电离层的色散性质,让穿过其中的GNSS(Global Navigation Satellite System)信号受到折射影响,出现路径弯曲、时延以及相位提前等现象,不同频率信号受到不同程度影响。GNSS信号受到的电离层延迟与信号路径上的电子密度总数(Total Electron Content,TEC)呈正比,与信号频率的平方呈反比。电离层导致的GNSS信号伪距、相位误差一般在10米量级,严重影响了GNSS定位精度。差分GNSS双频信号伪距或相位可以提取电离层TEC,这一特征让GNSS成为了监测电离层的重要手段。随着数字化的推进、5G时代的来临、以及航天器等设备在电离层活动的加剧,对电离层监测的精度要求将会越来越高。然而目前基于GNSS的高精度TEC估计还存在着很多缺陷。其中之一就是投影函数过于简单粗暴,其误差广受诟病,许多学者尝试建立新的投影函数,但基于薄层模型的标准几何投影函数仍然是使用广泛的投影函数之一。一方面是将电离层假设模型复杂化后,投影函数会变得的十分复杂,甚至难以显示表达,这和电离层复杂的结构以及不稳定性相关。另一方面投影函数的精细化也可能意味着其区域差异性的扩大,全球电离层的区域差异很难用一个通用而又具有高精度的投影函数来表达。另外基于GNSS的高精度TEC估计受限于其技术框架,VTEC(Vertical TEC)模型误差、投影函数误差、硬件延迟(Differential Code Biases,DCB)误差、观测误差相互影响,总的误差难以控制,其最终必然会被更加合理更接近真实情况的三维电离层层析模型所取代。在此背景下,本文旨在研究基于GNSS的高精度TEC估计方法,以及反演电离层电子密度的层析算法。本文的主要工作如下:(1)文中首先介绍了基于GNSS的高精度TEC估计技术的原理及框架,通过试验对比了四种VTEC模型的精度,分析单站情况下各种方法在不同截止仰角情况下以及不同估计策略下的精度。(2)在此基础上,研究了薄层高度的影响,进一步提出使用最优薄层高度来提升TEC估计精度,并给出了最优薄层高度的概念,同时提出了估计方法,基于不同纬度IGS(International GNSS Service)站点一个太阳活动周期11年的数据,对最优薄层高度进行了具体分析并利用长期估计的结果,建立了适用于每个站点的薄层高度模型,通过将模型预测的最优薄层高度应用于DCB估计,验证了最优薄层高度的准确性。(3)进一步开展了电离层三维层析反演研究,首次提出了利用压缩感知技术进行区域电离层层析的方法(CSCT)。通过国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型输出的电子密度构造字典,深入研究了电离层电子密度的稀疏表示方法,同时利用权重矩阵优化观测矩阵性能,通过Ne Quick 2模型获取比例因子,以保留更多观测来弥补观测矩阵性能欠缺。基于中国区域和欧洲区域GNSS和电离层垂测仪数据进行了验证试验,结果表明CSCT方法具有很好有效性和精度。