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火星是太阳系深空探测最重要的研究目标之一。从20世纪60年代的首个火星探测器水手4号至今，国际上陆续开展了一系列的火星探测任务，不断地增进了人们对火星电离层及其空间环境的认识。中国也计划于2020年发射火星探测器，实现对火星的探测和着陆巡视。本文对火星电离层的结构变化进行科学研究对中国下一步的独立火星探测具有重要的参考价值。 相比于地球电离层的海量观测数据，火星电离层的探测数据非常有限，主要有就位探测和遥感探测两类。基于遥感探测中的无线电掩星和雷达探测数据，本文研究并分析了火星电离层结构的变化特征及影响其结构变化的因素。本文主要研究成果总结如下: 针对掩星探测技术，开发了适用于太阳系各大行星及其卫星的大气和电离层反演软件系统(SHAO Planetary Occultation processing System，S-POS)，并利用NASA行星数据系统公布的火星快车(Mars Express，MEX)大气和电离层掩星观测数据反演了火星中性大气的分子数密度、压强和温度廓线，以及电离层的电子密度廓线。比较了单频S、X和双频差分掩星观测数据的电离层反演结果，表明单频S波段和双频差分的反演结果最为接近，单频X波段的电子密度轮廓相差较大。S波段反演结果低估了峰值处的电子密度，而X波段反演结果高估了峰值电子密度。如果在实际任务中无法获得双频掩星观测数据，S波段的电离层反演结果可以反映火星电离层的基本状态。 由于MEX掩星观测的垂直分辨率比早期的火星掩星观测更高，所以从MEX的双频差分多普勒掩星观测反演得到的电子密度廓线，可以看到火星日间和夜间电子密度廓线中的复杂结构变化。日间电子密度廓线普遍都有典型的M2和M1层的双层结构，廓线上部有电子密度的抖动和鼓包现象，M2和M1层的峰形态也存在变化，以及电离层底部因为流星消融或其他物理机制引起的很弱的电离。火星夜间电离层变化非常不规则，密度噪声比日间要高很多，M1层不是一直存在的，而且M2和M1层附近的结构变化比日间更复杂。基于MEX的电离层反演结果，建立了峰值密度和峰值高度与太阳天项角之间的经验公式，并比较了单层Chapman模型TEC(Total Electron Content)和测量TEC的差别。当55°＜SZA＜90°时，模型TEC值比测量TEC值低～0.1 TECU(1TECU=1.0×1016m-2)左右;当90°＜SZA＜120°时，模型TEC值比测量TEC值要低～0.05TECU左右。日间TEC的变化范围是0.1-0.6 TECU，夜间TEC一般都低于0.2 TECU。火星电离层板厚在日间的变化范围是40-60 km，夜间的变化范围是40-140 km，平均厚度是61 km。 对于雷达探测技术，则直接采用了火星快车的浅层地表雷达观测数据得到的总电子含量(TEC)结果，来研究火星壳磁场对火星夜间电离层日夜输运机制的影响。比较了南北半球的TEC相对于入夜时标(Time inDarkness，TD)的变化及其相关系数随SZA的变化的差异。通过按照壳磁场强度Bm和不同的磁场分量(水平方向分量By和垂直方向分量Bz)对南半球的TEC数据进行分组，来研究不同磁场情况下TEC随TD的变化。结果表明，进入夜间之后，东向磁场(By＞50nT)分组的TEC一般都高于西向水平磁场(By＜-50nT)的TEC数据。这说明东向的By磁场分量有利于日间向夜间的电子传输，导致了TEC的增加。强垂直壳磁场分组(|Bz|＞100 nT)的TEC比弱垂直壳磁场分组(|Bz|＜10 nT)的TEC偏高。原因是强的垂直磁场会阻碍东西方向的离子传输，但同时也有利于太阳风粒子和高能电子的沉降电离作用，最后仍然会引起TEC的增加。磁场强度较强和磁倾角也会影响TEC的大小，磁场强度较强或者磁倾角越接近垂直，TEC也越大。