距地面60～2000km的电离层是地面与空间交互通信不可逾越的一道屏障。当无线电波经过电离层时会由于电离层的影响而受到一定程度的干扰,同时,电离层会对穿过其的高频电波起反射作用,使得其在短波通信和超视距雷达等应用中发挥着重要作用。因而,电离层及其应用研究一直以来都是国内外学者研究的热点之一。随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的不断发展和完善,使用GNSS数据进行电离层建模成为了电离层研究热点,电离层建模方法也越来越多。而在短波通信中,电离层的状态变化是影响短波通信效率和可靠性的重要因素。本文主要针对目前三维电离层建模中,现有算法复杂度较高且运算效率较低的问题,使用国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型提取经验正交函数(Empirical orthogonal function,EOF)作为垂直方向基函数,减少了反演未知数个数,提高了反演效率;以及针对三维电离层建模中数据不足的问题,通过添加虚拟观测值的方式增加了观测信息,提高了电离层反演精度;同时,针对电离层模型在短波通信链路预测中的应用进行了分析,分别使用电离层经验模型和电离层层析模型结合射线追踪技术进行了短波链路预测。主要研究内容如下:1.研究了使用GNSS数据进行电离层建模的预处理技术,主要包括利用GNSS双频数据提取电离层总电子含量(Total electron content,TEC)和载波相位平滑电离层TEC观测值,使用球谐函数模型估算差分码偏差(Differential code bias,DCB)及薄壳电离层模型参数,确保从GNSS观测数据中提取得到高精度电离层信息。2.使用欧洲区域GPS双频观测数据进行了区域三维电离层层析反演,并针对传统算法反演效率较低的问题,通过在IRI2016经验模型中提取EOF作为垂直方向基函数,大幅度减少了解算未知数数目,提高了反演效率。实验结果表明,解算时间明显缩短,且精度略高于传统方法。3.针对传统电离层层析中数据不足导致部分格网得不到有效修正的问题,提出了一种添加虚拟射线以扩充观测数据的方法。该方法通过在缺乏实际观测站的区域设立虚拟观测站,进而添加虚拟射线,并通过先前建立的薄壳电离层模型结合投影函数得到虚拟射线的电离层观测值,使射线的格网覆盖率较原来提高了近30%。实验结果表明,该方法可以在不影响实际观测射线丰富区域反演精度的情况下使原本缺乏射线穿过的格网电子密度得到有效反演。4.使用射线追踪技术和三维电离层模型构建了短波通信链路预测程序,并分别结合IRI2016经验模型和电离层层析模型进行了短波链路预测,针对短波发射仰角和频率对短波传播距离的影响进行了分析。