電離層效應(yīng)

根據(jù)信標(biāo)信號(hào)通過(guò)電離層的傳播特性來(lái)探測(cè)電離層特性參量的方法。利用火箭、衛(wèi)星等飛行器把信標(biāo)機(jī)帶到電離層上空，信標(biāo)信號(hào)通過(guò)電離層將產(chǎn)生頻率偏移、電波偏振面旋轉(zhuǎn)和閃爍等效應(yīng)。根據(jù)這些效應(yīng)來(lái)探測(cè)電離層特性的方法主要有:

信標(biāo)微分多普勒頻移法 信標(biāo)信號(hào)通過(guò)電離層的頻率偏移就是電離層多普勒效應(yīng)(見(jiàn)電離層無(wú)線電波傳播)。信標(biāo)信號(hào)頻率偏移通常包括運(yùn)動(dòng)效應(yīng)和介質(zhì)效應(yīng)，前者比后者大得多，而要分離它們頗費(fèi)周折。因此，根據(jù)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)與頻率成正比，而介質(zhì)效應(yīng)與頻率的平方成反比的特點(diǎn)，在飛行器上發(fā)射兩個(gè)不同倍數(shù)的倍頻信號(hào)，并在地面接收這兩個(gè)頻率信號(hào)，消去運(yùn)動(dòng)效應(yīng)項(xiàng)，剩下介質(zhì)效應(yīng)差分值，這就是微分多普勒頻移。利用這種方法可以推算沿電波路徑上的總電子含量。微分多普勒頻移對(duì)總電子含量的水平梯度十分敏感，故還可以用來(lái)研究電離層大尺度、中尺度的不均勻結(jié)構(gòu)和電離層行進(jìn)式擾動(dòng)(TID)等。

法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)法 電波通過(guò)電離層時(shí)偏振面旋轉(zhuǎn)稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(見(jiàn)電離層無(wú)線電波傳播)。某一點(diǎn)偏振面相對(duì)于原始偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與電波路徑上的總電子含量成一定比例，根據(jù)這一原理，在地面接收電離層上空的信標(biāo)機(jī)發(fā)射信號(hào)，測(cè)量其電波偏振面的旋轉(zhuǎn)角或它的時(shí)間變化率(稱法拉第頻率)，即可推算電波路徑上的總電子含量。為了消除旋轉(zhuǎn)角的多值性，通常采用的辦法是信標(biāo)機(jī)雙頻工作,即測(cè)量相隔一個(gè)小量Δf的兩個(gè)頻率的旋轉(zhuǎn)角差 ΔΩ來(lái)確定旋轉(zhuǎn)角Ω。這時(shí)，Ω=(2f/Δf)ΔΩ，式中f為信號(hào)頻率。因?yàn)樾D(zhuǎn)角與頻率平方成反比，所以為獲得較大的旋轉(zhuǎn)角值應(yīng)采用較低頻率，但為使電波能穿過(guò)電離層，采用的頻率又必須大于F層的臨界頻率。對(duì)20兆赫電波,穿過(guò)整個(gè)電離層后的旋轉(zhuǎn)角大約為10~50轉(zhuǎn),而100兆赫電波穿過(guò)電離層后的旋轉(zhuǎn)角則為0.4~2轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)測(cè)量對(duì)總電子含量的水平梯度是十分敏感的，故研究電離層大尺度、中尺度的不均勻結(jié)構(gòu)，電離層行進(jìn)式擾動(dòng)等現(xiàn)象是十分有用的。

閃爍效應(yīng)法 當(dāng)電波穿過(guò)電子密度不均勻的電離層時(shí)，就好像光通過(guò)光柵那樣，會(huì)產(chǎn)生"衍射"。而不均勻體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使衍射條紋相對(duì)地面移動(dòng)，于是地面接收信號(hào)的振幅和相位發(fā)生起伏變化。這種現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。接收衛(wèi)星信標(biāo)或外空射電星輻射，從高頻波段高端直到幾千兆赫的頻率，都能觀測(cè)到這種現(xiàn)象。通常在地面多點(diǎn)接收，分析閃爍現(xiàn)象的信標(biāo)信號(hào)信息，可以研究高層大氣小尺度不均勻結(jié)構(gòu)及其分布和運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@種閃爍現(xiàn)象在極區(qū)和赤道地區(qū)出現(xiàn)較多，所以常在這些地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。

TEC（Total Electron Content）及其變化不但是電離層形態(tài)學(xué)研究的重要資料，也是精密定位、導(dǎo)航和電波科學(xué)中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量，有助于研究電離層對(duì)電磁波傳播的影響. TEC是每平方米上從電離層底部（約90公里高度）的到電離層的頂部（大約1000公里高度）的電子數(shù)量總和。許多的TEC的測(cè)量是由GPS衛(wèi)監(jiān)測(cè)得到。目前，GPS的TEC監(jiān)測(cè)已經(jīng)被分布在很多國(guó)家的超過(guò)360個(gè)臺(tái)站所實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

電離層電子總含量TEC及其變化不但是電離層形態(tài)學(xué)研究的重要資料，也是精密定位、導(dǎo)航和電波科學(xué)中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量，有助于研究電離層對(duì)電磁波傳播的影響。電離層的預(yù)報(bào)目前有Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型等，GPS是主要的測(cè)量工具。在實(shí)際應(yīng)用中，電離層預(yù)報(bào)是對(duì)未來(lái)時(shí)刻地面上空一定高度的網(wǎng)格點(diǎn)的電子含量預(yù)報(bào)。目前國(guó)際上通常是每?jī)尚r(shí)給出經(jīng)度方向間隔5°、緯度方向間隔2.5°的電子含量，這樣每?jī)尚r(shí)全球共有5184 (72×72)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，使用最小二乘法擬合得出網(wǎng)格的TEC及GPS測(cè)量的硬件誤差。