电离层电子密度及总电子含量(TotalElectronContent，TEC)是监测和掌握电离层时空变化规律的重要物理量。然而，实际研究应用中，电离层TEC模型的建立通常基于薄层假设和经验投影函数，获得的电离层TEC只能反映电离层水平结构，无法展示电离层的垂直结构，从而严重限制了电离层监测和建模精度。基于GNSS的电离层层析成像技术通过将电离层进行分层研究，能有效缓解甚至克服电离层薄层假设及经验投影函数对电离层监测的影响，在电离层形态监测方面具有重大的科学意义和应用价值。　　近年来电离层层析研究工作取得了可喜进展。但由于电离层层析反演技术的复杂性，还有许多问题尚需进一步深入研究，如:电离层层析中不适定问题的存在引起反演结果不唯一或不稳定性问题及其相应算法的研究，电离层模型与数据的同化方法的研究，三维电离层时变模型的构建等等。本文研究工作的主要目标是:通过分析电离层电子密度层析反演过程中不适定问题产生的原因以及常用的电离层层析反演算法存在的问题，研究相应的解决办法;探讨多源数据融合的电离层层析技术;探讨基于模式参数拟合的三维层析模型的构建，实现电离层时变三维模型参数的实时估计。概括起来，具体研究工作主要集中在以下几个方面:　　1.提出了一种附加平滑约束的电离层层析代数重构算法(CMART)　　代数重构算法在电离层层析中应用广泛，可以克服由于数据缺失而引起的模型参数信息的缺乏带来的不适定问题。然而在实际的基于代数重构算法的电离层层析反演中，通常因观测信息的不足，致使部分像素中没有任何观测信息，从而导致这些像素内的电子密度值只能依赖于迭代之前经验模型赋予的初值。针对这一问题，本文提出了一种附加平滑约束的代数重构算法。该算法利用相邻像素间的电子密度具有连续性以及平滑性，采用近似高斯距离加权函数的平均滑动窗口对反演区域内的像素进行平滑约束，在一定程度上克服那些没有观测信息的像素对初值的依赖，并避免像素间电子密度值发生大的突跳，从而提高电离层电子密度重构精度。利用实测数据反演结果证实了该算法在提高观测信息稀少的电离层像素内电子密度反演精度的有效性。　　2.结合选权拟合和Kalman滤波的时变三维电离层层柝反演方法研究　　基于层析成像技术的电离层电子密度解算过程中普遍存在不适定问题，是电离层电子密度线性解算所必须解决的关键问题之一。本文借助选权拟合法思想，通过选取合理的水平方向及垂直方向上的约束方程，从物理意义上增加有效信息量，进一步缓解了电离层电子密度反演的不适定问题。然后结合选权拟合和Kalman滤波算法，利用中国陆态网络观测数据实现了区域电离层电子密度时变三维解算，并验证了其结果。　　3.首次利用北斗导航卫星观测数据联合GPS观测的电离层层析反演　　电离层层析成像技术中由于观测信息的不足而导致的不适定问题，通常难以完全依靠反演算法的改进和发展。很多情况下，充分有效发掘和利用多种数据源进行电离层探测是一条更为有效的途径。本文基于数量有限的区域北斗观测资料，首次探讨和研究了利用北斗导航卫星观测数据监测和反演电离层电子密度的可行性与技术特点，初步展示了北斗/GPS联合反演电离层电子密度的优势和潜力。同时，北斗卫星增加的星间链路通信从全球范围丰富了电离层观测信息，为克服我国北斗区域布站为主造成的全球电离层模拟困难提供了可用资源。基于北斗及GPS仿真数据，融合地基观测数据与星间链路观测数据，分析了电离层对星间链路通信的影响，研究了在区域布站为主的前提下提高在全球范围内确定电离层延迟精度的重建方法及应用效果。　　4.联合地基/星载GPS观测的电离层层析反演，实现了全球电离层电子密度监测　　由于地面监测站分布不均匀以及有限仰角的限制，使得利用地基GPS观测的电离层层析反演的垂直分辨率通常相对较低，而低轨卫星上的无线电掩星观测则具有较高的垂直分辨率。为此，本文研究了联合地基/星载GPS的电离层层析反演方法。利用COSMIC低轨卫星星座上星载GPSTEC值，联合中国陆态网络的地基GPS观测，结合代数重构的层析方法反演了电离层电子密度。研究结果表明了星载GPS观测能有效提高电子密度反演的垂直分辨率。同时，利用全球IGS跟踪站提供的地基GPS观测联合星载观测数据，结合CMART算法，反演了全球电离层电子密度大尺度的时空分布，分析和研究了全球电离层电子密度周日变化、周年变化及冬季异常等一些电离层电子密度结构特征，实现了全球电离层电子密度监测。　　5.构建了基于模式参数拟合的电离层时变三维层析反演模型　　电离层层析反演方法中一个重要的研究方向便是基于函数基的时变三维层析模型的构建。相比于基于三维格网的层析方法而言，基于函数基的层析方法是基于最优估计理论发展起来的，因此，该方法一般应用于以获取最优值为目的电离层延迟改正。本文研究了基于经验正交函数和低阶球谐函数构建的三维电离层层析模型，利用Kalman滤波解算方法实时估计三维电离层模型参数，并验证了该反演算法重建电离层延迟的性能，为最终实现三维电离层实时建模奠定了基础。