按照“先区域,后全球”的三步走战略,中国将于2020年前后建成北斗三号卫星导航系统,在全球范围内提供定位导航授时(positioning,navigation and timing,PNT)服务。空间信号精度是决定卫星导航系统服务精度的核心因素,也是卫星导航系统建设水平的重要标志。由于目前北斗系统只能在中国境内布设地面监测站,北斗系统对MEO卫星的可监测弧段仅有约40%,当MEO卫星运动到境外时,地面监测站对卫星的跟踪、观测和通信中断,导致卫星轨道和钟差精度下降,严重影响了地面监测范围以外MEO卫星的空间信号精度,难以满足北斗全球PNT服务的精度要求。北斗三号卫星上搭载了Ka波段星间链路载荷,实现了卫星与卫星之间的距离测量与通信,可以为北斗三号PNT服务空间信号精度的提升提供有力支撑。另外,越来越多LEO卫星上搭载了GNSS接收机,建立了导航卫星与低轨卫星之间的高低轨星间测量链路,有望作为“天基动态监测站”,弥补区域地面监测站的短板,提高北斗三号空间信号精度及其PNT服务性能。本文围绕联合地面监测站观测数据、星间链路观测数据和星载GNSS观测数据进行精密定轨与时间同步的相关问题,开展利用星间链路提高北斗系统空间信号精度及其PNT服务效能的研究。论文的主要工作及创新点如下:1.对北斗三号星间链路观测数据进行了分析。结果发现,北斗三号依托星间链路构建了一个高轨卫星(高)-中圆轨道卫星(中)、中-中以及星-地混合的星间测量与通信网络,在仅有国内监测站的情况下,北斗三号可实现MEO卫星的全弧段连续跟踪、观测及通信。通过境内上注、空中分发的方式,可实现整星座广播电文实时同步更新,即“一星通,星星通”。2.研究了监测站异常数据影响控制问题。将中位数粗差剔除方法应用于定轨观测数据实时预处理。试验结果表明,当多个监测站、多颗卫星的跟踪数据同时出现异常情况下,仍然可以成功剔除异常观测数据,保障定轨软件正常运行,极大提高了定轨运算的健壮性。经过大量测试,该方法已成功应用于在线系统运行。3.研究了基于地面监测站观测数据和星间链路测距数据进行增强定轨的理论与方法。加入星间链路后,北斗三号卫星轨道重叠弧段三维位置精度由0.61m提高到了0.16m,提高了73.8%,轨道预报24小时三维位置精度由1.52m提高到了0.23m,提高了84.9%;定轨激光检核精度为10cm左右;8个区域监测站+星间链路的轨道测定预报精度优于21个全球监测站的轨道精度。4.研究了区域地面监测站分布对星间链路增强定轨精度的影响。依托星间链路,仅利用相距几百公里的3个监测站定轨就能得到与8个监测站基本相当的轨道精度。加入星间链路后,轨道测定对于地面监测站的数量及分布要求大大降低,仅需要少数几个地面监测站约束星座与地球的位置关系,即可削弱整个星座的旋转与平移。5.星间链路系统差标定的残余误差将导致星间链路归算钟差产生误差,也会导致归算钟差与星地双向时频传递(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer,TWSTFT)测量钟差之间存在钟差分层,影响广播钟差精度。本文提出利用星间链路相对钟差进行整体平差,建立拟稳卫星时,然后通过少数星地时间比对链路向BDT溯源,获得绝对广播钟差的方法。该方法可消除系统差标定残余误差引起的钟差分层,大幅简化星地时间同步设备,降低广播钟差计算对地面依赖,提高卫星广播钟差的精度。试验结果表明,基于星间链路的卫星钟差估计残差RMS优于0.2ns,预报2小时误差优于0.3ns。分别利用1个TWSTFT站和1个锚固站分别向BDT溯源,钟差预报2小时相对于BDT的误差RMS为0.8和0.7ns,利用GEO卫星先验信息溯源,12天钟差最大误差优于20ns。6.分析了星间链路对于北斗三号卫星URE、URA的贡献,探讨了利用北斗三号区域监测站建立坐标框架的方法,初步分析了星间链路支持下的SPP和PPP的精度。加入星间链路后,北斗三号卫星URE为0.22m,其中轨道URE下降了85%,钟差URE下降了27.6%,URA提升至1.38m,与GPS卫星相当。北斗三号基本系统单频伪距定位精度约为6m(3D,95%,PDOP<10),GPS/BDS双系统定位时,加入北斗卫星能够将定位精度提升25%左右。基于区域坐标框架的BDS PPP结果与GPS PPP结果差异优于1.5cm。7.研究了利用LEO卫星与GNSS卫星高低轨链路增强GNSS卫星定轨的方法。增加LEO卫星可以有效提高卫星的可观测弧段,改善GNSS卫星定轨的空间几何构型,提高区域监测站的定轨精度。增加一颗LEO卫星,即可将北斗二号GEO、IGSO和MEO卫星轨道精度分别提升74.8%、70.3%和66%。