黑龙江漠河地球物理国家野外科学观测研究站（简称漠河站）以地球物理学科前沿科学问题为牵引，发挥在我国最北建站观测的独特地理优势（图 1），开展日地空间环境和固体地球圈层的多手段综合探测，注重日地空间环境和固体地球圈层的“上下耦合”及“内外响应”探测研究。在漠河站建设综合地球物理观测系统，对于提升国家空间安全保障能力，满足深地-深空探测需求，增强防灾减灾能力等方面具有重要意义。
漠河站是国家重大科技基础设施“东半球空间环境地基综合监测子午链”的骨干台站，是中国科学院日地空间环境观测研究网络核心台站，也是中国科学院地球与行星物理重点实验室的重要观测平台，凝聚了地球物理学、空间物理学和行星科学等学科的骨干研究力量。有力支撑了空间天气监测与空间环境“上下耦合”研究、地磁场对空间环境区域特性的调控研究、地球内部结构和圈层相互作用、行星探测装备研制及行星研究等多个方面。
图 1 漠河站地理位置图
漠河站配备的用于科研观测的主要设备包括用于地磁观测的磁通门磁力仪、磁通门经纬仪、感应式磁力仪等；用于电离层观测的电离层数字测高仪和GNSS电离层监测仪；用于中高层大气观测的全天空流星雷达和法布里-珀罗干涉仪；用于地震观测的宽频带地震仪、短周期地震仪等；另有大气电场仪和流星光学观测仪分别用于大气电场和流星天文观测。
1. 地磁观测
漠河站自1991年建站开始地磁观测。经过近三十年发展，已具备国际领先的综合地磁观测与记录系统（图 2）。地磁观测与记录系统包括地磁绝对观测设备磁通门经纬仪、Overhauser总场磁力仪和地磁相对记录设备磁通门磁力仪，形成对地磁场变化的测量；以及装有观测设备LEMI30进行地磁脉动观测。地磁观测流程参照国际标准《INTERMAGNET Technical Reference Manual》执行，最终数据根据北京数据中心制定的《地磁观测数据年度整理方法》进行整理后，转换为国际IAGA2002数据格式发布，供科研用户使用。
图 2 磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪和三分量磁通门磁力仪
2. 电离层观测
电离层测高仪观测
电离层测高仪通过垂直发射扫频高频脉冲电磁波，当电波频率等于电离层等离子体频率时，无线电波信号被电离层反射。测量从电离层反射的电波回波到达接收机的时间延迟，获得各频率点的电离层虚高，即电离层频高图。从观测到的电离层频高图，通过度量反演算法，可获得电离层参数如foF2、foF1、foE、hmF2、fmin等，还可得到电离层底部区域不同高度上的电子密度值，即电子密度剖面。
漠河站自2010年建成电离层测高仪，已经开展了连续的常规观测。设备采用美国DPS4D电离层测高仪（图 3），原始观测数据质量稳定可靠，积累了长时间的观测数据。制定了《电离层频高图参数提取标准和指南》，安排专人对原始数据进行参数标定。
图 3 漠河站测高仪天线
GNSS电离层监测仪观测
GNSS电离层监测仪通过接收GNSS（Global Navigation Satellite System）卫星信号开展电离层观测，具有覆盖面广、实时性强、时空分辨率好、测量精度高，以及不受天气影响等优点，在电离层空间天气与电离层气候学等研究领域得到了广泛应用。在地面采用GNSS接收机接收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和相位差，通过测量和分析双频GNSS信号的时延差和相位差，采用差分的方式消去观测方程中的未知量，可以获得地面接收点与GNSS卫星间电波路径上的电离层电子密度总含量（Total Electron Content，TEC），称为 GNSS-TEC，是一个十分重要的电离层参量。利用GNSS卫星观测数据反演的TEC参量，国内外学者对电离层进行了广泛的研究。
漠河站在2006年建成GNSS电离层监测仪至今已连续稳定观测十余年，目前采用自研的BG2 GNSS电离层监测仪（图 4），可同时接收GPS、GLONASS和北斗三种系统的卫星信号，获取各卫星信号的电离层TEC等参量；仪器结构紧凑，功耗低，自动化程度高，操作简便，实现了数据采集、传输和处理的全程自动化。漠河站制定了《GNSS数据处理标准》，开发了一套GNSS-TEC处理程序，采用netCDF格式存储TEC数据。
图 4 BG2 GNSS电离层监测仪
3. 中高层大气观测
全天空无线电流星雷达观测
中高层大气是日地耦合系统中的重要环节之一，是日地空间科学研究不可缺少的组成部分。中高层大气风场，是中高层大气系统中重要的动力学参量，它对于中高层大气以及上下层之间能量和动量的输运都起着巨大作用。为了有效的监测我国中纬地区中高层大气风场，漠河站建立了中高层大气观测仪器——全天空无线电流星雷达。它是中高层大气和空间环境监测研究最有效的手段之一，可实现对临近空间的大气参数的昼夜持续观测。
全天空无线电流星雷达是一种工作在30-60 MHz的某个固定频率的无线电雷达，利用流星尾迹返回无线电信号的多普勒频移速度，来估算流星尾迹在视线方向的速度，再结合反射回波的到达角，就可以得到70-110km流星发生区域的风场速度矢量。全天空无线电流星雷达通过空间分置的天线，采用干涉成像的技术，可以得到流星事件的流星位置、溅射速度等信息。通常情况，一个台站一天可以观测得到10000多颗流星。通过对一段时间内一定数量的流星事件进行统计分析与拟合反演，可以得到70-100 km高度上的中高层大气风场信息。
漠河站自2011年建成全天空无线电流星雷达，观测设备采用澳大利亚ATRAD公司EMDR20全天空无线电流星雷达（图 5）。
图 5 全天空流星雷达天线阵
法布里-珀罗干涉仪观测
中高层大气可以通过动力学作用影响电离层的时间演化和空间分布。对于漠河这个典型的中纬地区来说，电离层中的中高层大气动力学作用更是尤为显著，因此对中高层大气动力学要素的观测就十分重要。
在全天空流星雷达观测的基础上，漠河站布设了法布里-珀罗干涉仪（Fabry–Pérot interferometer，FPI）来拓展中性大气观测高度覆盖范围。FPI是一种具有高灵敏度、高光谱分辨率及高稳定性的被动光学观测仪器。FPI的主要观测目标为夜间中性成分发出的气辉，利用气辉中包含的多普勒频移和多普勒展宽对中性风场和温度进行反演。FPI通过对于892.0 nm、557.7 nm与630.0 nm波长的气辉进行观测，可以获取87 km、97 km和250 km高度的中性风场与温度信息。
漠河FPI通过激光定标追踪仪器状态，进一步组合不同方位角（仰角45°的北、东、南、西方向观测与垂直天顶观测）视线方向的气辉观测结果，最终可以反演获得夜间中性风矢量和中性温度的变化信息。漠河FPI具有高度的灵活性观测模式，可以根据科学目标自由设定，不同波长通道可以单独进行设定。FPI是一种非常重要的中高层大气动力学探测手段，其热层高度的探测结果对我们了解夜间电离层电子密度增强、午夜中性温度极大值、磁暴期间电离层响应等过程有着很大的帮助。
漠河站自2019年7月建成FPI，设备采用加拿大Keo Scientific Ltd.生产的FPI（图 6）。
图 6 法布里-珀罗干涉仪
4. 地震观测
地震学是探测地球内部最有效的探测手段，需要地震观测提供可靠的数据资料基础。宽频带地震仪（图 7）具有动态范围大、精度高、易于组网等特点。地震计将地震动信号转换为电压信号，并在GPS的精确授时下，数据采集器将电压信号转换为数字地震信号。漠河站因独特的地理位置，是我国可完全自主布设的大陆最北端地震台。以漠河站为长期观测基站，有助于拓展空间采样范围，更好地进行核爆监测、环境监测，以及俯冲带精细结构探测及动力学过程等科学研究。
漠河站自2020年8月建成地震台，目前运行良好。通过开展流动地震观测，近年来在我国东北地区进行了多期宽频带流动地震台阵观测（图 8和图 9）。
图 7 地震仪及附属设施构成
图 8 东北边境布设临江宽频带地震台
图 9 锡林浩特观测区短周期地震观测实际点位分布示意图