高精度的电离层空间三维电子密度对求取可靠的电离层延迟参数、研究电离层时空变化和扰动特征、为空间天气预报预警和灾害性地学事件提供有效数据参考都具有重要科学意义和应用价值。基于GNSS电离层层析重构技术以其探测时间长、范围广、使用费用低廉等优势,而成为电离层三维电子密度重构的重要观测手段;但是在电离层电子密度反演过程,由于基于GNSS的电离层探测观测视角有限、站点分布不均匀等局限性,会使得观测方程组法方程不适定(秩亏或病态),造成解不唯一或不稳定;虽然通过经验模型提供先验初值能够克服秩亏问题,但无信号穿越区域过度依赖于初值,其电子密度重构精度得不到有效改善;针对上述问题,本文研究工作主要集中在如下几个方面:(1)将选权拟合法思想应用到电离层电子密度反演中,通过选择合适的约束条件构造参数权矩阵,利用选权拟合准则函数增加法方程信息,发展了一种附有平滑约束条件的电离层层析算法,结果表明,该算法使法方程系数阵条件数显著降低,有效地解决电离层电子密度反演过程中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题,并通过数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性;(2)由于上述算法是直接算法,当提高电离层反演空间分辨率时,需要进行更大规模的矩阵运算,降低了运算效率的同时增加了法方程条件数;鉴于此,本文在自适应联合迭代重构算法的基础上,引入高斯加权函数对相邻像素间的电离层电子密度变化施加距离相关约束,提出了附约束条件的自适应联合迭代算法,该算法不但改善了无GNSS射线穿过的格网对先验初值精度的依赖,而且有效地提高了电子密度反演效率,并通过数值模拟实验和实测数据验证了算法的有效性和优越性;(3)由于以上算法施加的均是局部平滑约束,反映的为地磁平静条件下的电离层物理状态,为进一步发展适用于磁暴条件下的电离层层析算法,本文利用基于GNSS的电离层探测数据,分析了2003年8月及10月磁暴下中国区域电离层TEC的响应过程、响应特征,展示了中国南部和北部地磁台区电离层变化与局部地磁扰动的对应关系,并根据以上结果对其物理机制作了初步分析,为磁暴条件下电离层层析算法的建立奠定了理论基础。