热层（Thermosphere）是距地球表面90-600 km的中性大气圈层,作为日地相互作用重要的一环,其变化特征主要受到太阳活动的调制,与电离层和低层大气也存在着复杂的耦合关系;同时作为人类航天器空间活动的主要区域,热层大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹。因此研究热层不仅对深化认识日地联系、热层-电离层耦合关系有着重要的科学意义,而且在航天器轨道确定及预报等航天工程领域具有重要的应用价值。本论文利用多源卫星数据反演了热层大气密度,基于反演密度研究了热层大气对磁暴和日食等事件的响应等科学问题;同时,量化了磁暴对航天器轨道的影响,优化了热层大气经验模式,并在航天事故原因研判、空间残骸陨落预报等工程领域进行了初步应用。主要工作总结如下:1.基于多源卫星观测数据反演热层大气密度我们发展了基于低轨卫星精密轨道数据的热层大气密度反演算法。结果表明,采用数值积分计算重力场做功的策略优于传统的解析方法,特别在太阳活动低年或者卫星轨道较高等情况下,可大幅提升反演精度。同时,在轨标定了 GRACE、Swarm以及GRACE-FO等卫星星载加速度计数据,获取了高精度高时空分辨率的热层大气密度观测数据,其中GRACE-FO加速度计反演密度系最先公开发布的密度数据之一。此外,本文比对了当前基于航天器轨道跟踪数据（TLE）、精密轨道数据（POD）以及加速度计数据,反演热层大气密度的各类算法及其优缺点。TLE数据具有跟踪目标多、持续时间长的优点,但是时空分辨率低,一般用于热层气候学研究以及大气模式标定等领域;加速度计数据精度最高但是数据量最为稀少,可用以研究热层大气精细变化特征;精密轨道数据则可以提供精度较高且数据量较大的热层大气观测数据。2.热层大气对磁暴以及日食等事件的响应本文报道了热层大气响应分点磁暴的半球不对称性特征。基于GRACE、Swarm等低轨卫星实测数据,实现了磁暴期间对热层大气多高度、多地方时的联合观测。发现热层大气对磁暴的响应具有独特的特征:即使在春秋分点也存在显著的南北半球不对称性,而且这种不对称性存在高度与地方时依赖性;此外,观测显示磁暴造成的热层大气扰动在夜侧主要通过波动（TAD）的形式从高纬传播至低纬地区,在日侧则会更快地扩展至低纬地区。首次从观测角度发现并证实了日食对热层大气密度的影响。基于GRACE和GOCE加速计数据反演密度,研究了日食对热层大气的影响。结果表明,日食期间在GRACE运行高度（360和480km）大气密度下降了约20%和25%。在GOCE运行高度（～270km）大气密度下降了约10%。另外,日食不止造成月影区局地的大气密度衰减,该扰动还可以波动的形式从日食结束的黄昏区域传播至黎明区域,产生全球性大气扰动。3.热层大气研究在空间技术领域的应用我们使用优化后的能量守恒算法,精确提取了大气阻力造成的航天器轨道变化,量化了磁暴对航天器轨道的影响。基于GRACE、Swarm卫星轨道数据,研究了不同强度磁暴对不同高度上卫星轨道的影响。结果表明:在中等强度磁暴期间,航天器轨道衰减率增加至平静时期的2～2.5倍;对于一些剧烈磁暴,轨道衰减率可以增加至8倍。另外,本研究分析了 2022年2月3-4日磁暴造成的Starlink卫星发射失败案例。分析结果显示导致任务失败的原因可能是,磁暴导致的热层大气密度增强的持续时间超出预期,以及磁暴导致的大气阻力矩增加导致卫星模式切换失败两种因素叠加所致。同时,我们基于TLE数据提升了热层大气经验模式现报精度。通过建立目标航天器筛选标准,从全天空数以万计的空间目标中筛选了合理的星座组合,结合滤波算法,实现了对全球热层大气密度的估计以及预报。优化后的大气模式具有更高的计算精度,且能够更好地描述磁暴期间热层大气的变化特征。采用优化后的全球热层大气模式对长征5B火箭一级残骸陨落时间进行了预报,提前五天的预报误差约为4小时,基本达到国际目前先进水平。本研究实现了自主反演热层大气密度,获取了第一手观测资料,为科学研究和技术应用奠定了坚实的数据基础,并基于反演数据分析开展了对热层大气对空间天气事件响应等问题研究,也提升了热层大气模式精度,为保障实际航天任务提供了理论和技术支持。