况下）。在第二频率上对调制码进行改进后将显著提高第二频率信号的可获得率。但是，在航空领域，由于考虑到生命安全性，仍然需要一个被保护的频带，而新增的第三频率就符合此项要求[4]。
1.2 研究意义
电离层不仅是地球天然保护层，使我们能避免直接受到太阳紫外辐射和其它宇宙高能粒子作用，还是现代科技环境下人们交流“桥梁”，没有它我们将很难维持远距离无线电通信。但同时，电离层扰动会直接影响通信的可靠性。因此，为最有效实行短波无线通信，我们必须研究电离层的各种性质和变化规律。作为近地空间环境重要组成部分，电离层是人们认识自身生存环境的一个重要方面；从应用角度来看，凡涉及电波传播和电磁环境的技术领域，如通信、广播、导航、定位等都十分重视电离层效应研究。
利用GPS精确研究与监测区域和全球电离层TEC的变化规律和特性，特别是监测我国上空电离层TEC活动状况，对深入了解电离层精细结构、变化规律及其对无线电信号的干扰机制，探求有效监测和预报电离层突发事件的方法，进一步提高中国区域内空间环境灾害减灾、防灾能力等具有重要科学意义和参考价值。比较典型的例子是利用电离层TEC异常来预报地震。地震是人类面临最大的自然灾害之一，成功预报地震，可最大限度减少人们生命财产的损失。地震时人类面临最大的自然灾害至一，成功预报地震，可最大限度减少人们生命财产的损失。地震与电离层的耦合关系非常复杂，对其机理的解释目前仍在发展与讨论中。进一步研究电离层异常现象与地震的统计规律，将开启地震预报领域新的篇章[12]。
1.3 研究现状
电离层电波传播非常复杂，涉及电波在等离子体、非均匀媒质、随机媒质和非线性媒质中的传播问题。虽然电离层对星载无线电系统性能的影响是各种传播效应的综合，但是它们的作用机理不同，需要分别对待。电波传播工作者们习惯将其按照作用机理和研究方法分为两大类：一类是无随机变化的电离层对信号传播的影响，利用确定性方法研究：另一类是随机起伏电子密度不规则体引起的随机信号传播，利用随机和统计方法研究。本文主要采用确定性方法研究[2,7]。
1.3.1 电离层信号传播问题
电离层作为沉浸在地磁场中的等离子体，表现为色散、双折射和各向异性等 特性的复杂介质，对于电波传播理论与应用研究来说，是最令人感兴趣的介质之 一。关于背景电离层传播问题，是过去几十年中很多研究工作的主题，因而较早 被人们所认识。背景电离层对电波影响表现为：衰减、吸收、相移、时延、色散、极化旋转、折射和多径效应等。电离层对于10GHz以下的无线电波都有影响，特别地，可能会导致1GHz频率以下电磁波的任意一个甚至所有基本参数发生变化。振幅可能会受到吸收、大尺度聚焦或小尺度衍射效应的影响；到达角可能会由于折射或绕射效应而发生变化：瞬时频率可能会受到接收相位起伏的影响，而极化可能会出于磁等离子体裂变及其引起的吸收、折射和相位变化而影响。1932年，Appleton建立了完整的磁离子理论，并提出了电波折射指数Appleton-Hartree公式，它很好地描述了背景电离层传播问题。再加上后来发展的不均匀媒质射线追踪方法、WKB和全波解方法等，从而建立了背景电离层传播的理论体系。 1.3.2 穿过电离层不规则体的随机信号传播问题
1946年射电星信号电离层闪烁现象的发现，开辟了电离层不规则特性、电离 层闪烁和随机电离层电波传播研究等新领域瞄J。电离层电子密度不规则体会引起电波的幅度、相位、到达角和极化等参数起伏，其中以幅度和相位闪烁研究居多。
几十年来，随机介质中波传播和散射的理论和方法发展很快。从历史上看，连续随机媒质波传播严格理论早期由前苏联科学家们建立起来。最初的电离层随机波传播是薄相位屏衍射理论，认为电离层的作用好似一个仅仅改变相位的薄屏，它在早期广泛用于电离层闪烁和行星际闪烁的研究中。早在50年代后期，Tatarskii埔就采用Rytov近似法，并引入湍流的统计理论而获得成功。后来，很多学者研究了Rytov解的成立范围，随后也被用来研究电离层闪烁。Rytov近似解描述复场的对数量，而其它很多理论方法描述复场本身。另外，还有单散射近似下的Born近似解和几何光学近似。还有由量子力学引入的作图法，它是微扰法的一种，最初是Bourret接着是Tatarskii将其引入随机介质波传播研究中，比较作图法和Born近似，已经可以看到多次散射对波的影响。实验表明，振幅闪烁的Rytov解当闪烁指数S4接近0.3时仍然成立，而相位涨落的Rytov解成立
的范围更宽些。研究结果表明，以Rytov解为核心的弱起伏理论是比较满意的，弱起伏情况下，闪烁指数、互相干函数以及谱密度都可以利用相位屏理论或者Rytov解来计算。
第2章 电离层信号传播理论基础
作为地球大气层和空间环境的重要组成部分之一，电离层含有大量电离的自由电子和离子，介质特性非常复杂，对穿过其间的无线电波产生各种影响，其中一个重要的参数即是TEC。要对TEC进行获取，首先越须清楚电离层介质本身的各方面特性，这是深入研究电离层无线电波传播的条件。本章首先介绍电离层诸多特性，包括电离层分层结构、电离层异常现象和电离层不规则体的产生机理、表征方法等。电离层对无线电信号引起多种影响，通过电离层TEC反映电离层背景和很大尺度电子密度结构对卫星信号的传播影响。电离层TEC和电子密度分布具有时空变化特征，对卫星信号传播的相位．极化、时延和频率等产生影响，具体包括相位超前(相移)、Faraday旋转、群时延、色散、Doppler频移等。本章为后续章节研究奠定了理论基础。
2.1 电离层介质特性简介
2.1.1 电离层的分层结构
由于重力作用，地球大气基本上形成了水平分层结构。对于电离层，由于在几个高度上有电子生成率的极大，在一定高度以下，电子数密度的分布不可能是重力扩散平衡的，存在几个电子数密度的峰值，形成几个分区。这可以在电离层测高仪的频高图上清楚地反映出来。电离层的分层状况以及各层电子密度峰值大小随时间(日、季节和太阳周等)、地理位置(极区、极光带、中纬度以及赤道)和太阳活动(太阳耀斑等)的变化非常大。
首先，从大尺度的角度看，电离层通常按照电子密度峰值高度分为四个区域：D区、E区、F区和顶部以上。表2.1给出了电离层结构空间变化信息，在空间上呈现出电子密度随高度分层变化的特征[3]。
各区表现出对无线电系统的不同影响。D区电子和离子的频繁碰撞导致电波能量转移，在白天对无线电波的吸收起主要作用。E区白天足以反射频率为几兆赫的无线电波，夜间无太阳辐射，电子密度会降低一到两个数量级。另外，经常会形成Es层结构。F区及顶部对电波的反射起主要作用，地面的短波通信和雷达系统主要靠其反射实现。特别在夜晚，经常有由不稳定性产生的电子密度不规则体结构影响电波传播。F区的状态是通信系统设计和运行最关心的问题之一。
电离层是一个复杂的非线性动力学系统，其中存在各种光化学、动力学、电
动力学等物理过程和化学反应，因而除了规则的太阳周、年、月和周日变化外，还存在各种异常现象，比如F区赤道异常。太阳扰动会产生相应的电离层效应，太阳耀斑爆发会导致电离层突然骚扰(SID)和电离层暴等[4]。
表2.1 电离层的分层状况（引自文献[3]）
2.1.2 GPS信号传播有关的部分参数
如果碰撞不能忽略，电离层GPS信号传播的折射指数可以表达为Appleton-Hartree公式，也就是电磁波在等离子体中传播的色散关系式：
Xn2?1?122422?Ysin?Ysin?22?1?jZ????Ycos??2??21?X?jZ?4(1?X?jZ)? （2.1）
上式涉及三个参数X，Y和Z，即所谓Appleton参数，它们是：
2?pX?2?
??H?Y??B
?Z?
v?
（2.2）
θ:电波法向和地磁场夹角。对于电子，矢量Y的方向与外磁场的方向相反，对于正离子，矢量Y的方向与外磁场的方向相同。(2.2)式中v为自由电子与重粒子碰撞频率，wp是等离子体频率，wH是磁旋频率，它们的定义为：
2eB0Nee2?H??p?m ?om
（2.3）
B0：地磁场强度，e：电子电量，m：电子质量，ne：电子浓度，ε0：自由空间介电常数。存在外加磁场时，等离子体被磁化，磁化等离子体是一种双折射介质，或称各向异性介质。在方程(2.1)中，“+”和“-”符号分别表示寻常波和非寻常波。由Appleton-Hartree公式可以看出，电离层浸在地磁场中，表现如下特征