电离层垂直分布特征对电离层物理和空间环境变化的监测都有着重要的意义。电离层层析成像技术(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)的出现为监测电离层垂直结构提供了可能,电离层层析通过对电离层进行分层研究,克服了单层假设和投影函数对称性带来的影响,不仅在地球空间环境监测研究中具有很大的优势,在空间定位领域电离层误差的改正方面,也表现出比单层模型更好的优势。近年来,电离层层析技术从算法研究到理论应用等方面都得到了长足的发展,但是受到观测条件和测站分布等多种因素的影响,可靠的电离层层析算法等关键性问题还有待进一步的完善和改进。本文针对电离层层析算法中存在的问题,提出了一种附加双格网约束和速度参数的电离层层析算法。为了综合利用DORIS两频段数据频率比率较高,可获取更高精度TEC的优点,研究实现了一种联合GIM TEC和DORIS ATEC获取绝对TEC的数据处理方案。最后联合GNSS数据、DORIS数据以及测高数据建立四维电离层时变模型,在空间定位和电离层扰动探测等方面验证和探讨了四维时变模型的有效性和应用优势,获得一些有益的结论。具体而言,本文主要研究内容如下：(1)提出一种针对DORIS载波数据估计电离层变化速度的方法,为了保证获取参数的可靠性,引入了以标准差为基础的精度评价指标,在得到了电离层变化速度项之后,进而提出了一种针对DORIS数据预处理的周跳探测改进算法,利用海洋二号星载DORIS数据对方法的可行性就行了验证。为了综合利用DORIS获取VTEC高精度的优势,本文首先根据GIM TEC进行参数的初估计,之后将估计得到的参数和精度作为虚拟观测值联合DORIS ΔTEC对初估计得到的参数进行滤波修正。最后在获取了绝对VTEC的基础上,本文给出了一种基于卫星轨迹的电离层区域建模方法,并将模型应用到地中海区域的海洋二号测高数据处理中,通过与各类不同模型的比较,得到了一些有益的结论。(2)由于观测信息的不足而导致反演过程中出现不适定问题,附加电离层先验信息约束以改善法方程状态是解决这一问题的有效方法。提出基于IRI模型增加双格网虚拟观测值的方法来施加先验约束,极大地改善了法方程的状态。在此基础之上,为获取电离层电子密度实时变化信息,引入了格网电子密度速度项参数,与电子密度参数一起求解。利用模拟实验验证了新算法的可行性,进一步重构了平静地磁条件下,欧洲区域上空电子密度周天变化,利用和电离层测高仪轮廓线的比对,验证了新算法的可靠性。(3)多维电离层模型可以削弱单层假设和投影函数对称性对电离层改正产品精度的影响。基于此本文提出了直接利用四维电离层模型计算斜路径TEC为单频定位提供电离层改正的思路。并选择了低纬澳洲和中纬欧洲两个区域,设计完成了两组验证实验,探讨多维电离层模型在空间定位中的应用。通过与独立检核站双频观测值求取的STEC、 GIM模型、IRI2012模型比对,发现所建立的四维模型在低高度角时具有更高的精度。另外在地磁条件较为剧烈的情况下,水平方向上精度最大有25%的提高,垂直方向上最大有20%的提高。多维时变电离层模型在极端电离层状态下表现出较好的适用性。(4)联合利用设置在日本岛附近的IGS站GNSS数据、DORIS观测数据和测高卫星测高数据反演了Tohoku地震发生前后电离层四维层析图像,并利用电离层测高仪数据和全球雷电检测数据对层析结果进行了验证。对比2月18-2月20日三天四维电离层电子密度图像,发现3月8日Kp指数和Dst指数较低,但3月8日出现了明显的电离层异常,特别地在震中上方300km-550km高度面上出现了向垂直和水平方向波状传播的区域性电离层异常,并且垂直方向传播距离和幅度较水平方向大,同时波形中心不在地震正上方,而是向144度经度面偏移。在震中上方100km-200km范围内,电子密度速度项有明显的区域性增加现象,即便3月8日较3月7日,速度项仍有较大提高。上述区域性电离层异常很有可能与Tohoku地震孕育有关