GOCE是当今世界最新的地球重力场探测卫星，可提供大量高精度的引力梯度数据。本论文的主要研究目的即是利用该卫星提供的引力梯度数据，采用张量不变量算法反演得到相应的引力场模型，并对相关的应用问题进行讨论，主要内容和创新点如下:　　(1)利用约18个月GOCE梯度观测数据，首次实现了基于梯度张量不变量的引力场反演，所得引力场模型的有效阶次约为250，空间分辨率约80km。利用不变量的原因一是:张量不变量与姿态无关，利用该量进行引力场反演，姿态误差影响小;另一个原因是:反演中所使用的线性化模型直接建立了不变量扰动与径向梯度的关系式，因此可利用调和分析积分得到引力位系数，避免了大型方程组的解算，计算相对简单。通过模型阶方差、大地水准面等指标的对比，结果表明本论文反演模型的精度与官方发布模型一致。　　(2)研究了GOCE引力梯度数据的误差处理方法。总体来讲，论文主要在时域和空域依次对GOCE梯度数据进行FIR向前向后滤波、新息递归预估处理、格网处理等，依次滤除和削弱了低频误差、随机误差及粗差，为引力场反演提供了高精度的梯度信号，结果表明:论文所采用的误差处理方法简单有效，且不同于当前的主流方法，是论文的最大创新之一。　　(3)分析了引力东西分量、垂线偏差东西分量、引力梯度等传统球谐表达公式奇异性产生的原因，并根据勒让德函数的有关性质，进一步地推导和给出了上述各量在极区计算的非奇异公式，数值实验表明:该组公式非奇异，计算精度稳定可靠;且可充分利用勒让德函数的诸多研究成果，相对于笛卡尔坐标系下的非奇异表达可移植性更强，从而彻底解决了上述各量在极区计算的奇异性问题。　　(4)利用柯西积分定理，推导和提出了高阶勒让德函数计算的积分算法。大量的数值试验表明:相对于常规的递推算法，积分算法受递推累积误差影响小，因此精度更高，可高精度地计算至任一阶次。　　(5)利用Kaula轨道理论，分析了球谐模型中各阶引力梯度信号的时间频率分布，并推导给出了最大截止时间频率与阶的关系式，最终的滤波实验验证了该公式的正确性。　　(6)推导和提出了可用于引力场反演的新的不变量线性化模型。与已有的不变量线性化模型相比，不仅推导思路不同，模型精度也较高，且直接建立了不变量与引力位系数的表达式，最终的解算可利用最小二乘算法来完成，这为利用卫星跟踪数据和引力梯度数据的联合求解提供了便利。　　(7)推导给出了采用引力及梯度不变量进行匹配导航的算法和思路，数值试验表明:该算法充分利用不变量的特点，即对姿态观测要求低，精度高，可为特定情况下的高精度定位或导航提供方便。　　(8)利用GOCE引力场模型和卫星测高数据计算得到了全球的稳态海面地形和地转流速度图，并与GRACE计算结果进行了对比，结果表明:由于GOCE所提供的大地水准面具有更高的空间分辨率，因此更适合用于对洋流的研究，特别是对水流窄、流速快的边界流，GOCE优势更明显。