为了确保我国的政治、经济和军事安全,我国的北斗卫星导航系统建设已经取得了显著的成效,2012年已经形成5GEO+5IGSO+4MEO的星座构型,并对亚太地区公开服务。但是目前北斗系统的跟踪站只局限在国内,导航卫星跟踪弧段受限,跟踪网的几何约束条件较差,为高精度导航星座定轨增加了难度。因此,基于区域站的导航星座精密定轨与时间同步是我国卫星导航系统建设和运行的关键技术之一。实时高精度定位是当前卫星导航定位服务系统建设的前沿发展方向,其中高精度卫星轨道钟差、用户端载波相位模糊度快速收敛是实现实时高精度服务的基础。目前高精度的定位服务主要通过CORS和网络RTK来实现,但从服务精度、服务范围等方面又都存在一定的缺陷。近年来随着航天技术的提升,采用低轨卫星作为导航卫星的思想也逐渐成为研究热点。综上所述:开展基于高中低轨卫星的全球实时厘米级导航系统的研究,对我国卫星导航系统实现全球范围内的实时厘米级定位服务至关重要。本文以建设高中低轨道卫星全球实时厘米级导航系统为目标,细致研究了数学理论模型、关键技术和算法实现,并在卫星导航综合处理软件(PANDA)平台基础上,自主开发了高中低轨卫星的全球实时厘米级导航系统仿真软件系统,最后通过不同的星座构型、设计方案等利用仿真数据进行了理论和模型的验证。本文的主要研究工作和贡献如下:1、首先对目前国内外现有卫星导航系统的精密定轨与时间同步、精密定位增强系统以及广播星历拟合的理论方法等现状进行了总结,指出了我国卫星导航系统和面向全球高精度实时服务面临的困难和挑战,明确了开展基于高中低轨道卫星导航系统技术研究的必要性和迫切性。2、给出了基于高中低轨道卫星导航系统相关的精密定轨定位基本理论,主要包括坐标系统和时间系统、卫星运动方程及其数值解法、几何观测模型、参数估计等方面。3、从我国基于高中低轨道卫星导航系统建设的实际需求出发,深入研究了利用星地星间数据联合定轨、高精度快速定位、低轨卫星广播星历模型等三个关键技术,并详细阐述了相应的数学模型和算法实现。4、开展了高中低轨卫星全球实时厘米级导航原型系统的设计,建立了相应的系统设计,并深入探讨了其系统构型、流程设计、接口设计等。5、在PANDA平台基础上,针对我国高中低轨卫星全球实时厘米级导航系统的特点,给出了卫星星历仿真、观测数据仿真和星地星间联合定轨的相关算法和数据流程,并自主研制相关软件系统。6、基于自主研制的软件和本文提出的星地星间联合定轨确定方法,通过大量仿真数据进行了测试验证。结果表明:如果仅采用国内7个地面站观测数据,定轨平均RMS约1.5米;利用地面监测站+星间链路、地面监测站+低轨卫星监测站两种导航系统轨道钟差增强方式的轨道确定与时间同步精度明显提高,比较了两者的优缺点,得出两种方式可以达到同样等级的定轨精度。7、基于自主研制的软件开展了低轨导航卫星对北斗全星座(3GEO+3IGSO+24MEO)导航定位服务性能增强的试验,分析了对地面覆盖性、PDOP值、伪距单点定位精度、PPP定位收敛速度、PPP定位精度等的影响。试验结果表明:地面平均可视卫星数据从10.7增加到16.3,增加幅度为52%;平均PDOP值从1.63降到1.22,降低幅度达25%;对伪距单点定位结果影响不明显,在E、N、U三个方向分量上伪距单点定位精度的RMS值分别提升4%、6%、11%;PPP定位精度收敛到10厘米以内所需的时间从28分35秒减少到1分9秒;在E、N、U三个方向分量上PPP定位精度的RMS值分别提升42%、20%、40%。8、基于自主研制的广播星历拟合软件,对低轨卫星广播星历模型进行了分析,提出了一组适合低轨卫星的新广播星历模型,针对低轨卫星的轨道动力学特征,其受地球重力场高阶项影响大,解决了利用传统16参数广播星历进行轨道拟合时,在切向存在较大的拟合误差的问题,可以实现低轨卫星广播星历拟合精度在5个厘米以内。