在国防建设、军事气象保障及航天领域中，大气密度参数的计算非常重要。但由于高层大气密度受到季节、温度、湿度、昼夜、地球形状等各种因素的影响，其变化规律相当复杂，加上早期的观测资料精度的限制，人们还很难完全掌握高层大气的分布特性，使得大气密度模型的发展步伐根本就赶不上各个航天服务领域对模型精度越来越高的要求。因此，探测和研究大气密度的分布和变化规律具有非常重要的意义。本文在查阅了国内外相关研究成果基础上，做了如下工作：1、介绍了卫星重力探测技术的发展及其在大气动力学中的应用，并对国内外大气模型的发展及其反演的研究概况进行了详细阐述。2、系统地介绍了GOCE卫星计划、任务目标以及重力梯度测量的基本原理，并对大地测量中反演的一般理论进行了一些研究，将最小二乘算法引入到大气密度反演的领域中来，建立最小二乘算法反演大气密度的反演模型。3、详细讨论了大气空间圆柱体模型，并列出了大气圆柱体模型在空间某点处产生的引力位、引力以及梯度的详细计算公式，推导了基于NADM大气圆柱体模型的梯度；然后论述了GOCE卫星重力梯度数据中的大气信息提取，详细介绍了地核、固体地球各圈层及整个固体地球在卫星轨道上某点处产生的引力位、引力及梯度。4、以本文建立的单一数据反演计算的数学模型为基础，利用最小二乘法结合卫星重力梯度测量数据进行了反演试算，得到了较满意的反演结果，并对反演结果及误差进行了详细的分析。