极区是地球地理极点和地磁极点的所在地,磁力线在该区域穿入地面或开放向外延伸与行星际磁场相连,使极区电离层与磁层、太阳风、行星际磁场等紧密的耦合在一起。复杂的极区电离层变化对卫星导航等无线电系统造成了一定的危害。另一方面,基于双频或多频的GNSS观测数据可以反演出卫星与接收机之间的电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）信息,为大范围长时间连续监测极区电离层变化提供了数据基础。由于极区特殊的电离层变化特征,基于GNSS的相关电离层研究也衍生出了新的挑战。由于多种因素的影响,极区电离层不同于中低纬度地区,常用的电离层模型在极昼极夜、威德尔海异常、南极冰盖和北冰洋以及电离层暴等时空现象下的适用性和一致性具有不确定性。另外,常用的电离层模型大都基于薄层模型假设建立,忽略了电离层空间梯度的存在,极区经常出现的电离层不均匀体及碎片等引起的强电离层空间梯度降低了电离层薄层模型在该区域的可靠性。尽管近些年来很多学者使用多源电离层数据分析了极区电离层在某些特殊事件时的变化特征,但是目前的研究大都基于短期的观测数据或者关注于南北两极中的一个区域,很少有研究使用一个太阳周期的观测数据分析南北两极电离层的变化特征及其之间的耦合关系。本文针对电离层模型在极区的应用问题及南北两极地区电离层TEC变化特征,系统开展了以下几个方面的研究工作:1.多种电离层模型在极区的适用性和一致性分析由于极区电离层复杂的变化,电离层模型在该区域的适用性受到很大的影响。电离层模型不仅可以为导航用户提供电离层改正加快模糊度收敛,而且可以方便准确的分析电离层自身的变化规律。目前关于电离层模型的研究大都关注于中低纬度区域,随着极区受到越来越多的关注,基于多源观测数据探测常用电离层模型在极区特殊事件下的适用性和一致性,对进一步改进模型性能具有重要的指导意义。本文首次基于GPS提取的STEC、JASON-2及COSMIC实测VTEC,探索了GPS广播Klobuchar模型、Galileo广播Ne Quick G模型、IRI（International Reference Ionosphere）模型及IGS（International GNSS Services）官方合成的GIMs（Global Ionospheric Maps）模型,在南北两极地区不同太阳活动水平下的适用性。首先,基于GPS-TEC分析了四种模型在整个极区的适用性。然后,根据极区的时空变化特征,分析了四种模型在极昼极夜、南极冰盖（Antarctic ice sheet,AIS）和北冰洋（Arctic Ocean,AO）、威德尔海异常以及电离层暴等情况下的适用性。结果显示:四种模型的偏差在南北两极地区具有不同的季节变化特征,在南极地区,夏季时低估了真实TEC,冬季时高估了真实TEC,而在北极地区的季节变化与南极地区截然相反;由于Klobuchar模型使用一个夜间平场描述电离层的夜间变化,致使该模型在极夜时的相对改正精度为负值;Galileo官方宣称Ne Quick G模型可以在全球改正70%左右的电离层延迟,但是由于极区复杂的电离层变化,该模型在极区仅能消除50%左右的电离层误差;目前最新公布的IRI-2016模型在极区使用时存在较大系统的偏差,在WSA期间该模型的系统偏差达到13.09TECU,严重低估了实际的TEC;由于缺少可用的GNSS观测数据,GIMs模型在AIS及AO地区的相对改正精度仅有50%左右,比全球平均精度下降30%左右。目前,IGS有七家电离层分析中心提供GIMs产品,本文使用d STEC方法,分析了IGSG、CODEG、JPLG、UPCG、ESAG、CASG和WHUG七种GIM模型在南北两极不同时空状态下的一致性,为不同需求的极区电离层研究提供了可靠的参考信息。结果显示,各GIM模型在北极地区的一致性明显优于南极地区,并且RMS误差值具有年周期和季节周期变化特征。2.卫星方位角对电离层薄层模型的影响电离层薄层模型广泛的用于GNSS导航以及基于GNSS观测数据的电离层TEC模型化,此类模型假设电离层中所有自由电子集中于某一固定高度无限薄的薄层中,忽略了电离层空间梯度的存在,认为同一高度角及穿刺点处不同方向的STEC是相同的。然而,极区电离层受多种因素的影响,电离层不均匀体及碎片经常出现,形成了很强的电离层水平梯度,致使薄层模型产生很大的投影误差。三维电离层模型—Ne Quick模型可以通过电子密度积分直接计算出任意方向的STEC,避免了电离层梯度造成的投影函数误差,为研究电离层水平梯度对薄层模型的影响提供了新的思路。但是根据现有的研究,由于Galileo在计算广播模型系数时仅使用了少量的极区观测数据,致使Ne Quick G模型在极区的精度较低。针对这种现象,本文设计了一种基于区域GPS跟踪网的Ne Quick模型系数计算方法,并基于该方法计算了适用于南北两极地区的模型系数。本文根据新计算的模型系数及Ne Quick G模型,探测了在南北两极地区由卫星方位角造成的电离层投影函数误差与卫星高度角、时间、季节等因素的关系。另外,根据Ne Quick模型计算的“真实”投影值,设计了一种评估投影函数性能的新方法,并使用该方法探寻了与“真实值”最接近的常用投影函数。结果表明:在极区,同一高度角及穿刺点处不同方位角的STEC存在明显差异,最大投影函数误差可达到9TECU;当高度角大于40时,不同方向的投影值逐渐地趋于一致;投影函数Ou及MSLM与真实的投影值最为接近,投影函数F-K精度最低,不适合在低高度角时使用。3.极区最优电离层薄层模型高度探测二维电离层TEC模型在建模和使用过程中都将电离层薄层固定于某一特定高度,没有考虑电离层垂直变化引起的薄层高度随季节、时间等因素的变化。本文首先在利用COSMIC实测数据分析了峰值电子密度高度（hm F2）在极区长时间的变化特征以及hm F2与太阳活动指数F10.7的关系。在此基础上,基于UQRG GIM模型及d STEC方法提出了一种新的最优薄层高度探测方法,该方法克服了传统薄层高度探测方法需要密集GNSS跟踪站以及在磁暴时结果不可靠的限制,并且降低了数据计算量。根据传统的CPP方法及本文提出的新方法,分析了极区最优薄层高度在一个太阳周期的变化特征,为极区电离层TEC建模提供了重要的参考。4.南北两极地区电离层TEC变化特征研究基于GNSS的长期观测数据,探测南北两极电离层在一个太阳周期的变化特征以及在极昼极夜、威德尔海异常、磁暴等特殊事件时的响应,对全面认识极区电离层的形态特征和物理机制具有重要意义。本文使用多项式函数、广义三角函数、球谐函数及球冠谐函数模型模拟了南北两极地区一个太阳周期的电离层TEC,根据四种模型之间的比较分析,选取了在极区综合最优的球冠谐函数模型用于研究极区的电离层TEC时空分布特征。基于球冠谐函数建立的电离层TEC模型,对比分析了南北两极TEC在一个太阳周期的变化趋势,以及电离层TEC在极昼极夜、威德尔海异常及不同季节等情况下的分布特征。在磁暴发生时常伴有电离层碎片产生,本文跟踪分析了2015年第076天磁暴时南极电离层碎片产生以及演化过程。另外,通过对球冠谐函数模型系数的谱分析,确定了各系数的周期项并使用傅里叶级数对其进行了模型化,建立了极区电离层TEC预报模型。