卫星导航技术应用已逐渐深入到人类生产与生活的方方面面,在为我们的日常活动尽可能提供便利的同时,也发展成信息时代的关键技术之一。近些年来,围绕如何拓展卫星导航服务领域,如何提升卫星导航服务质量的问题,国内外学界开展了大量探索和研究工作,其中使用卫星导航改善空间服务空域(SSV)在轨导航性能的问题就是一个该领域标志性的项目。在参与全球卫星导航系统国际委员会(ICG)“互操作空间服务空域”研讨议题的基础之上,本文通过定量分析与定性计算的方式,探究了GNSS用于空间服务空域导航定位的现有状况和性能缺陷,提出一系列完善和改进的措施,最大程度地保障SSV用户对于导航定位精度、信号可用性、服务连续性及其完好性的需求。本文主要研究了GNSS在空间服务空域中的性能表现以及如何采用先进算法和辅助方式来弥补单纯使用GNSS完成导航定位服务的不足之处。具体研究工作和成果结论可以概括为以下四个方面:(1)描述空间服务空域的定义、背景和发展历程,将空间服务空域中的卫星导航服务中的科学问题按照信号传播链路剖析,归纳出三个主要方面:第一,中高轨信号可用性不足;第二,接收信号微弱并掺杂高动态的影响;第三,定位精度过差甚至完全无法进行定位。随之形成本文核心的三大科学问题:多星座互操作技术实现信号可用性的改善,惯性导航系统(INS)辅助下的非相干的极大似然估计实现高动态弱信号的载波环开环捕获跟踪,以及经验加速度模型辅助下的轨道外推器与GNSS观测量进行深组合实现定轨精度和鲁棒性的共同保障。(2)针对四大全球卫星导航系统GPS、Bei Dou、GLONASS和Galileo分别建立评估模拟环境,分别评估单个GNSS星座支持下的空间服务空域总体统计特性和典型轨道用户所接收信号的特性,依次分析四个单星指标和三个星座指标;在GNSS多星座互操作的场景中重复测试三个星座指标,利用样本点扫描法和单任务全航程分析两种评估方法的结果比对说明互操作SSV的优势以及推进的必要性。(3)从星载GNSS接收机环路在信号处理阶段的原理出发,证明代表传统星载接收机技术标准的参考假设模型无法同时兼顾GNSS信号高动态属性和低功率属性的要求;为克服这一矛盾,本文提出打开跟踪环路的设想,即用开环方式避免高动态低功率环境下的闭环失锁问题,同时利用惯性导航器件的测量值更新本地复制信号,保证能够持续地对信号完成跟踪;为解决开环跟踪中的多普勒频率误差和载波相位误差容易耦合的问题,我们提出采用非相干的极大似然估计的方法实现多普勒频率误差的准确估计。(4)就SSV用户单纯依赖GNSS所面临的定位精度不足的问题,提出一种采用轨道外推器(OP)与GNSS观测量进行深组合的方案;参考GNSS与惯性导航系统组合的方式,同时吸取过往松组合和紧组合的经验得失,在测距域内重新构造GNSS/OP深组合滤波器;把传统的解析式外推器或数值积分式外推器改进成一种简化的基于经验加速度模型辅助的四阶龙格库塔积分器;选择最具代表性的SSV用户——HEO飞行器作为测试对象,数字仿真验证了GNSS/OP深组合方案的性能。本论文研究的关键技术贡献和创新点主要体现在以下三个方面:(1)为评价单星座GNSS和多星座GNSS的服务性能提供了一套系统的体系,该体系包括参考指标和各个参考指标的计算方法,能够在充分考虑用户端应用需求的基础上向系统端馈送结论,促使系统端作出应对策略;原理的普适性使得该套评价体系可以向卫星导航的其他应用,甚至遥感、远程通信等非卫星导航领域扩展。(2)通过建立星载接收机参考假设模型揭示了信号捕获跟踪中面临的高动态与低功率共存的问题超出了传统接收机的处理能力,所以能够自适应调整环路带宽的自适应卡尔曼滤波器成为应对这一状况的首选技术方案;不过,鉴于SSV应用环境的特殊性,确实存在极端高动态和极端低功率同时出现的局面使采用自适应卡尔曼滤波器的跟踪环也失锁,如处于变轨机动状态的探月飞行器运行在超过地球同步轨道高度处,这时有必要采用惯性导航等外部手段辅助下的开环跟踪模式确保信号的正常捕获跟踪。(3)对比了轨道外推器与GNSS观测量在不同组合模式下的优势和劣势,明确非相干的深组合模式才是最适应于SSV应用的;如果想要在维持一定外推精度的情况下节省星上处理器运算负担,简化外推器中的动力学模型是必由之路;通过简化对SSV用户影响更大的日月摄动加速度和太阳辐射光压加速度,建立起经验加速度模型;当把优化改进的经验加速度模型嵌入到数值积分式外推器后,在精度与运算量之间获得的平衡效果优于过往传统外推器;在典型的HEO用户定轨分析中,轨道外推器与GNSS深组合还能明显缩短信号捕获所需时间,进而缩减首次定位所需时间TTFF。