北京空间环境国家野外科学观测研究站

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北京空间环境国家野外科学观测研究站

北京空间环境国家野外科学观测研究站(Beijing National Observatory for Space Environment)隶属于中国科学院地质与地球物理研究所,2007经科技部批准建立国家野外科学观测研究站。拥有地磁、电离层和中高层大气多个学科的综合观测手段,以建在北京十三陵的空间环境观测站为主站,并与设在漠河、武汉和三亚的三个子站,形成沿东经120度子午线附近,从我国大陆最北端漠河到最南端三亚,纬度间隔约10度的均匀布局的空间环境综合观测研究台链形式,具有同时观测覆盖我国不同纬度上空不同空间层次(中高层大气、电离层、磁层等)空间环境不同参量的能力。

从地理位置上看,北京空间环境国家野外科学观测研究站观测范围经过东亚电离层异常区域及蒙古地磁场异常区域,以及电离层赤道异常区域和电离层SQ电流体系转向区域,跨越典型的空间环境中纬与低纬地区,是观测研究众多地球与空间物理现象和我国空间环境扰动南北传播特性的"黄金链";从空间层次上看,包括了地磁、电离层和中高层大气多种先进的连续观测手段,对于研究我国地球上空各圈层耦合过程具有重要意义;在学科上,观测研究内容综合了地球物理学一级学科中的两个二级学科,具有鲜明的特色和典型的学科代表性。此外,通过对该站观测数据的分析,对于开展我国空间环境模式和预报等研究,满足我国空间和国防工程应用也将发挥重要作用。

北京空间环境国家野外科学观测研究站的研究方向是:以台站对我国空间环境综合观测为基础,与国内外空间环境观测相互配合,开展地球空间环境中的磁层、电离层、中高层大气与地磁场扰动现象及其基本物理过程研究,注重地球空间环境整体行为及其不同层次相互耦合的研究,特别是我国空间环境的地区特性的研究。同时开展空间天气与空间气候的预报模式研究,以及相关的空间技术应用研究,力争满足有关空间应用领域的国家需求。具体研究方向为:

(1)磁层研究。通过地磁脉动、地磁扰动的观测,研究地球磁层的动力过程,重点是磁暴、磁层亚暴的产生机理、演变过程及相互关系。

(2)电离层研究。通过数字测高仪、电离层TEC及闪烁等电离层综合观测,研究电离层中的空间天气与空间气候,重点是电离层暴、电离层扰动、电离层多尺度变化特性。

(3)中高层大气研究。通过流星雷达、气辉等综合手段的观测,研究中高层大气动力过程,重点是重力波、潮汐、行星波等大气波动过程的激发与传播。

(4)磁层、电离层及中高层大气的耦合研究。通过台站的综合观测,重点研究磁层和电离层中的电流体系及中高层大气波动对电离层的作用。

(5)空间环境预报与应用研究。通过观测数据分析,建立我国上空空间环境不同参量的模式,开展空间环境现报与预报研究,并进行若干空间环境效应分析。

北京站

中国科学院地质与地球物理研究所北京观测站(116.2E,40.3N)位于北京昌平十三陵风景区的德胜口村以北约1公里的山谷中,占地27.5亩。台站始建于1985年10月,1990年8月建成地磁观测站。

◆ 2001年成为我国首个进入国际地磁台网(INTERMAGNET)的台站

◆ 2005年建成GDAS数字地磁记录观测系统,电离层GPS TEC观测仪

◆ 2006年建成电离层数字测高仪

◆ 2007年科技部批准建设北京空间环境国家野外科学观测研究站

◆ 2009年建立全天空流星雷达和气辉观测仪

◆ 2010年完成更新改造CHS矢量磁力仪,建立了台站监控系统

目前,北京观测站是中科院日地空间环境观测研究网络的骨干台站,北京空间环境国家野外科学观测研究站以及国家重大科技基础项目空间环境子午链工程的重要台站,已发展成为拥有地磁、电离层和中高层大气多学科综合观测手段的现代化地球物理野外台站。

漠河站

中国科学院地质与地球物理研究所漠河观测站(122.3E,53.5N)位于黑龙江省漠河县北极乡北约1公里处,是我国设在最北端开展空间环境观测到地球物理野外台站,它对于观测研究我国空间环境扰动(特别是来自北极高纬度地区扰动)及传播具有重要作用。台站始建于1988年,1991年建成地磁观测台。

◆ 2003年在中科院知识创新工程试点二期野外台站基础建设支持下,台站面积进行了扩大,达53亩,并新建地磁记录室和安装CB-3磁变仪

◆ 2005年开始发展新的地球空间环境综合手段,安装了高精度双频GPS电离层TEC观测仪

◆ 2008年安装新的LIME18三分量磁通门磁力仪等数字地磁记录设备,完成了漠河站从地磁模拟记录观测到数字记录观测到转变

◆ 2010年新的DPS4D数字测高仪和EMDR20流星雷达建成,新的综合办公楼开工建设

目前,漠河观测站是中科院日地空间环境观测研究网络的骨干台站,北京空间环境国家野外科学观测研究站的漠河观测子站和国家重大科技基础项目空间环境子午链工程的重要台站,已初步发展成为拥有地磁、电离层和中高层大气多学科综合观测手段的现代化地球物理野外台站。

武汉站

中国科学院地质与地球物理研究所武汉观测站(114.2E,30.5N)前身是始建于1946年武汉大学电离层观测站, 1956年,为迎接国际地球物理年,中科院地球物理研究所与武汉大学合作,建立了武汉电离层观像台,2004年成为中国科学院地质与地球物理研究所武汉观测站,该站是我国电离层观测历史最为悠久的台站之一,拥有60多年的观测数据。

◆ 1946年在武汉武昌珞珈山采用手动仪开始电离层垂测探测

◆ 1956年成立中科院地球物理研究所武汉电离层观像台,发展为电离层自动已进行电离层垂直探测

◆ 1982年发展成为高频多普勒台阵,长波等多手段观测的综合台站

◆ 1991年电离层自动仪更新为DGS256电离层数字测高仪

◆ 1998年我国首个网上自动频高图度量和发表系统建成

◆ 2002年我国首台流星雷达在武汉观测站建成

◆ 2010年更新为新的DPS4D电离层数字测高仪和EMDR20流星雷达

目前,武汉观测站是中科院日地空间环境观测研究网络的骨干台站,北京空间环境国家野外科学观测研究站的武汉观测子站和国家重大科技基础项目空间环境子午链工程的重要台站,已发展成为拥有地磁、电离层和中高层大气多学科综合观测手段的现代化地球物理野外台站。

三亚站

中国科学院地质与地球物理研究所三亚观测站(109.6E,18.4N)位于海南省三亚市田独镇大茅西约1公里处,是我国设在南端开展空间环境观测到地球物理野外台站,它对于观测研究我国空间环境低纬地区现象具有重要作用。台站始建于1998年,2003年建成地磁观测台。

◆ 2004年在中科院知识创新工程试点二期野外台站建设支持下,建立了GDAS数字地磁记录观测系统

◆ 2005年开始安装了高精度双频GPS电离层TEC和闪烁观测仪和北斗信号闪烁监测仪

◆ 2007年安装新的CADI电离层数字测高仪,LIME18三分量磁通门磁力仪等数字地磁记录设备

◆ 2009年建成了我国大陆首台VHF电离层相干散射/流星雷达

◆ 2010年更新了国际上最为先进的DPS4D数字测高仪

目前,三亚观测站是中科院日地空间环境观测研究网络的骨干台站,北京空间环境国家野外科学观测研究站的三亚观测子站和国家重大科技基础项目空间环境子午链工程的重要台站,已发展成为拥有地磁、电离层和中高层大气多学科综合观测手段的现代化地球物理野外台站。

地球电离层观测

电离层测高仪
 

通过垂直发射扫频高频脉冲波,当电波频率等于电离层等离子体频率时,信号发生反射。测量从电离层反射回波到达接收机的时间延迟,获得各频率点电离层虚高,即 频高图。从观测到的频高图,可度量反演获得电离层参数、电子浓度剖面等。

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DPS电离层数字测高仪
峰值功率:300W
信号编码:互补码,单脉冲
频率范围:0.5-- 30 MHz
频率最小步进:1 kHz
脉冲重复频率:100,200 Hz
高度窗口数:256,512
高度分辨率:2.5, 5.0, 10.0 km
动态范围:70 dB
接收机灵敏度:-130 dBm
接收机带宽:34 kHz /-6 dB
自动实时度量频高图,获得电离层参数和电子浓度剖面

GPS电离层TEC与闪烁观测仪
 

利用在地面接收GPS卫星发射的双频信号,由于不同频率信号引起不同的传播时延,通过测量分析双频信号的时延差,可获得地面接收点与GPS卫星间电波路径上的电离层电子浓度总含量(TEC);测量卫星信号穿越电离层时的幅度和相位起伏,可获得电离层的幅度闪烁和相位闪烁,实时获得观测点上空多点的电离层TEC、电离层闪烁和不均匀结构随时间和空间变化。此外,通过多星,多点接收可得到大范围甚至全球的电离层TEC地图。

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GSV4004电离层TEC与闪烁观测仪
工作频率:1557.42,1227.60MHz
卫星通道数:12
斜向相对TEC精度:优于0.02TECU(1TECU=1016电子/m2)
斜向绝对(伪码)TEC精度:优于1 TECU(不含硬件误差)
TEC时间分辨率:1S
闪烁探测参量:幅度闪烁指数S4、相位闪烁指数
幅度闪烁指数S4分辨率:优于0.05
相位闪烁指数分辨率:优于0.01
S4闪烁指数时间分辨率:1min.

 

VHF电离层相干散射雷达
 

采用天线阵合成垂直于地球磁力线窄雷达波束,当电离层中存在沿磁力线场向分布的不均匀体,其中不均结构尺度为雷达信号波长一半时,会对雷达信号引起很强的后向散射(布拉格散射),通过测量雷达信号的这些散射回波,可获得电离层不均匀体散射强度随时间高度变化,不均匀体多普勒频移和谱宽,从而观测研究电离层中不均匀体特性和时空变化规律。

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GSV4004电离层TEC与闪烁观测仪
SIA 电离层相干散射雷达
工作频率:47.%MHz
峰值功率:24 kW
天线增益: 22 dB
波束指向:23°north
波束宽度:Horz. 10°,Vert. 24 °
接收机带宽:18 – 400 kHz
增益范围:80 dB
脉冲编码: 4 bit Complementary
相干积累:4
脉冲重复频率:650Hz; 160 Hz
距离范围:80—200 km; 80—900km
距离分辨率:0.9 km; 4.8 km
天线形式: 12 x2 根5单元Yagi天线

地球中高层大气观测

全天空无线电流星雷达
 

通过发射一定频率无线电波,接收在70到110公里高度范围上,由于流星进入地球高层大气与大气摩擦烧蚀产生的电离气体余迹的反射回波,并经分析计算从而获得该高度范围内流星通量、流星速度、大气扩散速度(可进一步推出大气温度 )、大气风速矢量等各种高层大气的参数。

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MDR6流星雷达
雷达工作频率:38.9 MHz
发射信号带宽:±75 kHz
峰值功率:7.5kW
脉冲重复频率:500Hz
脉冲宽度:13us
最大脉冲占空比:10%
接收机通道数:5通道
探测参量:流星信号尾迹,大气风场,扩散系数等

气辉光谱成像观测仪
 

气辉是大气的原子和分子发光现象。通过对中层高度大气气辉强度空间成像,获得高层大气重力波水平和垂直传播参量;测量气辉谱线精细结构,可估算高层大气的温度。

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地磁场观测

地磁场是一个随时间和空间变化的矢量场,通常采用观测点直角坐标系来描述。地磁场矢量的七要素分别为:北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z、水平强度H、磁偏角D、磁倾角I和总强度F。由于这七个参量不是独立的,一般选择测量三个独立的地磁要素来描述地磁场变化。通常相对观测使用HDZ要素,绝对观测使用FDI要素。

 

三分量磁通门磁力仪
 

磁通门磁力仪是一种基于软磁材料磁化饱和时的非线性特性而工作的一种磁力计,在交变激励信号的磁化作用下,磁芯的导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化,从而使缠绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的调制信号,通过特定的检测电路,提取被测外磁场信息。将三个正交磁通门探头固定在同一框架上,用以记录地磁场的三个独立要素。

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LIME18高精度三分量磁通门磁力仪
磁场测量范围:±65 000 nT
测量分辨率:0.01 nT
测量转换系数:2.4 mV/nT
噪声水平(0.01—1 Hz):<10pT rms
温度漂移:<0.1nT/ °C
分量正交误差:<30 min of arc
工作温度范围:--10 to +50°
仪器功耗:<0.6 W1…255 s
仪器重量:1.2 kg

DI磁通门经纬仪
 

DI磁通门磁力仪是利用磁通门传感器轴向与外磁场正交时检出磁场为零的特点,将磁通门探头安装在经纬仪望远镜顶部制成的地磁场偏角D、倾角I观测仪器。

北京空间环境国家野外科学观测研究站
Mag01DI磁通门磁力仪
测量范围: 0.1nT 到 2mT
测量最大分辨率: 0.1 nT
温度漂移:0.01nT/ °C
校准准确度:0.1%
望远镜放大倍数:30X
条状水准泡灵敏度:30秒
度盘读数:微分计直读6秒
工作温度范围:-10 to +50°
工作湿度:<80%,非冷凝。
Overhauser磁力仪
 

仪器探头中充有富含质子且添加自由基的液体,在射频磁场轰击下,发生overhauser效应,产生大量极化质子并被偏转到旋转面,射频断电后,质子沿磁场方向旋进,通过测量旋进频率,进而得到磁场值。Overhauser磁力仪采用的是动态极化的方式,其旋进频率f与地磁场T关系为:T=23.4874 f

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GSM90F Ovehause磁力仪
测量范围:20000~120000nT
测量分辨率: 0.01 nT
绝对精度:0.2nT
采样率;1~3600秒
功耗:12V,最大时200mA,平均40mA
RS-232传输速率:115kb
梯度容限:>10000nT/m
长时间稳定:<0.05nT/年
工作温度范围:-40 to +60°

 

科研项目

基于北京空间环境国家野外科学观测研究站这一平台,相关观测研究人员申请和承担了一大批各类研究项目,包括国家973、863项目、自然科学基金、科技基础性工作专项、中科院野外台站能力建设、国家重大科技基础设施(子午工程)、国家重大科研仪器研制项目(三亚非相干散射雷达)等,提高了观测研究站的观测能力和研究水平,产生了一大批观测研究成果。

在研项目及课题落实情况统计

序号 课题名称 类别 代码 起始年限 总经费(万元)
1 磁层空间暴的能量传输与释放过程研究 973课题 2011-2013 25.3
2 子午工程 国家重大科技基础设施项目 2008-2012 1139
3 多卫星的原位电离层特征参量的分析与建模 863子课题 2012-2014 70
4 中低纬地区中尺度电离层行进式扰动的激发和传播研究 面上基金 41274162 2013-2016 80
5 太阳风暴的日冕行星际过程 重大基金 2011-2015 20
6 流星尾迹小尺度结构的VHF相干散射雷达观测研究 面上基金 41174136 2012-2015 80
7 中低纬电离层夜间特性及其机理研究 面上基金 41174137 2012-2015 80
8 中科院地质地球所地磁电离层监测设备业务化运行改造 国家863 2011-2013 200
9 低纬电离层天气扰动特征及其对太阳风的响应 重点基金 41231065 2013-2017 270
10 低太阳活动条件下中低纬电离层剖面结构 面上基金 41074112 2011-2013 49
11 敏捷数字电离层垂直探测技术与系统研制 面上基金 41127003 2012-2015 280
12 日地空间环境观测研究网络 院野外台网项目 2012-2014 600
13 金星磁尾电流片磁场结构的研究 青年基金 41104114 2012-2014 26
14 电离层与中高层大气空间天气过程及建模研究 973课题 2011CB811405 2011-2015 340
15 磁场重联扩散区次级磁岛结构演化规律和电子加速机制的研究 青年基金 41104092 2012-2014 25
16 子午工程运行 国家重大科技基础设施 2012-2015 641
17 探索月球 中国科学院科技创新交叉与合作团队 2013-2015 100
18 高纬磁层顶磁通量传输事件形成机制与结构演化研究 面上基金 41274171 2013-2016 80
19 院百人计划 2013-2016 270
20 等离子体层电子含量的统计分析与建模研究 面上基金 41274163 2013-2016 80
21 低纬电离层增层结构观测和模式研究 面上基金 41174138 2012-2015 70
22 120°E子午链上空电离层响应和应用模式 973课题 2012CB825604 2012-2016 460
23 中国科学院"百人计划"D类入选者专项经费 院"百人计划"D类入选者专项经费 2012-2014 60
24 电离层变化性及磁层-电离层的耦合 院重点部署项目课题 KZZD-EW-01-3 2012-2015 360
25 星载传感器的仿真实验和集成测试 重大仪器专项 ZDYZ2012-1 2013-2016 360
26 太阳活动性对中低纬电离层时空变化特征的影响 面上基金 41274161 2013-2016 80
27 电离层顶部电子浓度剖面的反演与建模研究 青年基金 41203113 2013-2015 26
28 基于核方法构建电离层参数短期预测模型 青年基金 41104106 2012-2014 25
29 太阳风-磁层能量耦合研究 863课题 2011-2013 20
30 地磁与电离层模式特征研究 中科院创新 2011-2013 80
31 太阳辐射的周期性变化对电离层电子浓度的调制作用 青年基金 41004068 2011-2013 20
32 基于北斗/GPS卫星信号的大气层析技术 中科院方向 2010-2013 35
33 磁层边界层动力学过程(部分2) 重点基金 2009-2013 20
34 地磁导航 863课题 2009-2013 720
35 地磁场时变模型评估与规范 973课题 2009-2013 40
36 热层及电离层耀斑响应的统计和模拟研究 青年基金 41004069 2011-2013 20
37 低太阳活动条件下中低纬电离层剖面结构 面上基金 41074112 2011-2013 80
38 低纬电离层E区不规则体特性观测研究 面上基金 41074113 2011-2013 50
39 电离层历史资料编研 科技基础性工作专项 2009-2013 883
40 地球内磁层磁场的几何结构特征 博士后基金特别 2012-2013 15
41 金星磁尾电流片拍动特性的研究 开放课题 2011-2013 4
42 反平行和分量重联中电子密度空穴的比较研究 博士后基金一等 2012-2013 5
43 引导场对磁场重联扩散区结构的影响 博士后基金特别 2012-2013 15
44 电离层天气指数化研究及其物理机制研究 面上基金 2010-2013 50
45 利用ARTEMIS卫星数据进行的月球与太阳风相互作用的研究 开放课题 2012-2013 10
46 利用多源观测数据改进太阳风三维运动学模型 青年基金 41104093 2011-2013 26
47 辐射带区域暴时磁场结构变化与电流分布研究 外协 2013-2015 14
48 冬季平流层增温期间中层大气和电离层的半日潮汐变化 面上基金 41374157 2014-2017 80
49 电离层谷区不均匀体的地区特性和产生机制研究 面上基金 41374163 2014-2017 80
50 低纬电离层对穿透电场的响应 青年基金 41374164 2014-2016 26
51 电离层热层对太阳耀斑的耦合响应 面上基金 41374162 2014-2017 80
52 低纬电离层F 区不均匀体时空演变特性研究 面上基金 41374164 2014-2017 95
53 亚暴期间近磁尾电场与等离子体对流关系研究 面上基金 41374171 2014-2017 80
54 电离层/热层系统模式化研究 优青基金 41322030 2014-2016 100
55 中科院电离层空间环境重点实验室经费 院重经费 2014年度 66.5
56 电离层变化性及相关物理过程 基金委创新群体 41321003 2014-2016 600
57 近磁尾高速流与背景等离子体相互作用区电流体系研究 青年科学基金项目 41404117 2015-2017 25
58 电离层太阳耀斑效应的研究 青年科学基金项目 41404127 2015-2017 25
59 基于120°E综合观测链的中纬Es形成机制研究 青年科学基金项目 41404128 2015-2017 26
60 水星磁层顶通量传输事件产生率及空间分布特征研究 青年科学基金项目 41404137 2015-2017 25
61 行星际磁场对金星弓激波位形的影响 青年科学基金项目 41404138 2015-2017 26
62 低纬电离层物理 优秀青年科学基金项目 41422404 2015-2017 100
63 电离层/热层春秋分不对称性研究 面上项目 41474133 2015-2018 100
64 磁尾等离子体片粒子注入与环电流形成关系的研究 面上项目 41474144 2015-2018 95
65 非均匀行星际磁场中源自镜像力的新的高能带电粒子传播效应研究 面上项目 41474154 2015-2018 100
66 利用金星快车数据进行金星离子逃逸率的参数化 面上项目 41474155 2015-2018 100
67 三亚非相干散射雷达 国家重大科研仪器研制项目 41427901 2015-2019 9851

 

以上资料收集于:http://bnose.geophys.ac.cn/

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