摘要&关键词
摘要：电离层高频多普勒效应是电离层扰动对被其反射的高频无线电波产生的影响。从多普勒频移可以获知电离层反射面的垂直运动（多普勒速度）等重要信息，对电离层扰动的监测和研究具有重要的意义。本数据集由北京北大站（116.31°E，40.00°N）电离层高频多普勒监测仪观测形成，通过接收经电离层反射的国家授时中心10 MHz标准授时信号，对接收信号与标准频率信号差拍后进行快速傅里叶（FFT）分析得到频移谱结果。通过该数据可获得信号的频移及对应的电离层多普勒速度等信息，能够为电离层空间环境研究和应用提供良好的数据支持。
关键词：电离层；电离层高频多普勒监测仪；电离层扰动；子午工程
Abstract & Keywords
Abstract:?Ionospheric Doppler shift is the frequency shift of radio waves reflected by the disturbed ionosphere. The variations of the ionosphere, such as its vertical movements (Doppler velocity), can be obtained from the frequency shift. The important information is useful for monitoring and studying ionospheric disturbances. This dataset was generated by the ionospheric high-frequency Doppler shift monitor of the Peking University Ionosphere Station. The monitor received the short-wave time signal broadcast from the National Time Service Centre, and performed the Fast Fourier Transform (FFT) on the difference between the received signal and the standard reference signal to obtain the frequency shift spectrum results. The dataset can be used to obtain the Doppler shift and corresponding Doppler velocity, which can provide data support for space environment research and applications.
Keywords:?ionosphere;?ionospheric high-frequency Doppler shift monitor;?ionospheric disturbance;?Meridian Project
数据库（集）基本信息简介
| 数据库（集）名称 | 北京北大站电离层高频多普勒频移数据 |
| 数据作者 | 北京大学 |
| 数据通信邮箱 | zhangdh@pku.edu.cn |
| 数据时间范围 | 2020年全年 |
| 地理区域 | 北京北大站（116.31°E，40.00°N） |
| 数据量 | 295.88 MB |
| 数据格式 | *.dat |
| 数据服务系统网址 | http://dx.doi.org/10.12176/01.06.031 |
| 基金项目 | 国家重大科技基础设施子午工程 |
| 数据库（集）组成 | 本数据集由一系列数据文件组成，覆盖2020年全年，每30 min形成一个数据文件，共包括17438个文件。数据文件由文件头和数据记录区组成。文件头记录了设备信息、时间分辨率、频率分辨率、数据项名称等信息；数据记录区按行列存储，时间分辨率为10s，各列分别为年、月、日、时、分、秒以及60个频移点的频移谱强度。 |
Dataset Profile
| Title | Ionospheric High Frequency Doppler Shift Data at Peking University Ionosphere Station |
| Data correspondence | zhangdh@pku.edu.cn |
| Data author | Peking University |
| Time range | 2020 |
| Geographical scope | Peking University Ionosphere Station (116.31° E，40.00° N) |
| Data volume | 295.88 MB |
| Data format | *.dat |
| Data service system | <http://dx.doi.org/10.12176/01.06.031> |
| Source of funding | Meridian Project |
| Dataset composition | The dataset consists of a set of data files for the entire year of 2020, including a total of 17,438 files. Each data file consists of a file header and data records. The file header records information about the device, time resolution, frequency resolution and names of data items. The data records are stored in rows with a time resolution of 10 s. The columns indicate the year, month, day, hour, minute and second as well as the intensities of frequency shift spectrum for 60 frequency points. |
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]：
\(?f=-\frac{f}{\mathrm{c}}\frac{dP}{dt}\) ， \(P={\int }_{s}\mu ds\) (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[2,3,4,5]。
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）。
表1 ? 电离层高频多普勒频移数据项格式
| 序号 | 数据项中文名 | 数据项英文名 | 记录格式 | 物理单位 （中/英文） | 无效缺省值 | 数值范围 |
| 1 | 年 | YEAR | I4 | / | 1000～3000 | |
| 2 | 月 | MON | I2 | / | 1～12 | |
| 3 | 日 | DAY | I2 | / | 1～31 | |
| 4 | 时 | HOUR | I2 | 小时/hour | / | 0～23 |
| 5 | 分 | MIN | I2 | 分钟/minute | / | 0～59 |
| 6 | 秒 | SEC | I2 | 秒/second | / | 0～59 |
| 7 | ?3.00 Hz 频移谱强度 | ?3.00 Hz POWER STRENGTH | F6.1 | 0.0 | 0.0～9999.9 | |
| 8 | ?2.90 Hz 频移谱强度 | ?2.90 Hz POWER STRENGTH | F6.1 | 0.0 | 0.0～9999.9 | |
| … | ||||||
| 67 | 2.90 Hz 频移谱强度 | 2.90 Hz POWER STRENGTH | F6.1 | 0.0 | 0.0～9999.9 |
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
| 名称 | 性能指标 |
| 10 MHz标准频率源准确度 | 小于10-12 |
| 10 MHz标准频率源稳定度 | 100 s：小于5×10-12；一天：小于1×10-12 |
| 时间分辨率 | 10 s |
| 频率分辨率 | 0.1 Hz |
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17438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。
[1]
DAVIES K, BAKER D M. On frequency variations of lonospherically propagated HF radio signals[J]. Radio Science, 1966, 1(5): 545–556. DOI:10.1002/rds196615545.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
[2]
XIAO Z, XIAO S G, HAO Y Q, et al. Morphological features of ionospheric response to typhoon[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2007, 112(A4). DOI:10.1029/2006ja011671.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
[3]
HAO Y Q, XIAO Z, ZHANG D H. Responses of the ionosphere to the great Sumatra earthquake and volcanic eruption of Pinatubo[J]. Chinese Physics Letters, 2006, 23(7): 1955–. DOI:10.1088/0256-307x/23/7/082.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
[4]
HAO Y Q, XIAO Z, ZHANG D H. Multi-instrument observation on co-seismic ionospheric effects after great Tohoku earthquake[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2012, 117(A2). DOI:10.1029/2011ja017036.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
[5]
ZHAO B Q, HAO Y Q. Ionospheric and geomagnetic disturbances caused by the 2008 Wenchuan earthquake: a revisit[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2015, 120(7): 5758–5777. DOI:10.1002/2015ja021035.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
[6]
肖佐, 霍宏暹, 邹积清, 等. DQ-87型地球物理数据采集和处理系统[J]. 地球物理学报, 1987, 30(6): 653–658.
+?CSCD?·?Baidu Scholar
数据引用格式
北京大学. 北京北大站电离层高频多普勒频移数据[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2011-01-01). DOI:10.12176/01.06.031.
稿件与作者信息
论文引用格式
胡晓彦, 郝永强, 代国峰, 等. 2020年北京北大站电离层高频多普勒频移数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2021, 6(2). (2021-03-17). DOI: 10.11922/csdata.2021.0021.zh.
胡晓彦Hu Xiaoyan
主要承担工作：数据管理与数据服务。
（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。
郝永强Hao Yongqiang
主要承担工作：数据采集与处理加工。
hao@pku.edu.cn
（1979—），男，山东省烟台市人，博士，副教授，研究方向为电离层物理。
代国峰Dai Guofeng
主要承担工作：数据采集。
（1997—），男，重庆市人，学士，研究生，研究方向为电离层探测技术。
张东和Zhang Donghe
主要承担工作：数据处理过程管理。
（1964—），男，山东省临沂市人，博士，教授，研究方向为电离层物理。
肖佐Xiao Zuo
主要承担工作：数据分析方法研究。
（1936—），男，山西省太原市人，学士，教授，研究方向为电离层物理。
