火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.     

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.     

大气密度模型球谐修正研究

大气模型修正是提高模型精度的一种重要方法.利用CHAMP卫星高精度加速仪反演的密度数据,采用球谐函数的形式对NRLMSISE-00模型进行修正.为了消除轨道高度变化对密度修正结果的影响,将密度数据同化到同一高度处,计算修正之后的密度误差,进而对未来三天的密度进行预报.结果表明,经球谐修正后,修正误差和预报误差均有显著降低.在太阳活动高年,修正误差可降至10%左右,提前1~3天预报精度分别提高31.34%,21.39%和13.75%;太阳低年时修正误差可降至14%左右,提前1~3天预报精度分别提高55.03%,47.79%和43.60%.     

一种全球临近空间大气密度建模方法及应用

基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和,大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值,表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。      

一种区域参考大气密度的建模与应用方法

为满足空天试验研究中对参考大气模型的实际需求,即模型应具有跨时空的全球尺度覆盖性以及在起降关键航迹点的高精度性,提出了一种区域参考大气密度的建模与应用方法。首先对实测数据的冬夏季典型月份的大气密度特性,具体包括月均值与密度扰动进行统计分析,在此基础上提出了基于探空试验实测数据的全球参考大气模型（GRAM）的定量修正方法,从而构建起了包含有大气扰动与季节变化的区域参考大气密度模型。最后提出了区域参考大气密度模型向GRAM的过渡方法与实际应用方法。研究表明,探测地区的大气密度特性具有明显的冬夏季节性差异,需要根据季节构建相应的大气密度模型。区域参考大气模型的蒙特卡罗仿真可以有效模拟实测数据的大气密度特性。通过与GRAM过渡结合,参考大气模型既具有全球覆盖性,又具有很高的局部精度。      

基于分层介质模型的HF雷达高度计火星回波仿真研究

火星次表层中的水探测是当前深空探测领域中的热门问题之一. 高频(HF)雷达高度计具有较强的穿透能力, 且能同时实现距离和功率测量, 是火星次表层探测的重要手段. 介绍了高频雷达高度计系统的原理和设计, 通过分析高度计电磁脉冲与多层光滑介质之间的相互作用, 得出其回波功 率随时间变化的模型, 并考虑了表面粗糙度对表面回波功率的影响. 选用典型的火星分层介质模型, 对其介电常数特性和高度计回波波形 进行了仿真. 仿真结果表明, 采用高频雷达高度计系统可实现对火星次表 层介电特性垂直廓线的反演, 对火星中水的识别具有重要 作用.     

大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响

本文在考虑大气密度(90km高度以下) 随地理纬度、高度及时间(月份)随机变化的基础上,沿卫星的返回轨道建立了随机大气密度的统计模型。并应用该模型产生的随机大气密度样本,进行返回轨道的Monte Corlo法模拟计算。通过对模拟计算得到的返回轨道参数样本的统计处理,本文分析了大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响。另外,本文还介绍了近似估计大气密度变化对返回轨道参数影响的影响系数法。     

基于经验和物理模型对热层大气密度的评估

低轨航天器所受的大气阻力与大气密度密切相关。精确计算大气密度,可以减少航天器精密定轨和轨道预报的误差。采用大气密度经验模型MSIS2.0、DTM2020、JB2008以及物理模型TIEGCM2.0,对历史强磁暴、大磁暴和小磁暴期的热层大气密度进行模拟,并分析模拟值与CHAMP和GRACE卫星原位探测数据的差异,评估各模型的表现能力。模拟结果表明：(1)经验模型的模拟效果优于TIEGCM2.0物理模型,MSIS2.0和JB2008的模拟值分别比卫星原位探测数据高28%～44%和13%～30%,DTM2020的相对误差最小,在-16%～11%之间;(2)在磁暴开始前或结束后的地磁平静或扰动期,DTM2020的模拟效果最优,其与观测值的中心均方根误差在0.3～0.6之间。在磁暴期,JB2008的模拟效果最优,观测与模拟值的相关系数在0.9左右;(3)对于物理模型TIEGCM2.0,当空间分辨率从5°提高到2.5°时,模拟结果与观测数据之间的平均相对误差从20%下降至17%。以上研究结果表明,各模型对不同空间环境有不同的适用性。在航天工程应用中,可以考虑多模型结合的方式对大气密度进行计算,以提高轨道计算精度。     

一种适用于火星气动捕获的自适应预测制导算法

火星探测捕获制动需要的速度增量大,制动消耗燃料多,因此针对火星大气密度低、大气不确定性强等问题,提出一种基于解析及自适应预测校正结合的分段式气动捕获制导算法,实现无人钝头体飞行器由双曲线接近段轨道到目标停泊椭圆轨道的轨道转移.考虑到多约束条件,将制导算法分为高度数值预测校正 高度保持 入轨控制3个阶段,其中第三阶段使用基于一阶特征模型的全系自适应预测校正算法.该方法利用施加控制量的时间与最终半长轴改变量的关系形成动态输入变换,以抵消该系统一阶特征模型输入输出间巨大的动态增益.仿真结果表明,该算法即可满足一定的多约束条件,同时能够克服较强的初始条件不确定性和环境不确定性,具有较强的鲁棒性.     

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

The MAGO experiment for dust environment monitoring on the Martian surface

Among the main directions identified for future Martian exploration, the study of the properties of dust dispersed in the atmosphere, its cycle and the impact on climate are considered of primary relevance. Dust storms, dust devils and the dust “cycle” have been identified and studied by past remote and in situ experiments, but little quantitative information is available on these processes, so far. The airborne dust contributes to the determination of the dynamic and thermodynamic evolution of the atmosphere, including the large-scale circulation processes and its impact on the climate of Mars. Moreover, aeolian erosion, redistribution of dust on the surface and weathering processes are mostly known only qualitatively. In order to improve our knowledge of the airborne dust evolution and other atmospheric processes, it is mandatory to measure the amount, mass-size distribution and dynamical properties of solid particles in the Martian atmosphere as a function of time. In this context, there is clearly a need for the implementation of experiments dedicated to study directly atmospheric dust. The Martian atmospheric grain observer (MAGO) experiment is aimed at providing direct quantitative measurements of mass and size distributions of dust particles, a goal that has never been fully achieved so far. The instrument design combines three types of sensors to monitor in situ the dust mass flux (micro balance system, MBS) and single grain properties (grain detection system, GDS + impact sensor, IS). Technical solutions and science capabilities are discussed in this paper.     

火星信道衰落特性对通信链路预算的影响

对火星星体段的信道衰落特性进行研究.通过对近火段自然环境因素的分析,提取影响火星通信性能的因素,重点分析火星的大气、云雾、沙尘对通信信道的衰落作用机理;并以NASA实际火星探测任务为例,针对以上衰落因素对UHF,S,X和Ka频段下的通信链路影响情况进行仿真;结合实际探测数据对地球通信链路预算模型进行修正,提出一种适用于火星通信链路预算的模型;明确火星大气衰落、云雾衰落、沙尘衰落的取值范围.研究结果可作为火星及其他深空探测任务的通信系统设计与链路复核复算的参考.     

火星大气进入段侧向预测校正制导律设计

火星大气进入段预测校正制导方法通常采用误差走廊来约束侧向运动,该方法只能满足侧向运动的末端约束,而无法实现对侧向运动过程约束的满足。将预测制导的方法引入侧向制导律设计中,该方法无需离线规划误差走廊,而是根据侧向运动中的相关约束,在线计算倾侧角反转时刻,从而同时满足侧向运动的末端约束与过程约束,并能够克服采用误差走廊可能导致的飞行器因频繁反转机动而使燃料过快消耗的问题。仿真结果表明:该侧向预测制导律不仅能满足开伞位置精度,同时也能实现对进入轨迹侧向运动的灵活规划。     

A comparative study of ionospheric IRIEup and ISP assimilative models during some intense and severe geomagnetic storms

Three-dimensional (3-D) electron density matrices, computed in the Mediterranean area by the IRI climatological model and IRIEup and ISP nowcasting models, during some intense and severe geomagnetic-ionospheric storms, were ingested by the ray tracing software tool IONORT, to synthesize quasi-vertical ionograms. IRIEup model was run in different operational modes: (1) assimilating validated autoscaled electron density profiles only from a limited area which, in our case, is the Mediterranean sector (IRIEup_re(V) mode); (2) assimilating electron density profiles from a larger region including several stations spread across Europe: (a) without taking care of validating the autoscaled data in the assimilation process (IRIEup(NV)); (b) validating carefully the autoscaled electron density profiles before their assimilation (IRIEup(V)).The comparative analysis was carried out comparing IRI, IRIEup_re(V), ISP, IRIEup(NV), and IRIEup(V) foF2 synthesized values, with corresponding foF2 measurements autoscaled by ARTIST, and then validated, at the truth sites of Roquetes (40.80°N, 0.50°E, Spain), San Vito (40.60°N, 17.80°E, Italy), Athens (38.00°N, 23.50°E, Greece), and Nicosia, (35.03°N, 33.16°E, Cyprus). The outcomes demonstrate that: (1) IRIEup_re(V), performs better than ISP in the western Mediterranean (around Roquetes); (2) ISP performs slightly better than IRIEup_re(V) in the central part of Mediterranean (around Athens and San Vito); (3) ISP performance is better than the IRIEup_re(V) one in the eastern Mediterranean (around Nicosia); (4) IRIEup(NV) performance is worse than the IRIEup(V) one; (5) in the central Mediterranean area, IRIEup(V) performance is better than the IRIEup_re(V) one, and it is practically the same for the western and eastern sectors.Concerning the overall performance, nowcasting models proved to be considerably more reliable than the climatological IRI model to represent the ionosphere behaviour during geomagnetic-ionospheric storm conditions; ISP and IRIEup(V) provided the best performance, but neither of them has clearly prevailed over the other one.     

基于点线关系的透视图消隐算法

准确获取建筑物的三维形体信息,在军事和民用上都有非常重要的意义.针对建筑物三维形体获取过程中的消隐问题,提出了一种基于点线关系的三维透视图消隐算法.结合后向面判别法和光线投射算法,利用三维表面模型中点、线、面的遮挡关系和视平面域上的包含性规则,进行边界线段的显、隐程度检查,实现对模型的消隐处理.实验结果表明,该算法数据结构简单,建立的透视投影计算模型正确且消隐算法有效,为地形地物透视图的消隐提供了一种新的方法与支持手段.     

火星沙尘环境光学图像增强方法

针对火星探测器着陆时沙尘天气对机器视觉的影响,提出一种去除沙尘天气对光学成像影响的方法,为视觉系统提供清晰输入图像。首先对受沙尘天气影响的图像建立模型,然后求取模型中大气光值与透射系数值。对于大气光值的计算采用基于四叉树细分的方法,在最小值图像上搜寻指定阈值面积中灰度均值最大的区域,在初始图像中相同区域计算各通道均值,作为大气光值。在此基础上计算透射系数,完成清晰图像的恢复。通过对受沙尘影响图像测试表明,该方法能够将受沙尘影响的图像恢复成清晰的图像。即使在复杂的环境中,该方法对光照变化、沙尘强度变化和场景变化等仍具有较好的效果。与其他方法相比,本文方法在去除沙尘对光学图像影响方面效果较好,在恢复图像评价指标等方面优于其他方法,能够进一步提高图像清晰度,为光学图像的后期处理提供更丰富信息。      

强地震活动事件期间热层大气密度异常变化的探测结果

地震活动一直是人类非常关注的自然灾害事件, 其对热层大气密度的影响还不是非常清楚. 2008年5月12日中国四川汶川发生震级8.0级强震事件, 随后, 在6月14日日本本州东部, 7月5日鄂霍次克海和7月19日日本本州东海岸发生震级7.0~7.6级强震事件, 利用期间中国星载大气密度探测器在630 km高度上就位探测的热层大气密度对探测结果进行综合分析, 结果表明, 强地震震源中心区域上空附近热层大气密度出现异常降变. 在时间上, 强地震发生前1~3天内就已开始出现大气密度降变, 强地震发生日附近降变达到谷值, 降变比达0.40~0.65. 这种降变的纬度区域范围震前位于强震中心所处纬度的±3º~±9º, 强震发生当日扩大到±8º~±20º.