[9]
：
1 色散的：它的折射指数是频率的函数，群速度不一定等于相速度。 2 吸收的：电离层折射指数是复数的，具有实部和虚部。吸收总是耗散的，表明能量通过由碰撞变为热能而保持守恒。
3 双折射的：由于地磁场和自由电子运动的存在，折射指数具有两个分立的值。这个特性表明两个可能的传播路径，每个路径由不同的相位和群速度表征。 4 各向异性的：两个折射指数中的每一个分别是关于恒定波相位平面法向相对于背景地磁场的指向的函数。
在VHF频段以上，近似认为吸收项为零，也就是(2.1)式中的U=l一jZ=l。除了那些几乎精确垂直于磁场的方向以外，其它方向的传播都可视为准纵传播[2],
那么：
n?1?X(1?Ycos?)/2
(2.4)
如果磁离子射线裂变可忽略，在VHF以上频率，x<<1，(2.1)进一步简化为：
n?1?X/2
(2.5)
为了描述电离层对星一地链路电波传播影响，人们引入电离层总电子含量(TEC)，它是一个非常重要的参量：
TEC??Ne(s)dss (2.6)
式中积分沿传播路径s进行，TEC单位：TECU=lxl016el/m2。由于电子密度的 时空变化，导致其路径积分值TEC也随着变化。电离层TEC具有相对规律的日、 季节和太阳周期变化，并且强烈地依赖于地理位置和太阳、地磁活动状态，垂直 路径TEC的变化值为1016～1018电子/m2。 2.1.3 电离层不规则体及其表征方法
电离层中存在各种尺度的电子密度不规则体结构，导致电离层TEC的时空变化和卫星信号发生闪烁。电离层不规则体具有宽广的尺度谱，其产生机理与电子密度梯度不稳定性、大电场引起的双流不稳定性及中性大气重力波等相联系，并
与太阳及地磁活动等有一定关系。
电离层不规则体主要集中于E层和F层，大尺度不规则体主要表现为ES层和扩展F等结构。电离层不规则体的观测、形态与形成机理的研究一直是电离层研究中最活跃的领域之一。研究表明，在赤道和高纬产生的电离层不规则体可能起因于几种相应的不稳定性之一(Rayleigh—Taylor、梯度漂移、电流迁移、通量管互换等)，再加上电子沉降和剪切机制[9]。在赤道区域，大尺度结构或赤道扩展F的主要产生机理是Rayleigh-Taylor不稳定性；而在高纬，认为电子密度不规则体主要由梯度漂移不稳定性产生。在高纬地区，极光闪烁表现得比赤道闪烁更不规则，可能发生在地方时白天或夜间的任何时刻，增强的地磁活动会带来更强的闪烁。极光由来自太阳风的高能电子产生，它们在极区有时可以突破地磁场的屏障，从而电离原子导致电子密度的增加。因为极光效应是由太阳风和地球磁场与太阳磁场的耦合产生的，这些效应发生的频度和严重程度依赖于太阳活动。在它们对于穿透电离层的传播效应中，赤道F区不规则体效应使得高纬区的效应相形见绌。通过对不稳定性机制进行理论上的探究和雷达后向散射、火箭和卫星的就地测量，表明夜间赤道不规则体在日落后由不稳定性的底部发生，属于Rayleigh—Taylor型。电子密度耗空的电离层泡起于F2层峰值以上区域，在电离层洞边缘的陡峭梯度有助于形成较小尺度的不规则体，它们会产生很强的闪烁
[9]
[7]
。
不规则体可导致信号的极化起伏，它归因于小尺度不规则体的闪烁(此尺度
与Fresnel半径尺度有关系)，观测和研究结果发现它在频率高于300MHz的时候可以忽略，甚至当严重的振幅闪烁存在时亦可如此。对于星载无线电系统的测距、成像等性能的提高在相当大的程度上依赖于所使用频段范围内电离层的平稳性，电离层不规则体的时空特性与相应的相位和振幅闪烁最终相关。如果信号带宽内不同频率的闪烁之间表现为统计不相关，则为频率选择信道。当所用带宽超过电离层信道的相干带宽时会出现频率选择闪烁，宽带系统更易发生。
电离层闪烁的地理分布示于图2.1[9]，闪烁的严重程度在图中用交叉的斜线表示。振幅闪烁强度可以用信号强度的归一化方差衡量，它反映衰落的深度，而相位闪烁用相位的方差描述。从全球来看，绝大多数电离不规则体在地磁赤道北和南200的地理区域与纬度高于550～600之上的极区。赤道闪烁大约发生在地方时20：00～02：00之间，通常可能在VHF／UHF频段发生饱和的Rayleigh振幅衰落，
偶尔在L波段也可发生饱和闪烁。赤道附近闪烁比中纬和高纬的闪烁强，引起闪烁的不规则体主要位于高度200～1000km的F层内，高纬和赤道不规则体的主要扰动区域在250-400km之间。有时位于90至100km范围内的E层不规则体也会产生闪烁，特别是Es和极光E层。。现在普遍认为当空问波数大于“冻结”尺度时，谱表现为k-4形式，当尺度大小在“冻结”尺度到外尺度之间，谱为k-2.3和k-2.7之间。外尺度变化范围为10～100km，而“冻结”尺度变化范围为150～1000m。一种观点认为电离层不规则体结构是一个厚层(200km)，从F层的底部向上扩展，电子密度起伏量级是平均电子密度的50-100%。实验表明，在很宽的频域上存在着电离层不规则性，Booker用合成谱图对此做了很好的总结，这个合成谱图跨越8个数量级，相应于空间尺度从电子回旋半径到地球半径。在这些量级范围内，引起电离层闪烁的不规则体尺度从几米变化到几十公里[9]。
GPS接收机经过改造可以用来观测电离层闪烁，从而获得电离层不规则体和信号闪烁参数。电离层层析技术(CIT)可以重建电离层二维、三维电子密度空间分布，具有对电离层不规则体成像和探测功能。近年兴起的天基掩星探测技术，将搭载于低轨小卫星上的GPS掩星探测数据与地基GPS探测网数据相结合，可以大大提高电离层CT技术垂直分辨率。
图2.1 电离层闪烁衰落的地理分布
2.2 电离层对卫星信号传播的影响
电离层对无线电系统信号传播和运行性能产生各方面影响，电离层折射指数
与电子密度的局域分布有关。电离层中由平均背景或很大尺度电离结构造成的影响集中表现与TEC相关，包括：衰减、吸收、相移、时延、色散、极化旋转、折射和多径效应等。另外，传播路径上相对较小尺度的电离层结构可能引起接收信号相位、振幅、到达角和其它信号特征随机起伏。
无线电波可以由以下五个基本参数及它们的时空变化而确定：振幅、传播方向、相位、频率和极化[9]。接收的无线电波振幅可能会受到吸收、大尺度聚焦效应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;无线电波的瞬时频率可能会受到接收相位起伏的影响，而极化可能会由于磁等离子体裂变及其引起的差分吸收、折射和相位的变化而影响。电离层浸在地磁场中，具有色散、吸收、双折射和各向异性等特性。前两种特性在没有地磁场的情况下也存在，对无线电系统影响作一阶近似处理时仅需考虑这些特性，地磁场的存在会导致电离层的双折射和各向异性，Faraday旋转效应是由双折射特性引起的重要现象。表2.2列举电离层对于频率范围0.1～10GHz电磁波影响的数值估计，对应仰角300的单程路径，TEC值为1018el/m2，这是高太阳活动下低纬白天的高TEC值。
表2.3 最大电离层效应的估计
2.2.1 对卫星信号相位的影响-相位超前与色散 2.2.1.1 相路径长度的变化
为了确定电离层对卫星信号传播相路径长度的影响，考虑有效的相路径长度：
P??ndls （2.7）
式中原本存在的因子cosα被省略了(α是电波法向和射线之间的夹角)，在VHF以上频段这个因子基本为1。电离层引入的相路径长度变化△lp[1]：
?lp??(n?1)dl????ndl??ssb?2TEC
(2.8)
可见，相对于自由空间，电离层的存在缩短了相路径长度。 2.2.1.2 相位超前
无线电波在电离层中的相位折射指数小于1，因而相对于自由空间存在相位超前。当电离层内不均匀体在一个Fresnel带半径的横向距离内引起的相位畸变可以与l弧度相比拟时，不规则的振幅闪烁就会发生[1]。电离层引起的相位超前为：
b8.44?10?7????lp?TEC?TEC?c?f 弧度
2?(2.9)
相位变化反比于工作频率，且Fresnel半径正比于λ1/2，因而闪烁在低频段更显 著。
2.2.1.3 相位色散
相位关于频率的变化率是由电离层引起的的相位色散。由(2.9)式可得
d?b8.44?10?7??TEC??TECdf2?cf2f2 弧度/Hz （2.10）
相位色散会导致无线电测量系统的测距误差。相对于相位色散而言，通常术语色散特指时间相对于频率的变化率，也即dt/df。色散对于宽带系统的影响更显著，波数k是频率的非线性函数，这是由于不同的频率相速度不同所致。如果一个信号包含宽的频谱，将在不同的频率成分上与发射时有不同的相位关系，因而发生形变。电磁脉冲在穿过电离层传播时由于色散，而在时间(和空间)上发生形变，如展宽和能量分布变化等。
2.2.2 对卫星信号极化的影响-Faraday旋转 2.2.2.1 寻常波与非寻常波的相路径长度差异
考虑地磁场时，电离层表现为双折射介质，通常将入射波分裂为以不同速度传播的两个分量。在电离层中，本征极化依赖于传播路径相对于恒定磁场的夹角。