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基于神经网络的未来3天Kp指数预报建模与可解释AI应用

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空间科学学报 2024年第3期44卷 437-445页

作者：王听雨罗冰显陈艳红石育榕王晶晶刘四清中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室中国科学院大学

当前业务中对未来3天Kp指数预报需求强烈.但地磁暴中多参数耦合导致难以量化各预报因子对Kp值的贡献,制约了预报精度提升.本文构建了神经网络3天Kp指数预报模型,并使用人工智能(AI)可解释性算法定量化各因子贡献.结果显示,行星际磁场南... 详细信息

当前业务中对未来3天Kp指数预报需求强烈.但地磁暴中多参数耦合导致难以量化各预报因子对Kp值的贡献,制约了预报精度提升.本文构建了神经网络3天Kp指数预报模型,并使用人工智能(AI)可解释性算法定量化各因子贡献.结果显示,行星际磁场南向分量在提前3 h对Kp指数的贡献为37.15%,为主要因子,说明模型能捕捉符合物理特征的主要预报因子. Kp指数历史特征贡献随提前量逐渐增加,提前3天总体贡献占68.06%,验证了对冕洞高速流引起的地磁暴事件的预报能力.对2015和2017年特大地磁暴进行贡献分析,模型准确捕捉了地磁暴多参数耦合的复杂特性.研究表明,可解释AI算法在一定程度上能定量化各预报因子对Kp指数的预报贡献,有助于改进未来3天Kp指数AI预报模型.

关键词：地磁暴未来3天Kp指数预报神经网络可解释性AI算法

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极紫外光电效应电荷驱动仿真与试验验证

空间科学学报 2024年第2期44卷 368-378页

作者：王子栋周斌中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

惯性传感器中的检验质量是精密引力测量系统中的核心,其表面会因为宇宙高能粒子持续注入而积累电荷,在惯性传感器内部电磁场作用下产生杂散噪声,影响精密引力测量结果.根据光电效应原理,用UV LED产生极紫外光照射惯性传感器的电极与检... 详细信息

惯性传感器中的检验质量是精密引力测量系统中的核心,其表面会因为宇宙高能粒子持续注入而积累电荷,在惯性传感器内部电磁场作用下产生杂散噪声,影响精密引力测量结果.根据光电效应原理,用UV LED产生极紫外光照射惯性传感器的电极与检验质量表面,并在电极间施加适当电场,就可以在不引入外力作用且无接触条件下改变检验质量的电荷量.本文基于平行板电容器的简化电极模型,对极紫外电荷驱动过程进行了理论建模仿真.在此基础上设计和构建了一套电荷驱动验证试验系统,针对光功率、偏置电压对充放电速率的影响和交流电荷驱动进行试验.试验证明电荷充放电速率与极紫外光功率成正比,其量子产率随极板间电场强度变化.最终可实现稳定控制检验质量电荷放电速率在0.31~0.76 pC⋅s^(–1),检验质量电荷充电速率在–0.05~–0.17 pC⋅s^(–1).分析提出的检验质量电荷充放电速率理论模型与地面试验结果一致,可以有力支撑电荷管理控制系统的研制.

关键词：极紫外光电荷驱动光电效应建模仿真

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火星水冰分布特征和研究进展

地球科学 2024年第6期49卷 2253-2276页

作者：刘正豪刘洋刘佳牛胜利邹永廖中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院比较行星学卓越创新中心安徽合肥230026

火星作为太阳系中与地球相似的一颗行星,它曾经存在活跃的水活动历史,现今火星稀薄的大气和寒冷干旱的气候使得液态水很难存在于火星表面,火星上水大多以冰的形式在南北两极和中纬度区域分布并形成沉积地貌类型.随着国内外深空探测任务... 详细信息

火星作为太阳系中与地球相似的一颗行星,它曾经存在活跃的水活动历史,现今火星稀薄的大气和寒冷干旱的气候使得液态水很难存在于火星表面,火星上水大多以冰的形式在南北两极和中纬度区域分布并形成沉积地貌类型.随着国内外深空探测任务的逐年增多,火星上的水冰环境与宜居性越来越受到关注,以极区冰盖、中纬度冰川作用地貌和浅地表水冰升华地貌为重点,对它们的形貌特征、分布情况、成因机制以及与气候的耦合关系进行介绍和剖析.火星中纬度地区水冰地貌的分布与自转轴倾角有关,当火星处于高倾角时,极区水冰会向中纬度表面转移,此时火星转变为寒冷的冰期,中纬度水冰环境区域增加;反之,则极区冰盖区域增加.因此,火星自转轴倾角的周期性改变引起气候的改变,从而导致形成了水冰在火星表面不断重新分布的过程,主要表现为从极区到中高纬度区域水冰阶段性的富集.通过对火星水冰分布特征的总结,加深了对火星水冰环境的认识,同时结合火星水冰的研究现状提出了展望.火星水冰地貌与火星宜居环境以及生命赋存形式息息相关,对火星水冰的研究可以帮助我们深入了解火星的气候演化历史、宜居环境情况等以及为未来的火星探测任务提供支撑.

关键词：火星水冰冰盖冰川地貌特征气候演化行星地质

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小行星撞遇陆地成坑动力学的计算模拟

深空探测学报（中英文） 2024年第2期11卷 195-202页

作者：徐文杰刘芹芹申旭辉清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室北京100190

小行星撞遇陆地是一个复杂的非线性动力学过程,难以通过模型试验的方法开展相关研究。数值计算为这一灾害动力学过程分析提供了重要的工具,基于自主研发的CoSim软件中离散元(Discrete Element Method,DEM)模块初步实现了小行星撞遇陆地... 详细信息

小行星撞遇陆地是一个复杂的非线性动力学过程,难以通过模型试验的方法开展相关研究。数值计算为这一灾害动力学过程分析提供了重要的工具,基于自主研发的CoSim软件中离散元(Discrete Element Method,DEM)模块初步实现了小行星撞遇陆地的大规模计算模拟。基于小行星撞遇陆地三维动力学全过程的数值仿真结果:实现了初始接触、撞遇挖掘、高速抛射和回落调整4个撞击阶段全过程仿真;小行星的碰撞入射角及撞遇过程中动力学行为将影响撞击坑的地形地貌特征。研究也表明大规模数值计算方法可较好地实现小行星撞遇地球这一动力学过程,为小行星防御提供支撑。

关键词：小行星撞击坑离散元法数值仿真

中间层臭氧的夜间变化特征及与太阳活动的相关性

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空间科学学报 2024年第2期44卷 262-269页

作者：柳丹吴止境杨钧烽程旋王建美张依鸣胡雄中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室北京100190 中国东方红卫星股份有限公司北京100094

基于ENVISAT-1/GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)和TIMED/SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星的臭氧廓线数据结合模式HAMMONIA(Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere)对热带低纬度地区(20°S-20°N)中间层(60~110 km高度)夜间(20:00 LT-24:00 LT)臭氧的分布进行统计,分析其与27天太阳周期的相关性.观测与模式均表明中间层夜间臭氧在95 km达到峰值,并在中间层上层存在半年振荡.通过与相同时间段内的太阳辐射强迫Lyman-α数据对比发现,中间层上层臭氧与太阳强迫作用可能是反相关,中间层下层臭氧与太阳强迫作用可能呈正相关.虽然观测结果与模型结果在臭氧随月份的时间和空间分布上有一定的相同特征,但在臭氧峰值的数值上发现有较大的差异,其中臭氧敏感性的振幅被模型低估.

关键词：中间层臭氧夜间变化太阳活动

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月球南极尘埃等离子体环境特性

物理学报 2024年第15期73卷 133-140页

作者：李梦谣夏清蔡明辉杨涛许亮亮贾鑫禹韩建伟中国科学院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

由于缺少大气和全球性磁场的保护,空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层,月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境,影响探月任务的顺利实施.针对月球南极尘埃等离子体环境,本文利用SPIS(spacecraft ... 详细信息

由于缺少大气和全球性磁场的保护,空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层,月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境,影响探月任务的顺利实施.针对月球南极尘埃等离子体环境,本文利用SPIS(spacecraft plasma interactions software)软件,仿真研究了月球南极0—200 m高度范围的等离子体和月尘的空间分布情况及月面充电特性,揭示了月面附近尘埃等离子体环境特征及悬浮在月面附近的带电月尘对等离子体环境的影响.仿真结果与Apollo探测数据和Popel团队的理论数据吻合.研究结果:表明空间电位随着高度升高而增加,月球南极附近0—10 m电位约为–40 V,在100 m处空间电位约为–20 V;在10 m以下高度范围内月尘密度为10^(7.22)—10^(4.66) m^(–3);月表附近尘埃等离子体中的电子密度为10^(5.47) m^(–3),离子密度为10^(6.07) m–3,并随着高度升高而增大;带电月尘会影响月尘的空间分布,主要是通过影响空间电场的分布,进而导致电子分布差异,对离子的影响不大.

关键词：月球南极尘埃等离子体环境 SPIS 仿真月面电位分布

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火星沉降H-ENA的分布与特性

空间科学学报 2024年第2期44卷 299-308页

作者：张艺腾李磊谢良海苟晓晨冯永勇中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中科–莘县联合研究中心聊城252400

能量中性原子(Energetic Neutral Atom,ENA)是由能量离子与中性背景成分电荷交换产生.火星的外逸层扩展范围远高于弓激波,上游太阳风质子与其相互作用并转化为太阳风氢ENA(Hydrogen-ENA,H-ENA),新生的H-ENA可直接进入低层大气,成为新的... 详细信息

能量中性原子(Energetic Neutral Atom,ENA)是由能量离子与中性背景成分电荷交换产生.火星的外逸层扩展范围远高于弓激波,上游太阳风质子与其相互作用并转化为太阳风氢ENA(Hydrogen-ENA,H-ENA),新生的H-ENA可直接进入低层大气,成为新的物质与能量输运通道.本文基于单流体多成分MHD模型与中性外逸层模型,计算了火星200 km等高面沉降H-ENA通量的空间分布,统计了多种太阳风条件下沉降H-ENA的粒子与能量沉降率,分析影响因素.结果表明,在一定模拟条件下,产生于弓激波上游的太阳风H-ENA,呈cosZ分布(Z为天顶角),受磁异常影响较小,是沉降H-ENA的主要成分,占ENA总沉降量的59%,占能量沉降的81%;产生于磁鞘的磁鞘H-ENA受磁异常阻碍影响较大,在最强磁异常上方其沉降通量显著下降;沉降H-ENA与上游太阳风的通量呈正比例关系;2.1%~3.5%上游太阳风质子转化为太阳风H-ENA.

关键词：火星沉降H-ENA MHD模型磁异常

基于调制码元多普勒测量的相干光通信测速方法研究

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 222-228页

作者：张权徐轻尘胡雄吴小成杨钧烽中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100190 空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

高精度的星间测速技术是实现卫星激光通信测量一体化和自主导航的关键技术之一。提出了一种基于调制码元多普勒测量的星间相干光通信链路的测速方法,采用单程单向的方式,在接收端利用码元符号同步和判决相位及符号信息,去除基带采样数... 详细信息

高精度的星间测速技术是实现卫星激光通信测量一体化和自主导航的关键技术之一。提出了一种基于调制码元多普勒测量的星间相干光通信链路的测速方法,采用单程单向的方式,在接收端利用码元符号同步和判决相位及符号信息,去除基带采样数据中的相位调制信息,获取相位连续的码元多普勒信号,可在完成星间通信的同时,实现对卫星相对运动速度的实时高精度测量。仿真结果验证了该方法可在通信速率为1 Gbit/s、误码率(BER)为10^(-9)情况下,实现0~11.625 km/s的相对速度测量,速度测量不确定度优于10.00 mm/s。

关键词：光通信卫星测速调制码元多普勒频移

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明安图射电频谱日像仪图像的强度定标方法

天文学报 2024年第3期65卷 75-81页

作者：周志超陈林杰颜毅华王威中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph,MUSER)能够在0.4–15 GHz超宽频带内实现高时间、高空间、高频率分辨率的太阳射电成像.而射电亮温度是描述太阳物理过程的一个重要的参数,在研究不同射电辐射机制、太阳磁场以... 详细信息

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph,MUSER)能够在0.4–15 GHz超宽频带内实现高时间、高空间、高频率分辨率的太阳射电成像.而射电亮温度是描述太阳物理过程的一个重要的参数,在研究不同射电辐射机制、太阳磁场以及太阳爆发过程中非热粒子加速等问题上有着非常重要的作用,因此必须对MUSER观测的图像进行亮温度定标.将介绍一种适用于射电日像仪图像强度定标的方法.太阳射电图像中包含着太阳圆盘的结构信息,利用射电日像仪短基线的可视度函数拟合第一类贝塞尔函数,可以得到图像中宁静太阳圆盘的射电半径和强度,再利用瑞利-金斯定律和每天的太阳射电流量可以计算得到每天图像的定标因子Gc,从而实现对MUSER图像强度的定标.将该方法应用到MUSER的实际观测数据中,包括宁静太阳和有太阳射电爆发等不同的情况,Gc的误差基本不超过10%,得到的宁静太阳亮温度与其他宁静太阳的结果具有较高的相关性,表明了此方法的可行性和有效性.

关键词：太阳:射电辐射仪器:射电日像仪仪器:定标