电离层效应

根据信标信号通过电离层的传播特性来探测电离层特性参量的方法。利用火箭、卫星等飞行器把信标机带到电离层上空，信标信号通过电离层将产生频率偏移、电波偏振面旋转和闪烁等效应。根据这些效应来探测电离层特性的方法主要有:

信标微分多普勒频移法 信标信号通过电离层的频率偏移就是电离层多普勒效应(见电离层无线电波传播)。信标信号频率偏移通常包括运动效应和介质效应，前者比后者大得多，而要分离它们颇费周折。因此，根据运动效应与频率成正比，而介质效应与频率的平方成反比的特点，在飞行器上发射两个不同倍数的倍频信号，并在地面接收这两个频率信号，消去运动效应项，剩下介质效应差分值，这就是微分多普勒频移。利用这种方法可以推算沿电波路径上的总电子含量。微分多普勒频移对总电子含量的水平梯度十分敏感，故还可以用来研究电离层大尺度、中尺度的不均匀结构和电离层行进式扰动(TID)等。

法拉第旋转效应法 电波通过电离层时偏振面旋转称为法拉第旋转效应(见电离层无线电波传播)。某一点偏振面相对于原始偏振面旋转的角度与电波路径上的总电子含量成一定比例，根据这一原理，在地面接收电离层上空的信标机发射信号，测量其电波偏振面的旋转角或它的时间变化率(称法拉第频率)，即可推算电波路径上的总电子含量。为了消除旋转角的多值性，通常采用的办法是信标机双频工作,即测量相隔一个小量Δf的两个频率的旋转角差 ΔΩ来确定旋转角Ω。这时，Ω=(2f/Δf)ΔΩ，式中f为信号频率。因为旋转角与频率平方成反比，所以为获得较大的旋转角值应采用较低频率，但为使电波能穿过电离层，采用的频率又必须大于F层的临界频率。对20兆赫电波,穿过整个电离层后的旋转角大约为10~50转,而100兆赫电波穿过电离层后的旋转角则为0.4~2转。法拉第旋转测量对总电子含量的水平梯度是十分敏感的，故研究电离层大尺度、中尺度的不均匀结构，电离层行进式扰动等现象是十分有用的。

闪烁效应法 当电波穿过电子密度不均匀的电离层时，就好像光通过光栅那样，会产生"衍射"。而不均匀体的运动，会使衍射条纹相对地面移动，于是地面接收信号的振幅和相位发生起伏变化。这种现象称为闪烁现象。接收卫星信标或外空射电星辐射，从高频波段高端直到几千兆赫的频率，都能观测到这种现象。通常在地面多点接收，分析闪烁现象的信标信号信息，可以研究高层大气小尺度不均匀结构及其分布和运动。因为这种闪烁现象在极区和赤道地区出现较多，所以常在这些地区进行观测。

TEC（Total Electron Content）及其变化不但是电离层形态学研究的重要资料，也是精密定位、导航和电波科学中电离层修正的重要参数。它是描述电离层形态和结构的重要参量，有助于研究电离层对电磁波传播的影响. TEC是每平方米上从电离层底部（约90公里高度）的到电离层的顶部（大约1000公里高度）的电子数量总和。许多的TEC的测量是由GPS卫监测得到。目前，GPS的TEC监测已经被分布在很多国家的超过360个台站所实时监测。

电离层电子总含量TEC及其变化不但是电离层形态学研究的重要资料，也是精密定位、导航和电波科学中电离层修正的重要参数。它是描述电离层形态和结构的重要参量，有助于研究电离层对电磁波传播的影响。电离层的预报目前有Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型等，GPS是主要的测量工具。在实际应用中，电离层预报是对未来时刻地面上空一定高度的网格点的电子含量预报。目前国际上通常是每两小时给出经度方向间隔5°、纬度方向间隔2.5°的电子含量，这样每两小时全球共有5184 (72×72)个网格点，使用最小二乘法拟合得出网格的TEC及GPS测量的硬件误差。