。等离子体中的电流是根据j=en+c(这里有图片19820103-21-1.GIF)×M计算出来的,其中等离子体的分布函数是由粒子的运动常数给出的。计算结果表明电流片主要是由粒子在非小扰动区中的"反向漂移"产生的。与此同时我们还讨论了粒子运动与磁场之间的关系,并计算了其自洽场。      

关于磁尾高能粒子脉冲的一些特性

利用行星际监察卫星IMP-J取得的高能粒子探测数据(质子能档P4:230keV>E>160keV)与极光电激流指数AE作相关分析,在地心太阳磁层坐标下,按照Fairfield关于中性片对地心太阳磁层"赤道面"的偏离模式,把磁尾分成三个区域:中性片区域、低纬区域和高纬区域。结果表明:(1)高能粒子脉冲的平均强度在中性片区域最强,低纬次之,高纬最弱,表明高能粒子脉冲源区在中性片区域;(2)中性片附近,粒子脉冲和AE指数相关最好,达0.59,低纬次之,高纬几乎无相关,表明粒子脉冲与亚暴事件有关,它是磁尾中性片附近磁力线重联产生的感应电场加速的结果;(3)粒子加速区局限于中性片附近的薄层内,与国外结果完全一致。      

基于混合粒子滤波的载波估计算法

针对粒子滤波载波估计算法的高复杂度、粒子退化及贫化问题,提出了一种基于混合粒子滤波的载波估计方法.该方法引入多阶马尔科夫模型,采用多个非零均值高斯分布的加权和来近似重要性函数的最佳选择,并根据最大后验概率准则规范粒子的迭代计算.仿真结果表明,在非高斯噪声环境下,低轨卫星通信TDMA/DEQPSK(Time Division Multiple Address/Differential Quadrature Phase Shift Keying)数据帧非合作接收载波估计时,与基于经典粒子滤波的载波估计算法相比,提高了粒子"效率",在误码性能相当的情况下,有效降低了计算复杂度.     

“新视野”的眼睛

<正>科学仪器是"新视野"的"眼睛"。"新视野"携带了7台重30千克的科学仪器。其中光学设备有3台。分别是:远程勘测成像仪、可见-红外成像光谱仪、紫外成像光谱仪,分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是:太阳风测量仪、无线电科学实验仪、能量粒子谱仪、学生尘埃计数器,分别用于测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。     

K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析

俄罗斯福布斯-土壤火星探测器于2011年11月9日携带中国首个火星探测器萤火一号进入低地球轨道(LEO),但原定于159min后探测器在轨发动机点火变轨未能实施,最终探测计划失败.俄罗斯航天局研究分析认为,事故最可能是由于宇宙线重离子轰击星载计算机存储器件,导致两台计算机重启所致.但是抗辐射专家对空间辐射粒子会在如此短时间内通过单粒子效应(SEE)导致LEO探测器失效的观点并不认同.本文根据俄罗斯航天局发布的受影响器件信息,通过实验和计算,分析了K6R4016V1D芯片在低地球轨道运行时可能遇到的空间辐射粒子诱发单粒子效应的频次,探讨了单粒子效应导致福布斯-土壤火星探测器失效的可能性.      

阿尔法磁谱仪的中国航天元素

在2月下旬落下帷幕的美国科学促进会年会上,由阿尔法磁谱仪项目的首席科学家、麻省理工学院物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的研究团队对外正式宣布,阿尔法磁谱仪发现了弱作用重粒子(WIMP)存在的证据,而这一粒子则是一种暗物质的候选体。物理学或将迎来重大革命,人类认知或将掀开新的篇章。而这其中,深深地印上了中国航天的贡献。前沿探索新奇不断暗物质"面纱"即将揭开?前沿探索领域总是能给世人带来     

暗物质粒子探测卫星BGO量能器热控设计与验证

暗物质粒子探测卫星是2015年12月发射的中国自主设计建造的空间天文实验卫星,主要包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器与中子探测器四个探测器.BGO量能器是暗物质粒子探测卫星的核心探测器,主要任务是精密测量高能宇宙线粒子的能量,并通过比较簇射沉积能量的空间分布,进行粒子种类鉴别.本文结合BGO量能器工作原理,分析了BGO量能器热控设计需求与约束,进行了单机热控设计.根据热控设计方案,进行有限元仿真分析,开展了单机飞行件的真空热平衡试验.分析与试验结果表明,热控设计方案合理有效,能够满足需求.      

美国辐射带风暴探测器重新命名为范艾伦探测器

<正>11月9日,美国航宇局宣布,为纪念已故科学家詹姆斯·范艾伦,将用于研究地球上空辐射带——范艾伦带的两颗探测器重新命名为范艾伦探测器。两颗探测器原名为"辐射带风暴探测器",每颗质量约680千克,今年8月30日从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空,用于研究范艾伦带内的粒子如何产生、这些粒子在太空     

喷管两相流耦合数值模拟与粒子热增量预测

含有氧化铝粒子的两相流是固体火箭发动机喷管流场的重要特征.在有限体积方法框架下,采用基于热增量试验数据的粒子壁面反弹模型以及基于粒子轨道的单元内颗粒源(PSIC,Particle Source in Cell)两相流耦合算法,对喷管内两相流流场及粒子撞击产生的壁面热增量进行了计算和分析,研究了氧化铝粒子尺寸对粒子轨道分布和喷管壁面热增量分布的影响规律.研究结果表明:喷管扩张段内粒子稀疏区域范围随粒子直径增加而增大;粒子热增量只分布于喷管收缩段内,粒子直径越大,产生的壁面热增量越强.     

基于混沌的改进粒子群优化粒子滤波算法

针对基本粒子滤波(PF)算法存在的粒子退化和重采样引起的粒子多样性丧失,导致粒子样本无法精确表示状态概率密度函数真实分布,提出了一种基于混沌的改进粒子群优化(PSO)粒子滤波算法。通过引入混沌序列产生一组混沌变量,将产生的变量映射到优化变量的区间提高粒子质量,并利用混沌扰动克服粒子群优化局部最优问题。利用单变量非静态增长模型(UNGM)在高斯噪声和非高斯噪声环境下将该算法与基本粒子滤波和粒子群优化粒子滤波(PSO-PF)的性能进行仿真比较。结果表明:该算法的性能在有效粒子数和均方根误差(RMSE)等参数都优于基本粒子滤波和粒子群优化粒子滤波,改善了算法的精度和跟踪性能。      

交互式多模型粒子滤波优化重采样算法

针对标准交互式多模型粒子滤波(IMMPF)算法中存在粒子退化及多样性匮乏问题,提出了交互式多模型粒子滤波优化重采样(IMMPFOR)算法,利用线性优化理论改善模型中具有小权值的粒子精度。该算法的新颖性体现在给定量测信息条件下,利用线性优化方法及模型交互概率将每个模型中拥有小权值的粒子替换成新的粒子。新的粒子既包含本模型中粒子信息,又包含了本模型与其他模型交互后的粒子信息。目标跟踪的仿真结果证明:每个模型新产生的粒子集合可以准确地近似真实状态后验概率密度函数,系统的估计精度与标准IMMPF算法相比有较大提升。     

磁尾粒子在晨昏电场作用下的散射与沉降

我们认为,在沉降粒子的形成中,磁尾粒子的散射是极其重要的。本文从粒子的轨道理论人手,通过对近900条粒子轨道的具体计算,研究了磁尾粒子在晨昏电场作用下的投掷角变化。计算结果清楚地显示出了磁尾粒子在晨昏电场的作用下,经历着明显的散射过程。运动经过非小扰动区的磁尾粒子在非小扰动区内经多次反射,磁矩不再是不变的,从而投掷角改变,使得一个原在磁尾为各向同性的投掷角分布,在粒子运动到远离中性线的近地区域时改变成为一个近麦氏分布。我们还研究了这些粒子的空间经历,发现这些离开磁尾进入近地区域的粒子在发生散射的同时还发生了空间分离——晨昏分离、纬向分离以及质子和电子之间的相对空间分离,给出了清晰的粒子沉降图象。      

2012年3月9日中国某地球同步轨道卫星故障原因分析

利用GOES-15, SDO, SOHO卫星以及国际地磁台网的地磁活动指数数据, 对中国 某颗地 球同步轨道卫星(以GEO-X代替)在2012年3月9日02:50UTC发生的异常原因进 行了研究, 分析故障发生期间的空间天气特点, 采用文献[8]提出的SEAES-GEO空 间环境引起地球同步轨道卫星异常的专家系统对卫星故障期间的内部充电危 险系数、单粒子效应危险系数以及表面充电危险系数进行定量计算和危险等 级划分. 结果表明, 在卫星故障时刻, 其内部充电危险系数小于3, 表面充电危险 系数约为0.0011, 表面充电和内部充电不是造成GEO-X故障的原因; 受故障期间 质子事件影响, 单粒子效应危险系数持续维持在1以上, GEO-X卫星故障时刻单 粒子效应危险系数Z_SEE达到46.3, 正好处于单粒子效应危险等级的 红色阶段. 因此研究认为单粒子效应可能是造成本次卫星故障的主要原因.      

中国科学家成功实现反事实量子通信

正相比传统的通信方式,量子通信以超高的安全性成为未来通信发展的一大方向。与我们熟知的基于纠缠原理的量子通信不同,中国科学家以一种更古怪的形式——反事实通信——实现了量子通信。这种不发送粒子传输量子态的效应也被称作量子芝诺效应。量子芝诺效应发生在不稳定的量子系统被反复测量时。中国科技大学的研究人员成功在不发送任何物理粒子的情况下     

源粒子动量分布对激波中费米加速的影响

在不同源粒子动量分布和不同参数的情况下,本文计算了受到激波费米加速的荷电粒子的随时间演化的能谱.计算结果表明:不论源粒子的动量分布如何,当时间足够长时,被加速粒子的能谱的高能部分为幂律谱;但是,被加速粒子的能谱的时间演化过程,则与源粒子的动量分布有关.所以,在短暂的激波过程中,用一个谱指数不变的幂律谱表示被加速粒子能谱的通常做法是不合适的.      

真空和微重力下烟幕粒子动力学特性研究

为了研究红外烟幕在外层空间的适用性,基于外层空间环境高真空和微重力的特殊性,分析烟幕粒子的真空和微重力效应,采用分子运动论理论近似模拟真空和微重力下烟幕粒子的动力学特性,建立烟幕粒子间距函数模型,利用Mathematica方法计算了烟幕材料粒径、密度及粒子运动时间对粒子间距大小的影响.结果表明,随着烟幕材料粒径及密度的增大,粒子间距逐渐减小,形成烟幕的稳定性逐渐增大;粒子运动时间愈长烟幕愈不稳定.      

空间辐射粒子引起单粒子翻转率预计

空间辐射粒子引起单粒子翻转（ＳＥＵ）率预计的基础是地面粒子加速器模拟试验数据、卫星轨道的粒子辐射环境模型和高能粒子与器件相互作用模型。引起ＳＥＵ的空间辐射粒子包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁俘获粒子。高能粒子通过电离产生多余电子－空穴对引起ＳＥＵ。介绍了计算轨道中ＳＥＵ率的程序ＣＲＥＭＥ。以８０Ｃ３１微控制器为例,根据串列静电加速器地面模拟试验结果,进行了在轨ＳＥＵ率预计。     

粒子滤波及其在航天器交会对接相对导航中的应用

在全面分析粒子滤波原理的基础上,提出一种改进高斯粒子滤波方法.该方法利用确定性采样滤波算法进行时间更新,替代高斯粒子滤波算法中的随机采样过程;另外,针对厚尾噪声情况,利用鲁棒统计方法对确定性采样滤波方法进行鲁棒性改进,并将其应用于所提出的改进高斯粒子滤波.将粒子滤波算法应用于交会对接相对导航问题,仿真结果表明,在多种测量噪声情况下,改进高斯粒子滤波较其他粒子滤波,能够在不过多损失估计精度的同时有效降低计算量.文中的研究成果为将粒子滤波应用于航天器导航问题提供了理论参考.