2020 年北京北大站电离层高频多普勒频移数据集

胡晓彦，郝永强，代国峰，张东和，肖佐

1. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190

2. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871

引 言

电离层对高频无线电波的传播具有显著的影响，通过高频无线电波在电离层传播过程中的多普勒效应可以研究电离层等离子体密度和结构的扰动。

在地面向电离层发射无线电波，接收被电离层反射的回波，发射信号与接收信号之间的频率差即为电离层多普勒频移。假设信号源发射的无线电波只经历一次电离层反射后被地面接收机接收，则信号源和接收机的位置共同确定了发射路径以及反射点的位置和高度。若s为电波传播的路径，μ为路径上各位置等离子体对电波的散射指数，P为相路径，c为电波速度，t为时间，则频率为f的无线电波的多普勒频移可表示为[1]：

当电离层变化时，通过改变电波路径s，或者路径上的等离子体散射指数μ，都将导致无线电波的多普勒频移发生变化。电离层的变化包括大时间尺度的周期性变化，如日出日落、季节更替等引起的日变化、年变化等；也包括短时间内的空间环境状态突然变化，如日食、磁暴等事件引起的扰动。此外，对于低层大气中的一些能量活动，如地震、火山、台风等，在电离层多普勒观测中也常能发现与这些事件相关的电离层扰动[2-5]。

北京大学于20 世纪80 年代自主设计了DQ-87 型地球物理数据采集和处理系统[6]，并利用该设备进行了长期、持续的电离层高频多普勒观测。2010 年，在子午工程支持下，北京大学设计建成了新一代电离层高频多普勒监测仪。该设备接收来自国家授时中心（35.0°N，109.5°E）的10 MHz 短波授时信号，通过与标准10 MHz 频率相比较，连续监测该信号的电离层多普勒频移量。本数据集即为部署于北京北大站（116.31°E，40.00°N）的电离层高频多普勒监测仪于2020 年全年观测得到的电离层高频多普勒频移数据。

1 数据采集和处理方法

电离层高频多普勒监测仪使用短波天线连续接收10 MHz 授时短波信号。由于信号在电离层传播过程中的多普勒频移效应，天线接收到的信号频率相对于10 MHz 稍有变化。这个频率的变化量就是需要提取出来的关键观测信息。

电离层高频多普勒监测仪采用一个标准频率源，该频率源利用GNSS（Global Navigation Satellite System）驯服的恒温晶振，提供非常稳定及准确的标准10 MHz 信号。将天线接收到的短波信号，与标准10 MHz 信号相比较，即可计算得到电离层导致的频率偏移量。具体来说，处理过程分为两个步骤：1）取两个信号的差拍，得到一个频率为多普勒频移量的信号；2）将该差拍信号输入计算机进行AD（Analog-to-Digital）采样，并通过快速傅里叶变换（FFT）对信号离散序列进行频谱分析，得到频移量。对每10 s 的信号离散序列进行FFT 分析，所得频谱的频率分辨率为0.1 Hz。对于10 MHz 的标准频率源，电离层导致的多普勒频移一般不超过±3 Hz。

2 数据样本描述

本数据集由一系列具有相同时间分割、相同组织形式的数据文件组成，每30 min 形成一个dat格式文件，记录差拍信号的FFT 频谱。数据文件内容由文件头和数据记录区组成。文件头共4 行，包括设备信息、时间分辨率、频率分辨率、数据项名称等信息。数据记录区以行列形式存储，各列代表的数据项分别为年、月、日、时、分、秒，以及-3.00 Hz～2.90 Hz 范围内每0.1 Hz 为间隔的共计60 个频移点的功率谱强度信息。时间系统为世界时（Universal Time, UT）。具体的数据项格式如表1 所示，数据样例如图1 所示（由于数据记录区共计66 列，为便于样例展示，在图1 中进行了自动换行，实际文件中的每行数据在图中显示为各5 行）。

图1 北京北大站电离层高频多普勒频移数据文件样例

图2 是基于2020 年3 月22 日北京北大站的电离层高频多普勒频移数据绘制的图像。图中纵坐标表示频移量，由于绝大多数数据点的频移量在±1 Hz 之间，为更清晰地体现小幅度扰动结构，图2 的纵坐标范围设为±1 Hz；横坐标表示在一天中的时刻，分辨率为10 s；每个数据点的颜色表示该时刻频移谱强度的最大值，数据点的位置表示该时刻频移谱强度最大值对应的频移量。自上而下的6 个子图依次表示每4 小时时间段内的数据变化情况。该日无其他特殊事件发生，由图可见电离层多普勒频移数据在一天中的常规变化规律。在08:00 UT 之后，频移谱强度最大值对应的频移量整体变为负值，与日落期间电离层中的无线电波反射高度逐渐升高有关；此后在夜间可见不同尺度的周期扰动，通常由重力波引起；从21:30 UT 左右开始，频移谱强度最大值对应的频移量整体转为正值，对应日出后无线电波在电离层中的反射高度逐渐降低。

图2 2020 年3 月22 日北京北大站电离层高频多普勒频移图

3 数据质量控制和评估

北京北大站的电离层高频多普勒监测仪由子午工程支持下开展长期运行观测。本数据集的数据文件命名与格式符合子午工程（一期）的数据产品标准规范，并在传输至子午工程数据中心后进行规范性校验。

北京北大站的电离层高频多普勒监测仪的性能指标如表2 所示。

表2 性能指标

本数据集的数据连续性方面需注意以下几种情况，在数据中具有不同表现：1）有时在电离层等离子密度较低的情况下，如夜间，虽监测仪接收到的信号不会中断，但信号强度不够大，在FFT 频谱中不存在足够强的峰，因此也就无法获得多普勒频移量；2）设备正常运行，但由于干扰等原因无法接收到信号，则相应时间的频移谱强度均为0；3）若出现断电或设备故障等情况，数据将完全中断，数据文件中无对应时间段的数据记录。

2020 年全年期间，除少量的短时设备维护停机导致缺数外，北京北大站的电离层高频多普勒监测仪在364 天中都正常采集电离层高频多普勒频移数据，形成数据文件共计17 438 个，数据完整率超过99%。

4 数据价值

随着我国空间科学事业的快速发展和空间领域各种应用的不断丰富，对近地空间环境进行实时监控和预警预报变得愈发重要。高频多普勒观测数据具有时间分辨率高、数据获取成本低等特点，可作为监测电离层扰动的重要手段之一，能够很好地满足本领域的科学与应用研究需要，如用于支持开展电离层扰动，太阳活动和近地空间环境对电离层的影响，以及电离层与中高层大气、磁层的耦合等方向研究。

致 谢

本数据论文得到了国家重大科技基础设施子午工程项目资助，并得到了国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（https://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。

数据作者分工职责

胡晓彦（1987—），女，浙江省余姚市人，硕士，副研究员，研究方向为空间科学数据管理与应用。主要承担工作：数据管理与数据服务。

郝永强（1979—），男，山东省烟台市人，博士，副教授，研究方向为电离层物理。主要承担工作：数据采集与处理加工。

代国峰（1997—），男，重庆市人，学士，研究生，研究方向为电离层探测技术。主要承担工作：数据采集。

张东和（1964—），男，山东省临沂市人，博士，教授，研究方向为电离层物理。主要承担工作：数据处理过程管理。

肖 佐（1936—），男，山西省太原市人，学士，教授，研究方向为电离层物理。主要承担工作：数据分析方法研究。