在GNSS导航定位中,电离层作为重要的误差源之一,其引起的时延误差可以达到数米到数百米,严重影响了导航卫星系统的定位精度,尤其是对大量的单频定位用户。但同时,GNSS又为电离层监测提供了一种全新的技术手段。相比于传统电离层监测技术(电离层垂测仪、大功率散射雷达、激光雷达等),GNSS以其反演精度高、覆盖范围广、全天候连续监测以及可测量2000 km以上的等离子层电子含量等优点,成为当前电离层监测领域的研究热点。尽管GNSS电离层监测技术已历经近二十年的发展,并在电离层模型及相关应用方面取得了一大批丰富的研究成果,但是仍然存在一系列问题需要深入研究。特别是以GPS、GLONASS、BDS和Galileo等为代表的全球卫星导航系统的蓬勃发展,为GNSS电离层研究带来了前所有未有的机遇,但同时更多的卫星数量、信号类型、复杂的星座构成以及海量的观测数据,也为其带来了更多的挑战。本文旨在研究GNSS电离层TEC监测理论与方法,力求在现有研究基础上建立高精度电离层TEC模型。围绕这一目标,本文首先从电离层TEC观测值提取和多系统GNSS融合两方面研究了提高电离层TEC建模精度的方法;然后,基于多系统GNSS的高精度电离层TEC模型,实现了 GPS、GLONASS、BDS及Galileo差分码偏差参数的精确估计;最后,在GNSS电离层监测的应用方面,提出一种基于时间序列法(ARIMA模型)的震前电离层异常扰动探测新方法,解决了目前传统电离层异常探测方法存在探测正确率低的问题。并在此基础上,自主研制了一套GNSS电离层数据处理、建模与监测的软件平台(Global Ionosphere Monitoring Platform,简称 GIMP),实现了基于多系统 GNSS 观测数据的电离层TEC格网产品和多系统DCB产品的日常生成以及电离层异常扰动的日常监测。本文的主要工作和贡献如下:1)详细阐述了 GNSS电离层监测的基本原理与方法,总结了当前GNSS电离层研究面临的主要问题,分析了利用GNSS技术监测电离层所受的误差影响。最后,详细归纳总结了当前常用电离层投影函数模型表达与计算方法,并深入分析了不同投影函数随高度角及单层高度变化的投影差异。2)研究并实现了基于非差模糊度整数解的电离层TEC观测值提取方法,详细论述了该方法的实现流程及处理策略。利用短基线/零基线实验和单频精密定位实验分析了该方法及传统电离层TEC提取方法的精度和可靠性。站间单差的实验结果表明:相位平滑伪距法、非组合PPP法和非差模糊度整数解法提取的电离层TEC观测值平均误差分别为1.81 TECu、0.59 TECu和0.15 TECu,平均单差最大值分别为5.12 TECu、1.68 TECu和0.43TECu。相较于相位平滑伪距法,非组合PPP法和非差模糊度整数解法的提取精度可以分别提高67.3%和91.7%。由单频PPP定位结果表明:非差模糊度整数解法的电离层TEC改正效果不论是收敛速度、改正精度还是定位结果的可靠性均为最优。同时,非差模糊度整数解法求解的电离层TEC观测值不存在负值点等异常情况,而且对于短弧段观测数据依然具有较高的提取精度,这对于未来利用观测时段较短的低轨卫星观测数据提取高精度电离层TEC观测值具有重要价值。3)利用MGEX及IGS跟踪网的观测数据研究了多系统GNSS对全球电离层TEC建模精度的影响及贡献,从不同角度分析和评估了多系统GNSS电离层TEC建模的精度。实验结果表明:目前基于多系统GNSS的全球电离层TEC建模精度并没有得到明显提高,其精度基本与CODE等分析中心的电离层产品精度相当,仅在少部分区域得到提高,说明BDS和Galileo系统对当前全球电离层建模中贡献有限。其主要原因是BDS和Galileo系统当前的可视卫星数有限,同时MGEX观测网测站尽管已有100余个,但是大多数测站集中分布在某几个区域。4)利用中国陆态网的三系统(GPS/GLONASS/BDS)观测数据建立了中国区域电离层TEC模型。实验结果表明:BDS系统具有与GPS和GLONASS同等的电离层监测能力；多系统组合后,电离层建模精度有所提高,特别是区域边缘的电离层模型精度提高相当明显;从DCB估计精度的角度分析,多系统组合可以显著提高各系统卫星DCB的估计精度。5)针对当前利用GLONASS观测数据进行电离层TEC建模时未考虑GLONASS接收机频间码偏差(IFCB)影响的现状,深入研究了 GLONASS IFCB对电离层建模精度及DCB估计精度的影响。实验结果表明:顾及与不顾及IFCB会对电离层建模结果产生0.53～1.13 TECu左右的平均偏差(标准差为0.98～1.75 TECu左右);顾及IFCB后,GLONASSCIC-CIP和C1P-C2P的接收机与卫星DCB.综合偏差值的估计精度会分别由0.193ns和0.434ns减小到0.045ns和0.153ns。因此,目前不顾及GLONASS IFCB偏差对电离层建模精度的影响相对较小。但是,随着未来用户对电离层模型的精度要求不断提高,该影响也将成为必须考虑的误差项。而不顾及GLONASS IFCB会明显影响GLONASS DCB的估值。6)为了提高多系统DCB参数的估计精度,在现有研究基础上,提出利用多系统GNSS观测数据建立的高精度电离层TEC模型来修正电离层TEC观测值中卫星视线方向上的电离层误差,然后精确估计DCB参数。基于MEGX观测网数据实现了包括GPS、GLONASS、BDS和Galileo系统的DCB参数精确估计。通过对2015年1月至2016年12月两年的卫星DCB估计结果进行分析,发现在DCB参数精度方面(与DLR和IGG产品比较):基于多系统GNSS电离层TEC模型确定的GPS和GLONASS卫星端频内DCB参数的精度分别为0.1ns～0.2ns和0.2～0.5ns;GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星端频间DCB参数的精度分别为0.2ns,0.3ns,0.3ns和0.5ns。在月稳定度方面:SGG确定的GPS和GLONASS频内DCB参数的月稳定度分别优于0.032ns和0.11ns;GPS、GLONASS、BDS及Galileo频间DCB参数的月稳定度分别优于0.12ns、0.16ns、0.15ns及0.14ns;就整体而言,SGG产品的月稳定度与DLR和IGG总体相当,略差于DLR,略优于IGG。7)提出一种基于时间序列法(ARIMA模型)的震前电离层异常扰动探测新方法(两步法),解决了目前传统电离层异常探测方法存在探测正确率低的问题。详细分析了新方法与传统方法预测参考背景值的精度,实验结果表明.：时间序列法(ARIMA模型)预测背景值的相对精度和绝对精度均要优于传统方法;在电离层活跃期,时间序列法依然能保持较高的精度。最后,以2012年1月10日苏门答腊岛7.2级地震为例,对比分析了新方法与滑动时窗法的探测效果。发现滑动时窗法的探测结果发生异常的天数要明显多于时间序列法,而且一旦出现异常,随后数天都有异常发生,同时正负异常并没有一定规律,而新方法能较好的解决该问题。