2020 年北京北大站電離層高頻多普勒頻移數(shù)據(jù)集

胡曉彥，郝永強(qiáng)，代國(guó)峰，張東和，肖佐

1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190

2. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

引 言

電離層對(duì)高頻無線電波的傳播具有顯著的影響，通過高頻無線電波在電離層傳播過程中的多普勒效應(yīng)可以研究電離層等離子體密度和結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

在地面向電離層發(fā)射無線電波，接收被電離層反射的回波，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的頻率差即為電離層多普勒頻移。假設(shè)信號(hào)源發(fā)射的無線電波只經(jīng)歷一次電離層反射后被地面接收機(jī)接收，則信號(hào)源和接收機(jī)的位置共同確定了發(fā)射路徑以及反射點(diǎn)的位置和高度。若s為電波傳播的路徑，μ為路徑上各位置等離子體對(duì)電波的散射指數(shù)，P為相路徑，c為電波速度，t為時(shí)間，則頻率為f的無線電波的多普勒頻移可表示為[1]：

當(dāng)電離層變化時(shí)，通過改變電波路徑s，或者路徑上的等離子體散射指數(shù)μ，都將導(dǎo)致無線電波的多普勒頻移發(fā)生變化。電離層的變化包括大時(shí)間尺度的周期性變化，如日出日落、季節(jié)更替等引起的日變化、年變化等；也包括短時(shí)間內(nèi)的空間環(huán)境狀態(tài)突然變化，如日食、磁暴等事件引起的擾動(dòng)。此外，對(duì)于低層大氣中的一些能量活動(dòng)，如地震、火山、臺(tái)風(fēng)等，在電離層多普勒觀測(cè)中也常能發(fā)現(xiàn)與這些事件相關(guān)的電離層擾動(dòng)[2-5]。

北京大學(xué)于20 世紀(jì)80 年代自主設(shè)計(jì)了DQ-87 型地球物理數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)[6]，并利用該設(shè)備進(jìn)行了長(zhǎng)期、持續(xù)的電離層高頻多普勒觀測(cè)。2010 年，在子午工程支持下，北京大學(xué)設(shè)計(jì)建成了新一代電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀。該設(shè)備接收來自國(guó)家授時(shí)中心（35.0°N，109.5°E）的10 MHz 短波授時(shí)信號(hào)，通過與標(biāo)準(zhǔn)10 MHz 頻率相比較，連續(xù)監(jiān)測(cè)該信號(hào)的電離層多普勒頻移量。本數(shù)據(jù)集即為部署于北京北大站（116.31°E，40.00°N）的電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀于2020 年全年觀測(cè)得到的電離層高頻多普勒頻移數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀使用短波天線連續(xù)接收10 MHz 授時(shí)短波信號(hào)。由于信號(hào)在電離層傳播過程中的多普勒頻移效應(yīng)，天線接收到的信號(hào)頻率相對(duì)于10 MHz 稍有變化。這個(gè)頻率的變化量就是需要提取出來的關(guān)鍵觀測(cè)信息。

電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率源，該頻率源利用GNSS（Global Navigation Satellite System）馴服的恒溫晶振，提供非常穩(wěn)定及準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)10 MHz 信號(hào)。將天線接收到的短波信號(hào)，與標(biāo)準(zhǔn)10 MHz 信號(hào)相比較，即可計(jì)算得到電離層導(dǎo)致的頻率偏移量。具體來說，處理過程分為兩個(gè)步驟：1）取兩個(gè)信號(hào)的差拍，得到一個(gè)頻率為多普勒頻移量的信號(hào)；2）將該差拍信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行AD（Analog-to-Digital）采樣，并通過快速傅里葉變換（FFT）對(duì)信號(hào)離散序列進(jìn)行頻譜分析，得到頻移量。對(duì)每10 s 的信號(hào)離散序列進(jìn)行FFT 分析，所得頻譜的頻率分辨率為0.1 Hz。對(duì)于10 MHz 的標(biāo)準(zhǔn)頻率源，電離層導(dǎo)致的多普勒頻移一般不超過±3 Hz。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集由一系列具有相同時(shí)間分割、相同組織形式的數(shù)據(jù)文件組成，每30 min 形成一個(gè)dat格式文件，記錄差拍信號(hào)的FFT 頻譜。數(shù)據(jù)文件內(nèi)容由文件頭和數(shù)據(jù)記錄區(qū)組成。文件頭共4 行，包括設(shè)備信息、時(shí)間分辨率、頻率分辨率、數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱等信息。數(shù)據(jù)記錄區(qū)以行列形式存儲(chǔ)，各列代表的數(shù)據(jù)項(xiàng)分別為年、月、日、時(shí)、分、秒，以及-3.00 Hz～2.90 Hz 范圍內(nèi)每0.1 Hz 為間隔的共計(jì)60 個(gè)頻移點(diǎn)的功率譜強(qiáng)度信息。時(shí)間系統(tǒng)為世界時(shí)（Universal Time, UT）。具體的數(shù)據(jù)項(xiàng)格式如表1 所示，數(shù)據(jù)樣例如圖1 所示（由于數(shù)據(jù)記錄區(qū)共計(jì)66 列，為便于樣例展示，在圖1 中進(jìn)行了自動(dòng)換行，實(shí)際文件中的每行數(shù)據(jù)在圖中顯示為各5 行）。

圖1 北京北大站電離層高頻多普勒頻移數(shù)據(jù)文件樣例

圖2 是基于2020 年3 月22 日北京北大站的電離層高頻多普勒頻移數(shù)據(jù)繪制的圖像。圖中縱坐標(biāo)表示頻移量，由于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻移量在±1 Hz 之間，為更清晰地體現(xiàn)小幅度擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，圖2 的縱坐標(biāo)范圍設(shè)為±1 Hz；橫坐標(biāo)表示在一天中的時(shí)刻，分辨率為10 s；每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色表示該時(shí)刻頻移譜強(qiáng)度的最大值，數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置表示該時(shí)刻頻移譜強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的頻移量。自上而下的6 個(gè)子圖依次表示每4 小時(shí)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況。該日無其他特殊事件發(fā)生，由圖可見電離層多普勒頻移數(shù)據(jù)在一天中的常規(guī)變化規(guī)律。在08:00 UT 之后，頻移譜強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的頻移量整體變?yōu)樨?fù)值，與日落期間電離層中的無線電波反射高度逐漸升高有關(guān)；此后在夜間可見不同尺度的周期擾動(dòng)，通常由重力波引起；從21:30 UT 左右開始，頻移譜強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的頻移量整體轉(zhuǎn)為正值，對(duì)應(yīng)日出后無線電波在電離層中的反射高度逐漸降低。

圖2 2020 年3 月22 日北京北大站電離層高頻多普勒頻移圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

北京北大站的電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀由子午工程支持下開展長(zhǎng)期運(yùn)行觀測(cè)。本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)文件命名與格式符合子午工程（一期）的數(shù)據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在傳輸至子午工程數(shù)據(jù)中心后進(jìn)行規(guī)范性校驗(yàn)。

北京北大站的電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀的性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 性能指標(biāo)

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)連續(xù)性方面需注意以下幾種情況，在數(shù)據(jù)中具有不同表現(xiàn)：1）有時(shí)在電離層等離子密度較低的情況下，如夜間，雖監(jiān)測(cè)儀接收到的信號(hào)不會(huì)中斷，但信號(hào)強(qiáng)度不夠大，在FFT 頻譜中不存在足夠強(qiáng)的峰，因此也就無法獲得多普勒頻移量；2）設(shè)備正常運(yùn)行，但由于干擾等原因無法接收到信號(hào)，則相應(yīng)時(shí)間的頻移譜強(qiáng)度均為0；3）若出現(xiàn)斷電或設(shè)備故障等情況，數(shù)據(jù)將完全中斷，數(shù)據(jù)文件中無對(duì)應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)記錄。

2020 年全年期間，除少量的短時(shí)設(shè)備維護(hù)停機(jī)導(dǎo)致缺數(shù)外，北京北大站的電離層高頻多普勒監(jiān)測(cè)儀在364 天中都正常采集電離層高頻多普勒頻移數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)文件共計(jì)17 438 個(gè)，數(shù)據(jù)完整率超過99%。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

隨著我國(guó)空間科學(xué)事業(yè)的快速發(fā)展和空間領(lǐng)域各種應(yīng)用的不斷豐富，對(duì)近地空間環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警預(yù)報(bào)變得愈發(fā)重要。高頻多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)具有時(shí)間分辨率高、數(shù)據(jù)獲取成本低等特點(diǎn)，可作為監(jiān)測(cè)電離層擾動(dòng)的重要手段之一，能夠很好地滿足本領(lǐng)域的科學(xué)與應(yīng)用研究需要，如用于支持開展電離層擾動(dòng)，太陽(yáng)活動(dòng)和近地空間環(huán)境對(duì)電離層的影響，以及電離層與中高層大氣、磁層的耦合等方向研究。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文得到了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項(xiàng)目資助，并得到了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

胡曉彥（1987—），女，浙江省余姚市人，碩士，副研究員，研究方向?yàn)榭臻g科學(xué)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)服務(wù)。

郝永強(qiáng)（1979—），男，山東省煙臺(tái)市人，博士，副教授，研究方向?yàn)殡婋x層物理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集與處理加工。

代國(guó)峰（1997—），男，重慶市人，學(xué)士，研究生，研究方向?yàn)殡婋x層探測(cè)技術(shù)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集。

張東和（1964—），男，山東省臨沂市人，博士，教授，研究方向?yàn)殡婋x層物理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理過程管理。

肖 佐（1936—），男，山西省太原市人，學(xué)士，教授，研究方向?yàn)殡婋x層物理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析方法研究。