伴随着全球通讯、科学研究等需求的急剧增加,大型低轨星座已经成为国内外发展的前沿与热点。众多低轨星座计划均提出了全球导航增强的功能设计。要实现低轨星座对GNSS精密定位的有效增强,高精度的低轨卫星轨道至关重要。同时,全球覆盖的大型低轨星座可以有效地减少GNSS导航卫星轨道对于地面测站的依赖,显著提高GNSS导航卫星精密定轨性能。本文针对低轨卫星精密定轨以及低轨星座与导航卫星联合精密定轨等问题,首先研究了低轨卫星精密定轨过程中的摄动力模型更新与精化,GPS+BDS双系统定轨以及磁暴期间的定轨策略调整等问题,并在此基础上,重点研究了大型低轨星座和GNSS导航卫星联合定轨的理论、模型与方法,主要包括星座设计、轨道仿真、观测值模拟、定轨方案设计、低轨星座与GNSS卫星联合定轨性能评估等方面,论证了不同低轨星座和地面测站网对于联合定轨的影响,论文主要工作如下:(1)评估了大气阻力模型和地球反照辐射模型的更新与精化对于低轨卫星精密定轨的影响。针对大气阻力模型,主要分析了大气密度模型更新对于精密定轨的影响,重点关注了DTM94,DTM2013以及NRLMSISE00三个半经验大气密度模型。结果表明,大气密度模型的更新能够在一定程度上提高低轨卫星的定轨精度。相比于DTM2013模型,采用NRLMSISE00模型的低轨卫星定轨精度更高。针对地球反照辐射,采用CERES模型实现了地球反照辐射建模,并且评估了其对于低轨卫星轨道的影响。结果表明,在低轨卫星定轨过程中考虑地球反照辐射能够带来毫米级甚至厘米级的精度提升,特别是对于低轨道卫星。SLR校验结果显示,在考虑地球反照辐射后,GRACE-A、Swarm-A、Swarm-B、Jason-2和Jason-3卫星的SLR残差均值分别减小了77.3%,59.0%,47.2%,46.8%和47.4%,其STD分别减小了29.5%,34.0%,28.8%,26.7%和29.0%。(2)实现了GPS+BDS双系统低轨卫星精密轨道确定。结果表明,受BDS观测值数量和BDS精密产品精度的影响,利用星载BDS观测值,FY-3C和FY-3D卫星仅能实现分米级的定轨精度。由于FY-3D卫星具有更多的BDS跟踪通道,相比于FY-3C,其BDS单系统定轨精度在切向,法向和径向上分别提高了77.7%、24.1%和71.5%。仅利用GPS观测值,两颗卫星均能实现厘米级的定轨精度。而受限于BDS GEO卫星较低的轨道精度,FY-3C和FY-3D卫星的GC双系统定轨精度要明显差于GPS单系统。但是当不考虑GEO观测值时,GC双系统的定轨精度明显提高,相比于GPS单系统,FY-3C和FY-3D卫星的GC(w/o GEO)双系统定轨精度分别提高了7.1%和7.7%。结果说明在具备高精度的BDS轨道和钟差产品的情况下,GC双系统组合能够提高低轨卫星的定轨精度。(3)以2017年9月7日-8日磁暴事件和Swarm卫星为例,分析了磁暴等极端空间天气对于低轨卫星精密定轨的影响,讨论了磁暴期间低轨卫星定轨策略的调整。结果表明,磁暴期间,中性大气密度的剧烈波动加大了大气阻力的建模难度。采用与平静期相同的每6h估计一个大气阻力参数的定轨策略,Swarm卫星的定轨精度在磁暴期间会显著下降,特别是轨道高度较低的Swarm-A和Swarm-C卫星,其定轨精度甚至会下降至分米级。当采用更加频繁(每30min估计一个)的大气阻力参数估计策略时,Swarm卫星能够在磁暴期间实现与平静时期相当的定轨精度。进一步分析了电离层高阶项的影响。在磁暴期间,电离层高阶项所带来的观测值误差会明显增加,其中电离层延迟二阶项的误差影响最为显著,超过了1cm。但是当进行电离层高阶项改正后,Swarm卫星的简化动力学轨道精度并没有得到明显提升。(4)实现了FY-3C、FY-3D和GPS、BDS导航卫星联合精密轨道确定。设计了FY-3C+GPS+BDS、FY-3D+GPS+BDS以及FY-3C+FY-3D+GPS+BDS三种联合定轨方案,评估了不同方案的定轨性能。结果表明,相比于FY-3C卫星,FY-3D卫星对于GPS和BDS导航卫星轨道具有更强的增强效果。与FY-3C联合定轨方案相比,FY-3D联合定轨方案的GPS,BDS GEO,IGSO和MEO卫星轨道精度分别提高了3.3%,51.6%,2.1%和5.0%。其中,BDS GEO卫星的轨道精度提升最为显著,且主要集中在切向分量上。当同时利用FY-3C和FY-3D星载观测数据进行联合定轨时,GPS和BDS卫星的定轨精度会进一步提高。相比于FY-3D方案,FY-3C+FY-3D方案的GPS,BDS GEO,IGSO和MEO卫星的定轨精度分别提高了9.7%,4.1%,20.5%和18.9%。(5)建立了大型低轨星座与multi-GNSS四系统导航卫星联合定轨数学模型,实现了大型低轨星座对于multi-GNSS导航卫星轨道的增强。全面评估了低轨卫星数量、轨道高度、轨道类型以及地面测站数量与分布对于联合定轨性能的影响。结果表明,在GNSS卫星定轨过程中引入大型低轨星座星载数据,能够显著提高GNSS卫星的定轨精度。相比于仅用地面数据的定轨结果,所有联合定轨方案的定轨精度均提高了70%以上。对于BDS GEO卫星,其轨道精度提升更为明显,精度提升幅度高达98%。引入低轨卫星数量越多,GNSS卫星定轨精度越高。相比于60颗星和66颗星方案,96颗星方案能够取得对导航卫星更好的增强效果,但是过多低轨卫星的引入使得计算效率急剧下降。在轨道类型方面,60颗星太阳同步轨道星座对于GNSS卫星轨道的增强效果要明显优于60颗星近极轨星座。利用60颗太阳同步轨道卫星的星载数据和MGEX地面测站数据,GNSS导航卫星轨道可以取得与96颗近极轨卫星方案相当的定轨精度。整体上,1400km低轨星座方案的定轨结果要略优于600km和1000km低轨星座方案。但是,对于BDS GEO卫星,运动速度更快的600km低轨星座方案增强效果更好。大量低轨卫星的引入能够显著降低GNSS卫星定轨对于地面测站的依赖,而且地面测站分布对于联合定轨的影响要明显大于测站数量的影响。结果表明,仅利用8个区域测站和60颗太阳同步轨道卫星,导航卫星就可以实现厘米级的定轨精度。当使用8个全球测站和60颗太阳同步轨道卫星时,GPS、GLONASS、Galileo和BDS MEO卫星定轨精度能够提升至0.6cm-0.8cm,BDS GEO和IGSO卫星定轨精度能够提升至4.4cm和1.8cm。该精度与65个地面测站和60颗太阳同步轨道卫星联合定轨的轨道精度相当。