随着对地观测技术不断进步和发展,电离层探测从地基单站小范围探测转变成地基空基相结合覆盖全球范围长时间连续性观测。不断涌现的新探测手段,推动了电离层相关科学理论的研究和发展,揭示了各种电离层现象形成的物理机制,加深了对地球空间的环境认识。电离层的研究成果不仅能提高我国北斗卫星导航系统的导航定位精度,还能为交通运输提供高质量导航定位服务。因此对电离层的研究具备重要的经济价值、实用价值和科学研究意义。电离层电子含量变化包括时间维度和空间维度上的变化,其在时间维度和空间维度上连续变化且相互关联。本文利用电离层传统探测方式和GNSS观测方式获取的相关数据,在时空维度上,针对电离层电子密度反演、电离层电子含量预报和电离层电子含量异常探测研究中存在的问题,提出了更为合理可靠的电离层电子密度层析算法、覆盖全球的电离层电子含量预报模型和精准探测电子含量异常的新方法。本文主要研究内容和成果如下:（1）提出了一种基于几何向量法改进的电离层层析投影矩阵生成算法。传统像素基电离层层析投影矩阵解算过程复杂,解算结果存在一倍冗余且不能够直接得到唯一解,还需要进行判断才能得到满足条件的结果。新算法利用向量之间存在的几何关系将传统方法中解算三元二次方程问题简化成一元方程求解,减少了待求参数个数,降低了解算复杂度,不存在冗余解,无需进行二次判断即可得到唯一解,提高了一倍解算效率。（2）提出了一种基于Chapman函数和球谐函数的电离层电子密度反演算法。在像素基电离层层析反演电子密度过程中,解算结果会受到初值、三维空间离散化、数学模型合理性和有效GNSS射线空间分布等影响,使得反演结果无法真实反映出电离层电子在空间分布形态。新方法提出了一个连续可积的近似Chapman函数拟合电离层电子在垂直向变化形态,用球谐函数拟合Chapman函数的Nm F2和hm F2在水平向变化形态,不仅能反演出电离层电子随时间变化的空间分布形态,还能得到电离层Nm F2和hm F2在水平向的变化形态,拓展了GNSS在电离层研究中的应用。通过模拟实验和实测实验证实了像素基电离层层析算法中存在的问题,验证了新方法的可靠有效性。在实测实验中,与电离层测高仪实测的电子密度进行对比,Chapman函数层析算法相对于像素基层析算法,在100km200km范围内精度提高了27%,在300km以上范围精度提高了17%且决定系数R2达到0.986。（3）提出了一种基于深度学习的卷积长短时记忆网络对电离层电子含量进行全球预报的新方法。新方法利用了循环深度网络中卷积长短时记忆网络对图序列处理的优势,采用覆盖全球的电离层电子含量图时间序列数据,进行电离层电子含量预报。新方法充分利用电子含量在空间和时间上的有效信息,其输入和输出样本数据通为图时间序列,同时将原始电子含量图时间序列在以天为单位的时间维度上进行一次差分和二次差分,将差分后的数据作为另外两种输入样本数据,挖掘原始数据总蕴含的非平稳信息。实验表明建模样本时长将会影响预报模型精度;但是当建模样本时长超过一定长度,新方法预报模型预报精度不会受预报时长影响保持稳定;预报结果能够更加精细的描绘电离层电子含量在空间中分布细节;新方法预报结果对外界因素具有很强敏感度,可用于探究外界因素对电离层电子含量变化产生的影响。与CODE发布的一天电子含量预报产品相比,新方法预报精度平均提高了22.1%,其中最大提高了44.6%。（4）提出了一种新电离层电子含量异常探测方法。目前电离层电子含量异常探测过程中存在的非平稳信息影响会导致探测结果错误或失败。本文利用卷积长短时记忆网络电离层电子含量预报对影响电离层变化的外界因素敏感度,提供精确背景参考值用于电离层电子含量异常探测。通过对比滑动窗口法在静地磁环境和2016年日本熊本地震前复杂空间环境下对电离层异常进行探测,新异常探测方法获得的电离层电子含量异常和相对异常探测结果相一致。通过分析2016年日本熊本地震-电离层耦合性,发现地震发生前一天和地震当天在震中区域内存在持久的电离层异常现象可能与地震发生有关。实验分析结果表明:新异常探测方法能够准确可靠地探测出电离层异常,探测能力优于传统异常探测方法。