实验室简介

北京航空航天大学空间环境研究起步于上世纪70年代末，是在我国航天事业发展迫切需求的推动下开始的，距今已有40多年的历史。 2013年北航成立了“空间环境科学与技术”蓝天创新团队。团队成员近年来取得了一系列重要成果，得到了国际学术界的好评，具有了良好的国际声望。

在空间环境大数据平台建设方面，我们团队被欧洲空间局因此授权成立了欧洲空间局SWARM卫星数据中心。这使得我们与国际先进水平接轨。

在空间环境数据分析方面，团队成员已积累了丰富的经验，开发了一系列的技术（部分技术在国际上已达到领先水平）。现有的技术和方法包括多卫星数据分析方法、电场数据矫正方法、电子加速分析方法、磁重联扩散区识别方法、以及波粒相互作用分析方法。近年来利用这些先进的数据处理方法，在空间环境信息处理和研究领域取得了丰硕的成果。2013年关于磁尾高速流能量输运研究成果被欧洲空间局列为Cluster卫星计划亮点成果。在2015年发表的Cluster卫星计划成果综述文章中位于磁尾研究成果的第一位。2013年发现非稳态重联电子加速新机制，被欧洲空间局列为Cluster卫星计划亮点成果。2014年首次发现地球空间环境存在上升调磁声波，被美国地球物理协会评为2015年9月的研究亮点成果，并在其EOS杂志上对该成果做了详细报道，美国宇航局将该成果列为THEMIS卫星探测计划的重要发现。2014年关于环电流离子注入和全球磁场模型优化的研究成果被美国宇航局列为对美国辐射带风暴探测卫星的成功做出重要贡献的标志性成果。2015年团队成功研究出了一种新的确定磁零点方法，它既可以用来寻找卫星附近的磁零点，还可以用来重构磁零点的拓扑结构。该文章被列为2015年5月国际空间物理核心期刊JGR封面文章。2015年利用欧洲空间局两个旗舰卫星计划Cluster和Swarm的探测数据，首次发现地球磁层和电离层电流耦合的观测证据。被列为欧洲空间局Swarm卫星发射一周年亮点成果。2016年在GRL发表的关于辐射带电子扩散的文章被评为ESI高被引论文，并被《中国科学》作为亮点成果介绍。关于磁零点空间结构重构的2016年文章和偶极化锋面中氧离子的2017年文章被JGR列为特色文章，关于偶极化锋面中超热电子擀面杖分布文章被GRL列为特色文章。2017年，关于磁重联能量转换发生于O点而非以往观点认为的X点的研究成果以及等离子体波动控制辐射带电子动态变化的研究成果分别被美国地球物理学会AGU评为研究亮点(AGU Research Spotlight)，并做详细介绍。

在空间环境三维建模方向，实验室成员已积累了丰富的经验，取得了重要的科研成果。主要的研究基础有等离子体层和等离子体片内边界模型和地球辐射带LANL*模型，具体情况为

(1)等离子体层和等离子体片内边界模型：近年来，实验室尝试开展磁层建模研究工作。磁层空间中等离子体层和等离子体片中的等离子体具有不同性质。卫星在这两个区域运行时也具有不同的充放电过程。刘文龙等人利用THEMIS卫星数据建立了一个目前国际上最为精确的等离子体层顶模型（Liu et al., 2015 JGR）。该模型在2016年《Science China》（Earth Science）上作为亮点成果介绍。这些模型对于预报卫星充电具有重要价值，目前已应用在我国空间天气预报中。

(2)地球辐射带LANL*模型：於益群等人建立了LANL*模型，并提出了目前国际上最先进的快速计算地球辐射带模型的方法。这对于实现实时预报空间天气具有重要的应用意义。该成果被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室评选为国家实验室亮点工作（Science Highlight）。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室对该工作公开评价“Yu等人建立了一个新的工具，其速度要比常规的辐射带模型快6个数量级（one million times faster）。该工具能够在保持高计算精度的同时显著提高计算效率”。该模型已经被美国宇航局的科学建模协调中心（CCMC）收录和启用，并向全世界开放，以供国际空间天气预报机构使用。（Yu et al., 2012 SW, 2014 JGR）。

在空间环境各类仿真技能方面，团队现拥有包括全球磁层MHD模型，地球环电流动理论模型，全粒子PIC模型，局域MHD、多流体MHD、霍尔MHD等。适用于模拟复杂多变的地球空间环境和火星空间环境，以及它们与太阳活动的紧密关系。

全球磁层MHD仿真技术：於益群等人在美国密歇根大学读博期间参与发展了国际著名的空间天气模拟框架（SWMF），并多次成功应用该仿真技术研究太阳风-磁层-电离层耦合过程，揭示磁层-电离层对太阳风条件变化的响应机制(Yu et al.，2009, 2010，2011，2013，2015)，还成功模拟了环电流粒子注入的时空变化，重现了美国辐射带风暴探测卫星（Van Allen Probes）观测到的电子注入内磁层的现象(Yu et al., 2014 GRL)。

环电流动理论仿真技术：於益群等人与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室合作者共同发展了自洽的环电流-电离层模式，并深入研究了电离层与环电流相辅相成的作用关系（Yu et al.，2016，2017），是国际上现有环电流模式中最为先进的技术之一。

在卫星编队飞行理论与应用研究领域，北京航空航天大学开展了多年的研究，在国内外期刊和学术会议上发表了数十篇学术论文，建立了基于相对轨道要素的空间飞行器相对运动理论体系，适用于空间环境监测，卫星编队飞行，交会对接，碰撞预警等多种航天任务应用场景。相关研究成果已成功应用于地球观测与导航技术领域重大项目（863计划）子课题“日-地环境组网监测与实验技术”中卫星监测与实验技术集成与验证系统，以及“空间观测全球变化敏感因子的机理与方法（973计划）”项目中我国全球变化观测系列卫星总体方案的论证与设计。近年来，针对空间环境监测任务需求，根据卫星编队飞行的特点，提出并研发了悬停构型、水滴构型、双水滴构型等新型编队构型的总体设计思路与轨道控制技术，为航天五院某型号的在轨试验方案提供了技术建议和支持。

在任务规划与调度技术领域，宇航学院与航天五院、航天八院等卫星研制方，航天系统部、资源卫星中心、国家天文台等卫星应用方建立了良好的合作关系，在卫星平台能力评估、卫星协同测运控模式、多星联合观测、任务智能规划等方向进行了深入研究，主持研发了“多星多任务自主规划与调度系统”。该系统已集成至航天五院的对地观测任务“一键规划系统”，支撑了多项“十三五”规划项目论证，并成功保障了航天系统部“XX-2018”演训活动。

在航天器轨道动力学与控制领域，北航宇航学院长期从事该方面研究工作，徐世杰教授课题组在国家自然科学基金重点项目《深空探测中的若干关键非线性不确定性动力学与控制问题研究》的支持下，近年来在深空探测中的航天器轨道动力学与控制方面展开了深入和系统的研究工作，包括圆型限制性三体问题、椭圆型限制性三体问题、限制性四体问题、以及小行星附近航天器的姿态动力学、轨道动力学和姿轨耦合动力学，在该领域已发表SCI论文60余篇，1人获全国优秀博士学位论文提名奖，3人获校级优秀博士论文，研究团队在该领域具有丰硕的理论成果、深厚的工作积累和丰富的工程经验。

在航天电推进领域，北京航空航天大学是我国最早建立航天推进专业的高等院校，几十年来，为我国的航天和国防事业做出了重要贡献。北航在电推进技术开展近二十年的研究工作，承建的电推进学科被列入国家国防科工局“十一五”国防特色学科专业建设。北航在国家973计划、863计划、民用航天预研和各类基金等项目的支持下，进行了电弧等离子体推进、离子电推进、霍尔电推进、大功率磁等离子体推进、脉冲等离子体微推进、胶体微推进等多种电推进技术的研究，突破了多项关键技术。其中电弧等离子体推进、大功率磁等离子体推进等相关技术已转移到航天研制单位进行工程化研究，即将进入空间应用。

北航现有航天推进实验室和航天推进仿真中心，其中航天推进实验室建有完善、可靠的电推进基础实验系统；航天推进仿真中心拥有先进的服务器、工作站和高性能微机近百台。建立了完善的电推进试验和测试系统，解决了电推进毫牛和微牛级推力测量、等离子体诊断、长寿命试验等关键技术，其成果直接服务于我国空间站用霍尔电推力器寿命试验、“东3B”通信卫星电推进等离子体诊断、“神舟”飞船伴星和“浙大皮星”推进系统性能测试等型号任务，取得了很好的效果。成功开发出离子、霍尔推进等多种类型电推进工作过程仿真程序，并应用在相关型号任务。

在大数据信息处理技术领域，北航已有良好的基础，其建立的科技搜索系统www.kejso.com针对万方、知网、百度学术以及各类科技资源数据形成的千万级别的科技文献资源基础上进行统计分析、数据挖掘、关联检索以及信息可视化，旨在为用户尤其是科研工作者提供便利的科技资源及信息与知识，同时也提供可视化的统计分析结果与报表。科搜系统已集成200万学者，3000万论文专利及项目数据。