地球近地空间是由岩石圈、大气层、电离层等多个动态圈层所组成的一个复杂的耦合系统。在这个空间中,地震被认为是对于人类社会最具破坏力的自然灾害之一。在构造应力的作用下,活跃地震带地壳板块经过长期的相互挤压与能量积聚,最终可能在几秒内将能量释放到岩石圈中,而在地震准备到主震发生过程中,地球动力学过程会将岩石圈的信号传输到大气层,从而会引起地面(包括海洋)、大气层以及电离层中多种信号发生异常变化,如电磁信号、地球化学信号等。为了解释这种响应的物理机制,岩石圈-大气层-电离层耦合模型一直是科学家非常感兴趣的课题,其中多种耦合通道被提出。尽管这种不同圈层之间具有前兆性的信号响应机制目前尚不十分清楚,但为突破地震预测科学难题带来了希望。地球低轨道卫星正在发挥着越来越重要的作用,随着卫星技术的发展,如中国最新发射的电磁监测试验卫星张衡一号,对地球的观测越来越详细,这对于岩石圈-大气层-电离层的耦合机制研究创造了良好的条件。随着卫星技术不断发展以及科学家的大量研究,对于岩石圈-大气层-电离层耦合机制的研究已取得一些极具说服力的研究成果,但是目前尚需要积累更多案例资料,同时需要不断改进和完善观测技术和分析方法。地球低轨道卫星空间除了受来自地球的干扰,同时还受来自太阳活动以及磁暴、亚暴等事件的强烈干扰,为了能够对这个轨道空间电磁环境信息有一个较为全面的了解,需要利用近地球轨道电磁卫星数据认识其不同扰动条件下的背景信息,这是本论文的立题所在。本论文主要采用了DEMETER卫星和张衡一号卫星数据开展了电离层电磁波动现象研究。首先研制了CSES卫星电磁观测数据的电磁波传播特征的分析方法并利用DEMETER卫星数据对算法进行了验证;其次利用DEMETER对典型震例引起的电离层ELF频段电磁波动特征进行了具体分析;最后利用CSES卫星数据对2018年大磁暴期间ELF电磁波动变化特征进行了研究。具体研究结果如下:1.张衡一号卫星的电磁波传播特征分析方法及算法实现针对张衡一号电磁卫星记录的电磁场波形数据,研发了电磁波的波矢量分析工具包,该工具包包括了波形频谱变换、奇异值分解(SVD)方法以及Poynting能流计算。我们选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析,通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能。本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据和科学应用中。2.强震前后ELF电磁波扰动特征研究利用DEMETER卫星在2010年4月6日苏门答腊Ms7.8地震前后在电磁场300-800Hz频段内观测到了强烈的ELF异常电磁辐射。统计了2009年8月-2010年5月经过震中附近上空四条轨道的重访轨道,并进行滑动四分位分析,结果表明与空间环境相对平静并且无中等以上地震期间相比,主震前10天至3天震中上空附近区域ELF[300-800]频段的磁场强度出现了异常增强现象。利用DEMETER卫星详查模式下的波形数据进一步计算了波的传播参数,结果表明,在主震发生前10天和6天DEMETER卫星在经过震中上空时,均记录到了800Hz以下频段自下往上传播的异常电磁辐射。最后通过建立磁场长期背景场的方法,发现相对于地震区域长期背景场,在2010年3月21日至4月6日地震即将发生的时间间隔内,ELF[300-800Hz]频段的磁场确实存在异常增强现象,并且主要在震中东北地区。3.磁暴期间ELF/VLF电磁辐射现象研究利用张衡一号卫星电磁场观测数据研究了2018年8月26日强磁暴(-174 n T)期间的电磁波动现象。研究结果表明在该强磁暴期间张衡卫星的多载荷具有良好的一致性。研究发现磁暴期间在电离层高度出现了强烈的电磁辐射波动,如准周期辐射,嘶声增强等现象。准周期辐射的周期从1s-20 s变化不等,波矢量分析证明这种准周期辐射是典型的右旋哨声波模传播,相对磁力线的传播角度达到30°-50°,波印廷能流主要集中在垂直磁场的方向。嘶声波的波矢量传播特征跟准周期辐射一致,都是右旋极化,平面度良好。磁暴主相期间在ELF/VLF 3k Hz以下频段电磁波动在整个磁暴期间都有明显增强,电磁波的增强现象很广泛,L shell从2-4范围上波幅度的增强最明显,并且在恢复相约2-3天恢复到磁暴之前的水平。在高于3 k Hz频段上的波主要在主相和恢复相初期短时间内得到增强,在ELF/VLF内频段增加主相之后波动增强持续的时间变短。通过对磁分量功率谱密度日侧和夜侧观测发现,在本次磁暴中日侧ELF/VLF波动增强的强度和各相同频段之间波动持续的时间都远高于夜侧。