地震电离层异常是目前电离层物理以及地震物理机制研究中的热点问题。震前、同震电离层异常现象的发生集中体现了地球岩石圈、中性大气层、电离层之间的耦合作用。高频、连续性的全导航卫星系统(GNSS)观测手段为地震电离层异常的研究提供了良好的技术基础。基于GNSS数据的电离层TEC(TotalElectric Content)数据的异常分析已经取得了很多研究成果。时间序列等分析方法大多基于局部的TEC时间序列的变化进行异常提取,没有在分析过程中消除电离层半年、27天、13.5天等周期变化等因素,影响异常分析的结果。在不进行拟合建模的情况下将STEC(Slant Total Electric Content)异常数据直接投影到穿刺点上,则能够高精度展现出电离层异常的二维空间分布和传播过程,避免了拟合过程中的误差影响分析的准确性。电离层三维层析是近年来兴起的一种能够在三维甚至四维空间展现电离层物理性质的分析技术。能够监测磁暴、电离层扰动、地震电离层异常中的垂直电子运动过程。但是由于传统层析方法主要基于国际参考电离层模型(IRI)作为背景场,迭代方法严重依赖于初始值的精度,在迭代过程中,电离层异常由于量级较小,容易被迭代误差淹没,导致分析结果不够理想。此外,由于观测数据量存在不足等问题,传统电离层层析的时间段多为1-2小时,而电离层异常变化较快,几分钟之内空间形态就会发生巨大变化。因此,高时间分辨率的层析算法还有待实现。本文的研究工作的主要目标是:系统分析电离层异常探测算法中存在的问题,提出一种能够消除电离层长周期变化的异常探测方法。同时基于现有的GNSS观测数据进行高精度、高时间分辨率的地震电离层异常分析,准确提取地震电离层异常出现的时间、空间分布以及传播过程,获得有意义的研究成果。本文的研究工作主要集中在以下几个方面:1.系统地介绍了电离层的物理特性、现有的电离层探测技术和电离层经验模型。同时详细阐述了 GNSS技术获取电离层TEC的方法,以及电离层二维、三维建模的计算方法。三维电离层层析是典型的反演问题,本文分析了目前电离层层析计算方法中的迭代和非迭代重构算法。而由于GNSS射线分布的不均匀性,通常只能用迭代方法解决反演过程中的不适定问题。2.系统分析了电离层异常探测方法,并提出了一种基于奇异谱分析的,能够摒除电离层长周期变化因素的地震电离层异常探测方法,并在尼泊尔地震震前电离层异常分析中验证了该方法的有效性和准确性。3.基于滑动平均去趋势、二维dSTEC(detrend STEC)分析、无初值三维层析方法,对日本Tohoku地震电离层异常进行了提取分析。分析发现在地震后UTC时间6:00开始出现明显的电离层扰动现象。二维dSTEC分析结果显示出震中上空区域出现了块状南北对称的正负电离层异常分布,随后呈环形波纹状向周围扩散,其中环形波纹为正负交替的形态,说明由地震相关活动引发的声重波、瑞利波导致了该区域的电离层自由电子向四周运动,造成波峰过后电子含量减少,形成负异常。随后到来的波峰又带来大量自由电子,形成新的正异常。利用高密度、高时间分辨率的日本GEONET观测网络数据进行了一历元的三维层析。三维层析结果不仅展示出了同样的水平分布,同时探测到了该区域由下向上输运电子,在到达200-500km后向周围扩散的传播过程。4.利用基于奇异谱分析的电离层异常探测方法对尼泊尔地震震前电离层异常进行探测,确定了异常出现的时间为震前第三天,并确定了异常出现的区域范围。同时基于全球电离层地图(GIM)数据对该区域进行异常提取,提取结果与奇异谱分析的结果十分一致。为了进一步分析异常的精细空间形态和传播机制,利用电离层层析技术,以2015年3月26日至4月9日反演结果作为背景场,对4月23日反演结果进行异常探测,探测结果与上文中奇异谱分析以及卫星穿刺点轨迹STEC方法的探测结果基本吻合。三维层析结果进一步反映出电离层异常随高度的变化情况:电离层异常出现在4月23日9:00～15:00UT,峰值位置约为30。N,105° E,主要分布在200～400km高度范围内;100～300km随着高度增加,异常峰值逐渐增大,异常范围扩大;300～500km,随着高度增加,异常峰值逐渐减小,异常范围缩小,异常随高度变化规律与电离层电子密度垂直分布规律相一致。