在以维持统一时间、空间为目的的天基传感网中,卫星子系统的时空系统基准维护具有重要而基础的作用。利用星间链路进行星间精密测距的卫星协同定位,可以让整个星座即使在没有地面支持的情况下长时间地维护一个可用的时空基准,具有很高的实际意义和战略价值。由于卫星运动模型的非线性性,传统的协同定位理论和分析方法不能直接用于分析卫星协同定位的性能和误差演化特性,制约了卫星协同定位的发展和研究。此外,要在实际中实现卫星的协同定位,需要设计一套高性能的分布式协同算法,使得在提供足够的协同定位精度的同时,让算法和系统具有更高的灵活性。同时,介于卫星上的链路资源以及功率资源都非常有限,如何优化这些资源,在保证同样的定位精度条件下,尽可能减少资源利用,提高系统效率,也是优化卫星协同定位设计的一个重要实践问题。围绕这些问题,论文重点研究了如下关键问题:1、卫星协同定位可观性和误差演化特性的理论框架。理论的分析可以论证卫星协同定位的可行性,并能以解析的方式刻画卫星协同定位误差随时间的变化情况。由于卫星运动模型的非线性特征,传统的协同定位分析框架无法适用于卫星的协同定位特性分析中。而已有的对卫星协同定位的分析方法中,仅仅是针对某些特殊情况、在开普勒轨道根数状态空间中进行分析,难以用解析的方式分析卫星协同定位的误差特性。因此解析地分析动态情况中的卫星协同定位性能是本文研究的第一个关键问题。2、卫星协同定位的分布式滤波算法设计。在卫星协同定位的工程实践中,相比于集中式的滤波算法,分布式算法具有更好的抗毁性和灵活性。然而现有的分布式方法也有不足:一般的分布式算法的性能无法与集中式方法相比,而能和集中式算法保持相同的性能水平的分布式算法则对星间链路的通信资源提出了过高的要求,占用了宝贵的星间链路资源。为此,如何设计一种新型的分布式卫星协同定位算法,在提升定位精度的前提下,进一步降低星间通信资源的消耗,成为本文研究的第二个关键问题。3、卫星协同定位的星间链路优化。不同的星间链路能够提供的测量信息是不同的。在相同条件下,相距较远的卫星星间链路所能提供的测距信息要比相距较近的星间链路少,即误差更大。测量卫星间的不同构型也会影响卫星定位的性能,这是由于测量信息的方向性所导致的。卫星的位置误差也会包含在星间测距中。这些因素都为如何优化星间链路的选取带来了必要性和复杂性。如何选择合适的指标对星间链路测量进行优化,成为本文研究的第三个关键问题。对于卫星协同定位的理论框架,本文提出了一种在笛卡尔坐标系下卫星协同定位性能和误差演化的理论分析框架,它能够用解析的方式分析卫星协同定位性能以及误差演化的性质;对于滤波器设计,提出了一种基于状态缓存的卫星分布式协同定位,能够在仅用极少的链路通信资源的条件下,获得比传统分布式方法更高的定位精度;对于星间链路优化,提出了一系列用于优化星间链路的指标,并针对这些优化指标,提出了启发式和基于凸优化的方法对其进行优化。这些技术方法均通过了理论分析和仿真验证,证明了技术可行性及有效性,可以为卫星协同定位和天基传感网的设计提供理论指导和设计依据。