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1902年，为了解释外围大气层的无线电波反射现象，研究人员假设有导电层存在。1925年，研究人员利用地波与天波干涉法证明了电离层的存在。1926年，研究人员测量了电离层垂直反射无线电脉冲的传播时间，从而进一步验证了上述结论。由此可见，电离层研究从一开始就和电磁波传播现象密切相关。到了20世纪三四十年代，人们开始关注一些电离层区域异常和扰动现象，如电离层赤道异常和远东异常等。1946年，人们观测到天鹅座射电星（Cygnus）64MHz射电信号时发现其辐射强度有明显的短周期不规则起伏。二战期间及战后，由于军事、政治和经济上的需要，各国对电离层物理及电波传播的研究投入了大量的人力物力。通过理论研究及实验验证，人们逐渐认识到电离层形态在时间和空间上的一些变化规律 ［4］ 。
1.Chapman理论
Chapman研究了高层大气主要成分的电离电位与太阳紫外线辐射之间的关系，提出了“太阳紫外线辐射导致了电离层的产生”这一理论观点 ［5］ 。
该理论认为，高空大气层吸收太阳紫外线的能量，当大气中的中性分子和原子达到电离电位时就会发生离化。根据这种理论，电离度取决于紫外线的强度、大气成分和大气温度、中性分子和原子的吸收能力等诸多因素。
为了进行分析和计算，Chapman设置了一系列前提假设，其中最主要的有以下两点。
（1）太阳紫外线辐射属单色光。
（2）中性大气的密度 N 随高度 H 的分布函数为
式中， H 为均匀大气标高； h 为从地面算起的高度； N 0 为地面大气密度。
2.等离子体理论
用Chapman理论可以解释电离层的形成，但当解释一些较复杂的观测现象时，该理论就遇到了一些困难 ［6］ 。这些困难主要来自于Chapman理论建立时的若干基本假设，即这些假设与观测事实有一定程度的不相符。例如，Chapman理论假设太阳紫外线辐射是单色光，但实际上太阳紫外线辐射不是单色光。同时，大气中的成分也不是单一的。这样一来，不同的气体分子吸收不同的光量子而获得电离，从而产生几个电离层极大值。因此，特定大气高度所体现的电子密度是各种大气成分贡献的综合。
人们经过多年的实际测量和理论研究，已经积累了相当丰富的电离层知识。高空中性气体分子和原子全部或部分被太阳光电离，从而形成电子、正离子和负离子。电离层由电子、正负离子和中性粒子气体组成。其中，带电粒子的运动受到地磁场的约束，因此电离层中的介质可看成磁离子介质，描述电波在磁离子介质中传播的理论称为磁离子理论。近年来，随着磁离子体实验装置的进步，磁离子体理论得到了长足的进展。
电离层位于高度约为60～1000km的区域，有时甚至更高。人们按照电子密度峰值出现的高度将电离层划分为D、E、F三层，F层在白天又可分为F1层和F2层，这种分层结构如图3.1.2.1所示。值得注意的是，电离层分层的边界一股都不明显。电离层结构随地理坐标的不同而不同，随时间也有周期性的变化，因此具有局地性和时变性。
图3.1.2.1 电离层电子密度的分布
电离层D层分布于离地面约50～90km的高度，该层主要对高频电波起吸收作用。由于带电微粒的复合效应，它在夜间迅速消失 ［7］ 。E层分布于离地面约90～130km的高度，它的各项特性较为稳定。在这个高度上有时会出现突发E层（Es层），其电离度远远大于正常E层，并伴随着不规则不均匀体的随机聚集。Es层存在的时间尺度可以从几分钟到几个小时，空间尺度可以从几十千米到几百千米。Es层对高频电波的反射一般较为稳定。F1层和F2层电子密度最大，对高频电波的反射起重要作用，其高度约为130～450km。F1层仅在白天出现，高度约为130～210km，F2层的高度一般为210km以上。在夜间，F1层逐渐消失，F2层高度下降，形成夜间F层（两层合为一层）。F2层对电波的折射高度除了和工作频率有关外，还与地区、季节和早晚时间有关。
重力作用使得地球大气形成了基本的分层结构。对于电离层，由于在几个高度上的电子生成率极大，所以在一定高度以下电子密度的分布不是重力扩散平衡的，而是产生几个电子密度的峰值，也就形成几个分层。在电离层测高仪的频高图上可以清楚地反映出这种分层结构。电离层的分层状况随地理位置（极区、极光带、中纬度及赤道）、时间（日、季节和太阳周期等）和太阳活动（太阳耀斑等）的变化而变化。
图3.1.2.2和表3.1.2.1给出了电离层结构时空变化信息：在空间上，电子密度呈现出随高度分层变化的特征；在时间上，电子密度呈现出随昼夜变化的特征。由于白天存在太阳辐射，电离层各层高度上的电子密度可以比夜间高一到三个数量级，E层及其以下层的变化尤为明显，这表明电离层中的物理过程随高度变化很大。
电离层各层对无线电波有不同的影响。D层电子和离子频繁碰撞，电波能量转移，因此在白天对无线电波主要起到吸收作用 ［8］ 。E层白天足以反射频率为几兆赫的无线电波，夜间电子密度会降低一到两个数量级（由于无太阳辐射）。另外，在E层还经常形成Es层结构。F层及顶部对电波主要起到反射作用，根据这种反射特性可以实现地面的短波通信和超视距雷达探测。F层在夜间具有不稳定性，由此而产生的电子密度不规则体结构会影响电波传播。无线电系统设计师一般最关注F层的状态 ［9，10］ 。
电离层可以用一个复杂的非线性动力学系统来描述，其中存在各种电动力学、光化学等物理过程和化学反应。除了规则的太阳年、月和日变化外，还存在其他突发现象，如F层赤道异常 ［11］ 。太阳扰动会产生对应的电离层效应，太阳耀斑爆发会导致电离层暴和电离层突然骚扰等现象。
图3.1.2.2 中纬度地区典型的白天和夜间电离层电子密度剖面
表3.1.2.1 电离层分层状况
续表
当碰撞影响不能忽略时，电离层中无线电波传播的折射指数可以用Appleton-Hartree公式表示，它是电磁波在等离子体中传播的色散关系式。
式中， θ 为电波法线方向和地磁场的夹角；3个参数 X 、 Y 和 Z 是所谓的Appleton参数，分别可以写成
如图3.1.3.1所示，对于正离子，矢量 Y 的方向与外磁场的方向相同；对于电子，矢量 Y 的方向与外磁场的方向相反。式（3.1.3.2）中， v 为自由电子与重粒子碰撞频率； ω H 是磁旋频率； ω p 是等离子体频率，并有
式中， e 为电子电量； B 0 为地磁场强度； N e 为电子密度； m 为电子质量； ε 0 为自由空间介电常数。当存在外加磁场时，等离子体会被磁化，而磁化等离子体是一种双折射介质（各向异性介质）。在式（3.1.3.1）中，用“+”和“-”符号分别表示寻常波和非寻常波。
从Appleton-Hartree公式可以看出，浸在地磁场中的电离层有如下特征。
（1）折射指数是频率的函数，群速度不一定等于相速度，因此它是色散的。
（2）电离层折射指数是复数形式的，具有实部和虚部。吸收总是耗散的，能量通过碰撞变为热能而保持守恒。
图3.1.3.1 局部参考坐标系
（3）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（双折射），每个路径可由不同的相位和群速度表征。
（4）两个折射指数中的每一个都是恒定波相位平面法线方向的函数（相对于背景地磁场指向），因此它是各向异性的。
在VHF波段以上可以近似认为吸收项为零，这时有 U =1-j Z =1。除了那些几乎精确垂直于磁场的方向以外，其他方向的传播都可看成准纵传播，因此有
如果磁离子射线裂变可忽略，那么在VHF波段以上的频率有 X ≪1，化简式（3.1.3.1），有
引入变量Δ n
式中， b = e 2 /（2 ε 0 m ）=1.6×10 3 mks。
为了描述电离层对星-地链路电波传播的影响，人们引入电离层总电子含量（Total Electron Content，TEC）的概念，它的定义为
式中，积分是沿传播路径进行的，总电子含量的单位为TECU（=1×10 16 el/m 2 ）。电子密度随时空变化，因此其路径积分值即总电子含量也随之变化。电离层总电子含量也随着日、季节和太阳周期的变化而发生相对规律的变化，并且强烈地依赖于地理位置和太阳/地磁的活动状态。垂直路径总电子含量的变化范围为10 16 ～10 18 el/m 2 。当发生电离层暴、亚暴或电离层骚扰等电离层事件时，电离层总电子含量会突然增长。全球定位系统（GPS）为测量总电子含量提供了很好的条件，研究人员也利用其数据进行了大量的相关研究。
1.电离层闪烁的产生原因
除了上述的背景电离层外，电离层中存在各种尺度的电子密度不规则体结构，由此产生了电离层总电子含量的时空变化（见图3.1.4.1）和卫星信号的闪烁（见图3.1.4.2）。电离层不规则体具有宽广的尺度谱，其产生机理与大电场引起的双流不稳定性、电子密度梯度不稳定性及中性大气重力波等有关，并与太阳和地磁活动等也有一定关系。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层等结构。
在电离层研究中，电离层不规则体的测量学、形态学与形成机理一直是最活跃的研究领域。研究表明，几种不稳定性（Rayleigh-Taylor不稳定性、梯度漂移、 E × B 、电流迁移、通量管互换、电子沉降和剪切机制等 ［1，3］ ）会产生赤道和高纬地区的电离层不规则体。在赤道地区，大尺度结构或赤道扩展F层的主要产生机理是Rayleigh-Taylor不稳定性；而在高纬地区，电子密度不规则体的主要产生机理是梯度漂移或 E × B 。在高纬地区，极光闪烁可能发生在地方时白天或夜间的任何时刻，表现得比赤道闪烁更不规则，而增强的地磁活动会带来更强的闪烁。太阳风携带的高能电子产生极光，这些电子在极区有时可以突破地磁场的屏障，从而电离原子并导致电子密度的增大。由于极光效应是由太阳风和地磁场与太阳磁场的耦合而产生的，因此这种效应发生的频率和程度强烈依赖于太阳活动。在穿透电离层的各种传播效应中，赤道F层不规则体效应比高纬地区的效应强烈得多。一般认为，赤道地区的闪烁由赤道异常区中的等离子体泡产生。
图3.1.4.1 总电子含量随时间变化图
图3.1.4.2 卫星信号相位和强度闪烁（时间上与图3.1.4.1对应）
小尺度不规则体的闪烁（此尺度与Fresnel区半径尺度有关系）可导致信号的极化起伏。观测和研究结果表明，当频率高于300MHz时，即使存在严重的振幅闪烁，信号的极化起伏也可以忽略。天基监视雷达的测距和成像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，其性能和电离层不规则体的时空特性及相应的相位和振幅闪烁相关。
2.电离层闪烁的地理分布
电离层闪烁的地理分布如图3.1.4.3所示，闪烁的严重程度在图中表示为不同的填充和斜线。用信号强度的归一化方差可以衡量振幅闪烁强度，反映衰落的深度。类似的，相位闪烁用相位的方差描述。从全球来看，绝大多数电离层不规则体位于地磁赤道北和南20°的地理区域及纬度55°以上的极区内。赤道闪烁大约发生在地方时20：00～02：00，在VHF/UHF波段通常可能发生饱和的Rayleigh振幅衰落，在L波段也偶尔发生饱和闪烁。引起闪烁的不规则体主要位于高度约200km以上的区域内，高纬和赤道不规则体的主要扰动区域在250～400km之间，赤道附近闪烁比中纬和高纬的闪烁强。有时位于约90～100km范围内的E层（特别是Es层和极光E层）不规则体也会产生闪烁。一种观点认为，电离层不规则体结构从F层的底部向上扩展（厚度可达200km），电子密度起伏量级是平均电子密度的0.5～1倍。实验表明，电离层不规则性存在于很宽的频带上。有研究人员用合成谱图对此作了很好的总结，该合成谱图跨越8个数量级，对应着从电子回旋半径到地球半径的空间尺度。在这些量级范围内，不规则体尺度的变化范围从几米到几十千米。
图3.1.4.3 电离层闪烁的地理分布
3.电离层闪烁的观测和表征
对GPS接收机进行改造，就可以用来观测电离层闪烁，获取电离层不规则体和信号闪烁的有关参数。电离层层析技术可以对电离层不规则体进行成像和探测，重建电离层电子密度空间分布影像。近年兴起的天基掩星探测技术是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，从而极大地提高了电离层层析技术垂直分辨率。
电离层发生闪烁时，无线电波穿过电离层电子密度不规则体，产生幅度、相位、极化和到达角的变化。它表现为信号电平的快速起伏，信号起伏范围为1～10dB（有时甚至可使雷达工作信道中断），而信号起伏持续时间在几分钟到几小时之间。这种现象主要由两种类型的电离层不规则体产生：一种是尺度与传播路径Fresnel区尺度相近的电子密度不规则体，另一种是强电子密度梯度不规则体，尤其是垂直于传播路径方向的电子密度梯度不规则体。在一定的大气、地磁和太阳条件下，上述两种不规则体都有可能出现，所产生的闪烁效应可严重影响雷达系统的性能。闪烁在很宽的频段（10MHz～12GHz）上都可以被观测到。
在实际应用中，可以用衰落深度和衰落周期两个参数来表征闪烁现象。将一定时间间隔内接收功率的标准偏差与平均接收功率之比定义为闪烁指数，并用 S 4 表示。由定义可知， S 4 可以定量地表示闪烁的严重程度。闪烁指数 S 4 可以写成
式中， I 为信号强度；符号〈·〉表示统计平均。
闪烁的衰落周期取决于不规则体相对于传播路径的运动，在强闪烁情况下还与闪烁强度有关。它在时间尺度上的变化范围非常宽，可以从小于十分之一秒到几分钟。千兆赫兹频率电离层闪烁的衰落周期大约为1～10s。在VHF和UHF波段内，也有观测记录显示闪烁可以达到几十秒量级的长期衰落（ S 4 趋于1）。如果没有直接测量结果，那么在工程应用中建议 S 4 与频率 f 的关系按 S 4 ∝ f -1.5 估算。 S 4 与传播路径天顶角 i 之间的关系为
对于 n 的取值， i ≥70°时，有0.5≤ n ≤1； i ≤70°时，有 n =1。
电离层闪烁的瞬间变化服从Nakagami分布，因此信号强度的概率密度函数为
式中，Nakagami系数 m 可以写成
而 I 为归一化平均强度，它的累加分布函数（对应于Nakagami概率密度函数）为
式中， Γ （ m ， mI ）和 Γ （ m ）分别表示不完全gamma函数和gamma函数。根据式（3.1.4.4），可以得到电离层信号闪烁电平低于给定门限值的时间百分比。与平均值相比，信号高 X dB的时间百分数为1- P （10 X /10 ），低 X dB的时间百分数为 P （10 X /10 ）。由此得到Nakagami累加分布，如图3.1.4.4所示。
图3.1.4.4 Nakagami累加分布
大量观测结果表明，电离层闪烁功率谱随频率变化的关系在 f -1 到 f -6 之间。如果没有有效测量结果作参考，那么在雷达系统设计时功率谱随频率变化的关系建议取 f -3 。
4.电离层闪烁的分类
根据纬度的不同，闪烁可以分为3种类型：第一类是赤道地区闪烁，它由赤道异常区中的等离子体泡产生；第二类是中纬地区闪烁，它与电离层扩展F层的出现有关；第三类是高纬地区闪烁，并可进一步分为极盖区闪烁和极光区闪烁，它们都与地磁活动和极光活动有密切关系。
地磁场和电离层中存在自由电子，所以穿过电离层的无线电信号（一般认为频率在20MHz以上的）将受到电离层的影响。电子密度变化的大尺度和小尺度不规则体都对信号产生影响，包括闪烁、吸收、到达方向的变化、传播时延、色散、频率改变和极化旋转等传播效应。穿过电离层的雷达电波传播衰减主要包括电离层闪烁衰减和电离层吸收两个部分。实用的闪烁衰减需要考虑年份和季节的统计结果。雷达电波穿过电离层时，图3.1.4.5给出了电离层闪烁衰减在不同时间百分比上超过给定值的情况 ［3］ 。
图3.1.4.5 不同频率上超过电离层闪烁衰落深度的时间百分比
如果没有直接的测量结果，那么30 MHz以上的电离层吸收可按（sec i ）/ f 2 估算。其中， i 是传播路径在电离层中的天顶角。在赤道和中纬地区，对于70 MHz以上的无线电波，电离层吸收作用不明显。中纬地区的测量结果表明，垂直入射穿过电离层对30 MHz电波的吸收一般情况为0.2～0.5dB。当太阳耀斑爆发时，吸收将增强，但一般不超过5dB。吸收增强发生在极光区和极盖区，出现时间和持续时间是不确定的，与路径仰角和目标位置有关。极盖吸收的持续时间为天量级，而极光吸收的持续时间为小时量级。
极光区沉降的高能电子使得D区和E区电子密度增大，从而导致所谓极光吸收。观测表明，以可见极光出现率最大的纬度为中心，这种吸收发生在距该中心10°～20°的纬度范围内。它表现为一系列不连续吸收，持续时间从数分钟到几小时，平均持续时间约为30min。夜间吸收表现为快速上升和缓慢下降，过程较为平滑。127MHz频率上典型的极光吸收如表3.1.4.1所示。极盖吸收一般发生在大于64°地磁纬度的地区，但出现率较小。极盖吸收通常发生在太阳活动峰值的年份，约10～12次/年。
表3.1.4.1 127 MHz信号的极光吸收（单位：dB）
1.太阳活动
由于太阳天顶角的变化及黄赤夹角的存在，太阳会产生直射和斜射的差别。从电离角度来看，电离层和对流层大气一样具有明显的日夜、季节及年度变化。但是，与对流层的情形不同，电离层极易受到太阳爆发事件的影响，因为高层大气的电离源自于太阳辐射的紫外线和X射线，而在太阳爆发事件中这些射线的辐射通量变化极大。例如，X射线辐射通量在耀斑期间可突增三四个数量级，而且这一频段对太阳活动的依赖性远强于可见光和红外线。因而，太阳活动的周期性变化或突发性变化是电离层形态变化的首要影响因素，同时伴随的太阳耀斑爆发或质子事件等因素还会形成电离层突然骚扰。
2.等离子体
电离层中一方面存在电子和离子的复合，另一方面又存在中性分子或原子电离成离子和电子。对于分子性离子和电子，可以直接碰撞复合，复合过程比较简单；对于原子性离子和电子，直接复合过程很慢，其过程需要原子性离子与中性分子之间的电荷交换。而地球大气在重力场中的平衡分布使得高电离层中原子性离子较多而低电离层中分子性离子较多。电离层上部和下部的形态有很大不同，不可能同时用同一个模型来表达。
3.地域差异
电离层的主要部分高度在100km以上，人们曾经认为电离层不像对流层那样强烈地受地面和海洋的影响，也不存在大陆和海洋的地形效应，如海汽相互作用等。因此，早期的电离层模型均为单点的垂直分布模型。但是随着研究的深入，人们发现电离层特征不但与纬度和经度有关，而且还表现出特定的地域特征。就远东地区和中国而言，Es层和F1层的形态、声重力波的传播特性等均存在着不同于其他地区的独特性质。
4.不规则体
电离层形态还存在着一些异常和不规则体。如果把Chapman电子生成理论和损失过程平衡的电离层应有的形态看作正常状态，那么现实的电离层有许多方面偏离了这种正常状态。例如，全球电子密度平均极大值分布在磁赤道两侧约10°处而非赤道地区；电离层中午最大电子密度值经常出现在冬季而非夏季；电离层F层的逐日变化经常无规律可循，每日的变化在中午前后也是不对称的，日出时变化迅速，而日落前后则变化缓慢；Es层和扩展F层则表现为一些不均匀的团块或波状结构，造成直至兆赫兹波段电波的相位和振幅产生闪烁。
5.中性成分和地磁
电离层具有导电性，这是它与中性大气的根本区别。在某些区域，电离层电子密度可达10 6 /cm 3 。但即使在这些区域，未电离的中性成分比例仍相当大。在地磁场强烈影响电离成分运动的同时，中性成分和电离成分之间的碰撞也是影响电子运动的主要因素。在电离层动力学中，电子、离子各自与中性成分的碰撞频率与它们的磁回旋频率的比值是一个重要参量。中性风和电场驱动的电子和离子运动在地磁场背景下有时形成整体漂移，有时则存在速度差而形成电流。90km以下，中性成分对电子和离子有主导的影响作用；在100～150km范围内，电子的磁回旋频率逐渐大于其和中性成分的碰撞频率，电磁场和中性风对电子和离子的影响有显著差异，并形成电流体系；180km以上，在外力作用下，电子和离子的运动主要是整体漂移，但中性风仍有重要影响。在高纬地区通过倾角很大甚至近似垂直于地面的磁力线，由于沿着磁力线方向的电导率远大于垂直于磁力线方向的电导率，其电离层和磁层甚至和赤道平面附近远离地面若干个地球半径的磁尾区域是相互耦合的，因而高纬地区电离层具有不同于中低纬地区的特征。磁层扰动期间的能量沉降于高纬地区电离层，但通过热层暴时环流和大尺度声重力波可以影响中低纬地区电离层。
根据对国内观测的数据分析、模型比较和理论研究，我国的电离层似乎确实具有某些特殊性。
（1）赤道异常。近年来的观测资料分析显示，在我国上空的电离层中存在一个Es层发生率的极大值，大致位于重庆—拉萨一线。Es层的出现率与地磁场的水平分量有密切关系，白天常常出现在赤道地区，即所谓赤道异常。这一异常又称为赤道双峰现象，因为F层电子密度在低纬处最大值出现在磁赤道南北两侧各10°左右的地方（而不在磁赤道上）。
（2）经度效应。乌鲁木齐和长春经度相差约30°，但几乎位于同一地理纬度上。最近有研究表明，在太阳活动高年的夏天，乌鲁木齐白天（地方时）的F2层临界频率远高于长春。这一经度效应是否仅用地磁与地理位置的差异就能加以解释，还需做进一步的研究。
（3）声重力波。从本质上说，声重力波是受重力影响的声波。当声波频率非常低时，在热压力涨落作用下，流体分子的振荡运动会受到重力调制，从而使得声波性质发生较大的改变。观测结果表明，在我国中部地区上空，电离层中传播的中尺度声重力波存在着两个明显的优势方向：一个是向东南方向传播的扰动，其时空尺度相对较大，扰动源位于青藏高原东北缘；另一个是向东北方向传播的扰动，其时空尺度相对较小，扰动源位于青藏高原东南缘。东北向和东南向的扰动分别主要出现在夏半年和冬半年。这些发现表明，青藏高原的特殊地形可能导致了我国上空电离层的区域性特征，如Es层和扩展F层的较高出现率等。
1.电离层模型
在天基监视雷达的设计中，工作频率的选择具有特别重要的地位，雷达装备完成任务的效果与电离层信道的正确选择有密切关系。电离层电子密度在时间上和空间上存在剧烈变化，尤其是低纬地区电离层。研究电离层变化规律，建立模型和开发新的预报技术对指导天基监视雷达设计有重要意义。
国际参考电离层模型是目前最重要的电离层模型，其版本定期更新。与其他模型相比，国际参考电离层模型所获得的结果较好。另外，国际理论物理中心建立了三维全球电离层电子密度模型，它是一个快速运算模型。欧空局已经将该三维模型作为Galileo系统的电离层修正模型，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）也对其进行推广。此外，目前还有全球同化电离层等电离层模型。
随着观测资料的大量积累，电离层研究得到了长足的发展。出于实际应用和理论研究的需要，电离层模型的研究在近二十年来受到人们的重视。一般来说，模型分为统计模型、经验模型和物理模型。这些模型用一个或多个电离层参量来表示，并形成若干公式或曲线。例如，某层临界频率与太阳黑子数或太阳高度角等的相关拟合曲线，也可以作为电离层经验模型。经验模型可以给出各种地球物理条件（绝大多数仍然是宁静状态）电离层的空间分布。随着计算机的普及，经验模型发展日趋完善。当前最具代表性的是国际参考电离层模型，它既可用于电离层物理研究，又可应用于短波通信预报，但其精度受到所用地域跨度和资料时间的限制。物理模型的建立要考虑到必要的物理过程，如电离的产生、输运和损失等因素。这些过程往往是相互关联的，因此要完全自洽地描述它们存在很大难度，实践中常常根据研究目的而有所侧重和取舍。从应用角度来看，最实用的方法仍然是将统计规律作为预报的基础。国际上流行着多种关于电离层参量与太阳黑子数、射电流量、地磁活动指数等因素的相关公式。这些公式采用统计、回归拟合或神经网络等技术建立预测模型，目的在于寻找电离层与这些因素之间的关系。国内也在电离层建模和预报方面开展了大量工作，积累了多个台站、若干个太阳黑子周期的常规观测资料，从中可以总结带有地区特征的相关系数或公式，或者寻找对新物理思想的观测证据，甚至发现未曾引起注意的新现象。
2.电离层测量
随着太阳活动、地磁活动，以及时间和地点发生变化，电离层也会发生相应的变化。通过电离层模型可以预测电离层的平均特性，但是短时变化的预测却无法达到实用的精度要求。此时，可以采用探测装置实时监测电离层，并建立确定模型描述其平均变化。高频天波雷达的电离层实时监测需要综合使用近斜测仪、垂直探测仪和斜测仪等多种仪器。
电离层测量主要有3种方法，即垂直探测、返回斜向探测和GPS探测。下面分别进行讨论。
1）垂直探测
人们根据电离层中等离子体的频率特性研制出了电离层垂直探测仪。这种仪器采用扫频方式向垂直方向发射脉冲调制信号，从而测出信号频率随时间的变化情况。这样，不同高度的等离子体层将反射不同频率的脉冲信号。测量发射脉冲和返回脉冲的时间差Δ t ，就可以确定出反射层的高度 h = c Δ t 。其中， c 为光速。探测仪测出不同频率的反射层高度，即可绘制频高图。典型的电离层频高图如图3.1.6.1所示。
图3.1.6.1 典型的电离层频高图
2）返回斜向探测
20世纪40年代，人们发现了一种无线电波传播现象，即所谓的天波后向散射传播。一般，短波（波长为10～100m）可以在地球表面和电离层之间发生一次或多次反射，短波也正是采用这种方式实现了远距离传播。当近地发射机发射的无线电波倾斜投射到电离层时，可能会发生电离层反射并到达远方的地球表面，进而由散射作用将部分电波能量经电离层再次反射后返回。这种无线电波传播过程就是所谓的天波后向散射传播。电离层返回斜向探测就是利用这个原理进行探测的方法，它又被称为地面后向散射探测或天波后向散射探测。
3）GPS探测
GPS技术为监测电离层提供了一个全新的途径，它具有成本低、时空分辨率高、数据量大、全天候连续观测、基本全球覆盖等优点。进入20世纪90年代以来，国际上渐渐兴起用GPS双频观测量来监测总电子含量的时空变化。随着全球和区域局部GPS监测网的布设，利用GPS监测网已经可以进行电离层的动态高分辨率监测，这为电离层特性研究创造了有利的条件。自1998年起，国际IGS组织开始提供全球大尺度的电离层变化图。电离层不均则结构的生存时间与尺度有直接关系，小的不均则结构存在过程往往只有数分钟甚至更短。对其监测需要较高时空分辨率的TEC数据，因此地面GPS监测网观测站需要达到一定的密度水平。