北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站（簡稱北京空間環(huán)境國家野外站，Beijing National Observatory of Space Environment）是2007年經(jīng)科技部批準(zhǔn)建立的國家野外科學(xué)觀測研究站。北京空間環(huán)境國家野外站定位于我國中低緯空間環(huán)境綜合觀測、空間物理理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，綜合了空間物理學(xué)、地球與空間探測技術(shù)兩個二級學(xué)科，形成了具有鮮明特色和典型學(xué)科代表性的四個方向：電離層物理學(xué)、中高層大氣物理學(xué)、地磁學(xué)和空間探測技術(shù)，聚焦于我國中部空間環(huán)境多尺度擾動變化特性和地磁、中高層大氣與電離層連續(xù)觀測研究。

北京空間環(huán)境國家野外站在觀測上立足北京主站，發(fā)展“一站四場三鏈”多設(shè)備綜合網(wǎng)絡(luò)（圖1）監(jiān)測我國中低緯空間環(huán)境大范圍結(jié)構(gòu)與變化；在科學(xué)上開展空間環(huán)境“南北耦合、上下耦合”等重大科學(xué)問題基礎(chǔ)研究和電離層空間天氣應(yīng)用基礎(chǔ)研究，側(cè)重低緯赤道源區(qū)對中緯空間環(huán)境的影響和驅(qū)動過程；在技術(shù)上突出對空間環(huán)境物質(zhì)遷移和不同圈層能量耦合過程的實驗探測診斷分析；在數(shù)據(jù)上積極推動共享和利用，建立國際化的空間環(huán)境數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺和鏡像站。

圖1 北京空間環(huán)境國家野外站實驗觀測場地和設(shè)備分布圖

北京空間環(huán)境國家野外站擁有電離層測高儀、流星雷達(dá)、相干散射雷達(dá)、非相干散射雷達(dá)、GNSS監(jiān)測儀、磁力儀、流星光學(xué)等監(jiān)測設(shè)備，對電離層、地磁和中高層大氣三個領(lǐng)域方向開展長期定位科學(xué)觀測。

1.電離層觀測

1.1.電離層測高儀

通過垂直發(fā)射掃頻高頻脈沖波，當(dāng)電波頻率等于電離層等離子體頻率時，信號發(fā)生反射。測量從電離層反射回波到達(dá)接收機(jī)的時間延遲，獲得各頻率點電離層虛高，即頻高圖。從觀測到的頻高圖，可度量反演獲得電離層參數(shù)、電子濃度剖面等。北京空間環(huán)境國家野外站在北京主站和武漢、樂東、三亞、桂林實驗觀測場布設(shè)有電離層測高儀對我國中低緯地區(qū)電離層特征參數(shù)和電離層結(jié)構(gòu)（電子濃度剖面）開展長期連續(xù)觀測，積累了長時間觀測數(shù)據(jù)，其中武漢實驗觀測場的電離層觀測開始于1946年，形成了我國歷史最長的電離層觀測數(shù)據(jù)資料。

圖2 電離層測高儀

1.2.電離層TEC和閃爍觀測儀

電離層TEC和閃爍觀測儀利用GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）衛(wèi)星信標(biāo)測量監(jiān)測電離層電子濃度總含量（TEC）和衛(wèi)星信號穿越電離層引起信號的幅度閃爍和相位閃爍。實時獲得觀測點上空多點的電離層TEC、電離層閃爍和不均勻結(jié)構(gòu)隨時間和空間變化。北京空間環(huán)境國家野外站建立了東亞/東南亞電離層不均勻體和閃爍監(jiān)測網(wǎng)，觀測電離層不均勻體和閃爍的產(chǎn)生、演變過程。

圖3 電離層GNSS TEC和閃爍監(jiān)測儀

1.3.電離層相干散射雷達(dá)

采用天線陣合成垂直于地球磁力線窄雷達(dá)波束，當(dāng)電離層中存在沿磁力線場向分布的不均勻體，其中不均結(jié)構(gòu)尺度為雷達(dá)信號波長一半時，會對雷達(dá)信號引起很強(qiáng)的后向散射（布拉格散射），通過測量雷達(dá)信號的這些散射回波，可獲得電離層不均勻體散射強(qiáng)度隨時間高度變化，不均勻體多普勒頻移和譜寬，從而觀測研究電離層中不均勻體特性和時空變化規(guī)律。

圖4 SIA24/6 VHF相干散射雷達(dá)

2.地磁觀測

地磁場是一個隨時間和空間變化的矢量場，通常采用觀測點直角坐標(biāo)系來描述。地磁場矢量的七要素分別為：北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z、水平強(qiáng)度H、磁偏角D、磁傾角I和總強(qiáng)度F。由于這七個參量不是獨立的，一般選擇測量三個獨立的地磁要素來描述地磁場變化。通常相對觀測使用HDZ要素，絕對觀測使用FDI要素。北京空間環(huán)境國家野外站擁有地磁絕對觀測和相對記錄，形成對地磁場三分量及變化的測量，并標(biāo)準(zhǔn)化處理為國際INTERMAGNET數(shù)據(jù)格式和IAGA2002數(shù)據(jù)格式。

圖6 地磁觀測系統(tǒng)

3.中高層大氣觀測

3.1.全天空無線電流星雷達(dá)

通過發(fā)射一定頻率無線電波，接收在70到110公里高度范圍上，由于流星進(jìn)入地球高層大氣與大氣摩擦燒蝕產(chǎn)生的電離氣體余跡的反射回波，并經(jīng)分析計算從而獲得該高度范圍內(nèi)流星通量、流星速度、大氣擴(kuò)散速度（可進(jìn)一步推出大氣溫度 ）、大氣風(fēng)速矢量等各種高層大氣的參數(shù)。北京空間環(huán)境國家野外站在北京主站，武漢、樂東實驗觀測場建有同類型全天空無線電流星雷達(dá)，開展覆蓋中緯到低緯的地基中高層大氣連續(xù)觀測。

圖7 全天空無線電流星雷達(dá)

4.流星觀測

4.1.流星不均勻體多波段探測系統(tǒng)

流星不均勻體多波段探測系統(tǒng)（英文簡稱：MIOS）包括多站光學(xué)子系統(tǒng)和無線電雷達(dá)子系統(tǒng)。MIOS多站光學(xué)子系統(tǒng)位于樂東、三亞實驗觀測場，用于觀測光學(xué)流星軌跡和光譜。MIOS無線電雷達(dá)子系統(tǒng)位于樂東實驗觀測場，包括相控陣天線陣列和全天空天線陣列。MIOS的探測對象為各種流星回波和場向、非場向不均勻體，并能夠?qū)夭ㄟM(jìn)行精確定位，揭示場向和非場向不均勻體的結(jié)構(gòu)演變，并確定產(chǎn)生/不產(chǎn)生不均勻體的流星體的特性。

圖8 MIOS相控陣天線陣列、光學(xué)攝像頭觀測陣和室內(nèi)主機(jī)