利用GPS/LEO无线电掩星技术可以反演获得地球大气的各种参数。该技术具有高精度、高垂直分辨率、近实时、全天候、全球覆盖、低成本、长期稳定、没有系统漂移等优点，独立于现有的大气探测方法，可为现有的大气探测方法提供相互比对和补充。GPS/MET等掩星探测计划的成功实施验证了无线电掩星技术的可行性和准确性。目前GPS/LEO掩星资料已经业务运用到全球数值天气预报模式中，结果显示，掩星资料对改进数值天气预报有促进作用。另外，GPS/LEO掩星资料还可用于全球气候变化的研究、空间环境的监测以及大气模型的改进。它在气候学、气象学、测地学、地球动力学、空间天气等方面也有重要的研究意义。在地球大气的低对流层，水汽含量丰富、大气折射率结构复杂。GPS信号在大气中的传播会受到散射、衰减以及大气多路径、噪声、超折射等效应的影响。在中性大气反演过程中，通过各种无线电全息方法可以在一定程度上削弱大气多路径效应的影响。目前，比较成熟的全息方法主要有后向传播方法、滑动频谱方法、正则变换方法和全谱反演方法。本文将对各种全息方法的理论背景、关键环节、反演精度以及局限性进行详细比较和讨论。通过多相位屏技术对大气多路径和噪声条件下的信号进行模拟，应用各种全息方法进行反演，并将结果与真值(由折射率模型，通过Abel积分获得的结果)进行比较，评估它们的反演效果。利用全息方法对COSMIC掩星开环数据进行反演，将得到的折射率与对应的ECMWF分析场资料进行比较，讨论了各种全息方法的反演精度和局限性。本文的主要内容如下：1、介绍国际上的各种掩星探测计划：包括GPS/MET、CHAMP、GRACE、SAC-C、COSMIC等；描述地球中性大气反演流程。2、在给定大气折射率模型和卫星轨道的条件下，利用多相位屏技术模拟信号在地球中性大气层中的传播过程。模拟仿真可以实现大气反演中存在的大气单路径、多路径、超折射、噪声等各种扰动。3、分析表明，在大气多路径条件下，后向传播方法能有效地反演获得弯曲角和碰撞参数廓线，在信号的相位中加入噪声不会影响弯曲角反演结果。辅助屏的选择是后向传播方法的一个关键问题。但是辅助屏的位置不能事先确定，这是后向传播方法的不足之处。4、证实滑动频谱方法能够有效地减少大气多路径效应对弯曲角反演的影响，其探测深度低于后向传播方法，但是滑动频谱方法容易受到噪声的影响。COSMIC掩星资料的统计表明，噪声容易造成滑动频谱方法反演的折射率具有较大的正偏差和负偏差。5、经典的滑动频谱方法不进行局部极大频谱的辨别和剔除，其折射率反演结果容易受到噪声的影响。本文提出一种改进的滑动频谱方法，利用信号的振幅和谱能量信息剔除信号中部分噪声的影响，并对错误信号进行了截断处理。模拟实验和COSMIC统计结果表明，改进的滑动频谱方法不易受到噪声的影响，在一定程度上减少了经典的滑动频谱方法中出现的折射率正偏差和负偏差现象。6、模拟试验表明，正则变换方法能较准确地反演多路径条件下的信号，而且其辅助屏的选择一般不会影响反演结果。正则变换方法包含后向传播和坐标变换两个步骤，两个步骤都能减少衍射效应，但是后向传播可能比较耗时。7、利用全谱反演方法能准确地反演多路径条件下的信号，但是全谱反演方法依然会受到噪声的影响。COSMIC掩星观测与ECMWF分析场资料的统计结果表明：在5km高度以上，折射率相对误差小于0.5%。在热带的低对流层，折射率相对误差可能出现系统性负偏差，最大达到-1.5%，其原因可能是超折射效应的影响。