星间链路技术的运用、星载GNSS定轨技术的成熟及应用需求的增加,为导航卫星多源观测信息融合定轨提供了一种新的思路,以星间链路和低轨卫星星载数据为增强手段的联合定轨技术,对于降低导航卫星精密定轨对地面站依赖、提升系统性能具有重要意义。本文以我国在建的北斗全球导航卫星系统(简称BeiDou或BDS)精密定轨为应用背景,研究了综合利用地面观测数据、低轨卫星星载数据和星间链路数据进行导航卫星精密定轨的理论和方法。主要创新点如下:1.提出了基于低轨卫星的天基监测站和星间链路增强的导航卫星联合精密定轨的概念,丰富了多源观测信息融合定轨技术手段,实现了地基、天基及星间链路三类数据的联合定轨技术创新,为提高导航卫星定轨精度,改善区域监测站布设条件下精密定轨提供了一种新方法;2.详细推导了星间链路双向测距体制原理和星间距离的获取、修正及处理方法;给出了Ka分时观测星间链路数据的历元规划方法;建立了预处理后的星间测距观测量、星地L波段观测量及低轨卫星星载观测量与导航卫星先验轨道参数之间的关联关系;3.提出了基于低轨卫星增强的导航卫星联合定轨的数学模型、适于联合定轨的低轨卫星和导航卫星的动力学模型,给出了数据处理流程。导航卫星定轨实验表明:在区域站基础上增加1颗LEO卫星数据,导航卫星定轨精度改进幅度在径向、沿迹和法向约分别为11%~63%、25%~64%和25%~65%,沿迹和法向的改进效果较径向更突出;开展了星载数据增强北斗卫星定轨的首次尝试,结果表明,低轨卫星对GEO卫星沿迹方向定轨精度改进约1倍,对于IGSO卫星和MEO定轨精度改进不明显;4.提出了北斗星间数据和地面数据联合处理方法和参数估计方案,利用北斗试验卫星星间链路实测数据开展了联合定轨试验验证,分析了星间测量系统偏差参数估计方法的正确性和星间链路数据对于增强北斗地面区域站定轨的贡献率。实验结果表明:分时段估计的试验卫星设备时延参数短期变化较为稳定,平均值约为0.036m。利用激光检核试验卫星区域站定轨径向精度约为1.0m,通过星间链路数据增强,北斗定轨径向精度可提升一个数量级,精度约为0.2m,部分卫星优于0.1m;5.提出了作为天基监测站的低轨卫星星座优化设计模型,构建了基于导航卫星飞行区域的数值格网模型,并通过卫星演化分析验证了模型的合理性;利用该模型为量化指标,从星座基本构型、轨道类型、轨道高度、卫星数量等方面分析给出了适于导航卫星监测的天基低轨卫星的星座参数选择。分析表明,由处于500至750km轨道高度的太阳同步轨道卫星组成的Walker星座适于作为天基增强低轨卫星星座,且最少6颗卫星可满足对导航星座的全弧段监测覆盖;6.系统开展了地面监测站、低轨卫星星载及星间链路数据联合定轨精度分析论证,通过仿真分析探讨了低轨卫星数、轨道分布对于联合定轨精度的影响,比较了低轨卫星和星间链路数据对于联合定轨的效率。结果表明,均匀分布、合理布局的6颗低轨卫星轨道即可满足导航卫星联合定轨精度需要,相比较区域导航卫星定轨精度,URE精度由0.155m提升至0.044m,提升幅度达72%;7.针对参与定轨的各种数据差异较大,且星间数据中含有系统误差的特点,提出了Helmert方差分量估计赋权的方法,并针对严密方差分量估计方法对于定轨过程中参数数量约束的局限性,提出了联合定轨参数分类的数据处理方法。与依靠传统的利用观测数据精度赋权策略相比,Helmert方差分量估计方法定轨精度由0.075m提升至0.058m,整体精度约提升21%,R、T、N三个方向精度分别提升约31.8%、13.6%和20.4%。