第二章 文獻回顧與理論基礎
第二節 電離層
二、 電離層特性及變化
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伸至約 GPS 衛星的軌道高度。H+層在白天 F2 層電子密度很高時，
影響量約占總電離層延遲之 10%；夜晚 F2 層電子密度低時，H+層之 影響量約占總電離層延遲之 50%。
圖 2- 4 電離層分層圖 (Petrie et al., 2011)
二、 電離層特性及變化
由 於 電 離 層 延 遲 誤 差 的 計 算 與 電 子 密 度 (Ne) 、 總 電 子 含 量 (Total Electron Content, TEC)有關(將於本章第三節說明)，故探討電離層的特性與
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變化對本研究是必要的。根據前人之研究，電離層電子密度大小會隨著太 陽活動、地理位置(緯度與高度)以及時間的不同產生變化，以下將分別針對 電子含量之週期變化、地理位置的時間季節變化以及單日異常變化做說 明。
(一) 太陽活動週期變化
當大氣中的分子和原子被來自太陽的輻射和高能帶電粒子電離化時，
電離層就形成了。雖然，從太陽到地球表面的可見光光通量變化不大（<0.5
％），但是在較短的波長部分(如 X 射線)，會依太陽活動和太陽上的太陽黑 子的數量而變化幾個數量級（Davies, 1990）。如前所述，由於中性氣體是 在太陽光的照射下電離化，故太陽活動與太陽黑子的週期變化會影響電離 層的週期變化，當太陽黑子數目越多，代表太陽活動程度劇烈；黑子數目 越少，太陽活動程度平緩，以下說明太陽活動與太陽黑子的週期變化。
1. 11 年週期變化
太陽活動主要的週期性為 11 年的太陽黑子週期，圖 2-5 所示。圖中 X 軸為西元年，Y 軸為太陽黑子數量，紅點表示一個月份中缺少 20 日以上的 資料，黃點表示一個月中缺少 11 至 20 日資料，綠點表示一個月中缺少 1 至 10 日資料，黑點則表示有完整資料。波峰底下的數字為週期數，從圖中 可以看出太陽黑子數量的周期約為 11 年，今年(2018 年)已邁入第 24 個太 陽黑子週期 (Hathaway, 2015a)。
由上述可知電離層總電子含量會隨著太陽黑子數量變化而改變，這可 能導致電離層高階項誤差亦產生變化，因此本研究將太陽黑子數量週期納 入考量，以作為分析之依據。
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圖 2- 5 1750 年至 2016 年的月平均太陽黑子數目變化圖
https://solarscience.msfc.nasa.gov/images/Zurich_Color_Small.jpg
2. 27 日週期變化
電離層總電子含量除了會受到太陽黑子影響產生 11 年的周期變化之外，
另外還受到了太陽自轉週期所產生的 27 日週期變化；Liang 等人在 2008 年，
利用兩年的 FORMOSAT-3/COSMIC 無線電掩星觀測資料，研究太陽自轉所 引起的態樣輻射變化對電離層產生的影響，研究結果顯示電子密度變化與 太陽 27 日的自轉週期有高度相關(Liang et al., 2008)。Min 等人的研究成果 亦指出電離層之總電子含量變化與太陽自轉有關(Min et al., 2009)。
(二) 地區、高度與季節變化
電離層電子含量變化除了與上述的太陽活動有關，也與其測站所在的
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度地區稍小。
(6) 半年變化，在赤道和低緯度地區影響大於周年變化。
(三) 單日異常變化
Chapman 提出電離層是中性大氣被太陽輻射照射離化成由帶電粒子組 成的大氣層，其內部粒子是以層狀結構存在的，並依此建立了 Chapman 理 論。Chapman 假設電離層僅由 E 層與 F 層構成，且 E、F 層的電子密度隨 高度變化均遵守 Chapman 理論。
然而當電離層 F2 層之電離層電子含量變化，與 Chapman 理論預測不 同時，就被視為異常。在 Mendillo 等人的研究中提到 3 種有名的異常類型，
分別為季節性異常（seasonal anomaly）、夜間異常（evening anomaly）及赤 道異常（equatorial anomaly）(Mendillo et al., 2005)。以下分別說明：
1. 季節異常：中緯度地區，午間之𝑁𝑁𝑚𝑚𝐹𝐹2值，在冬季會大於夏季。
2. 夜間異常：中緯度地區，夏季之𝑁𝑁𝑚𝑚𝐹𝐹2值，在中午過後幾個小時會達極 大值。
3. 赤道異常：低緯度地區，中午及晚間的𝑁𝑁𝑚𝑚𝐹𝐹2值在地磁緯度約15°𝑁𝑁和 15°𝑆𝑆處，會比磁赤道區附近之值更大。
由於台灣位於磁赤道異常區，會受到電離層電子含量赤道異常現象影 響，故本研究採用台灣地區的觀測資料進行研究；另外由於中緯度地區，
會受到季節異常以及夜間異常的影響，故本研究亦採用亞洲地區 IGS 衛星 追蹤站進行研究。
由於電離層之電子含量具週期變化、地區、高度與季節變化和單日異 常變化，本研究將採用不同地區、不同時間的衛星觀測資料進行研究，以 比較電離層高階項誤差對相對定位之影響。
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傾向被對流層參數吸收，故誤差量級較小(Petrie et al., 2011)。由於電離層高 階項誤差所造成的誤差不大，因此，在精度要求不高的 GPS 測量應用中，
時常忽略此誤差並不予改正。然而，隨著近年來對於 GPS 資料及其產品的 精度要求越來越高，電離層高階項誤差對定位之影響逐漸受到重視。
在 Bassiri and Hajj (1993)，Odijk (2002)，Kedar 等人(2003)和 Herna´
ndez-Pajares 等人 (2007)以及其他作者的論文中，可以找到計算 GNSS 觀測 值中的二階和三階項電離層誤差方程式的發展，以及關於這個問題的進一 步討論 。Li(i=1,2) 載波 的相位 (ΦLi)和 虛擬 距 離 (PLi)的 觀測 方程 式如下 (Marques et al., 2011)：
Φ𝐿𝐿𝑖𝑖= 𝜌𝜌′− 𝐼𝐼1 −1