全球导航系统（GNSS）是提供定位、导航与授时（PNT）服务的基础设施。以GNSS为核心,丰富PNT信息源,提升PNT服务的可靠性、安全性和稳健性,推动综合PNT体系建设是下一代卫星导航系统的发展方向。GNSS为地面用户提供了良好的星座几何构型。然而,由于传输距离损耗,落地的导航信号易受到干扰和欺骗,同时在城市峡谷、室内、森林、桥梁等高遮蔽、严遮挡地区易发生信号中断,提供可靠、连续的PNT服务存在挑战。此外,中高轨卫星组成的星座几何构型变化较慢,获取厘米级定位需要较长的收敛时间,因此在精细农业、自动驾驶、智能测绘、智慧物流等有高精度定位服务需求的行业应用受限。如何提升现有卫星导航系统的可靠性并推动其实时高精度应用是本文关注的第一个问题。传统的广域或局域增强系统通过播发改正增强信息提升导航定位精度,其覆盖范围有限且通常需要建设一定数量的地面站。依托大型低轨通信星座建设浪潮,将低轨卫星纳入导航领域,丰富导航系统轨道多样性,突破现有导航系统在挑战环境下服务受限的困境,并提升其实时定位性能是目前的研究热点。要完成这项任务需要设计合理的低轨卫星星座,并考察不同个数、不同轨道高度和不同环境下低轨卫星增强GNSS导航定位性能。本文关注的第二个问题为,现有高轨和极高轨飞行器定轨主要依赖地面测控网,其建设成本昂贵,地面测控系统资源紧张且飞行器位置确定的时效性受限。将GNSS应用延伸至高轨和极高轨飞行器,可在节约成本的同时提高飞行器轨道确定精度和卫星自主性。然而由于高轨飞行器大多位于GNSS卫星轨道上方,在大部分轨道周期内只能接收来自地球异侧的旁瓣信号,使得飞行器接收到的信号稀疏,几何结构不理想。当前北斗三号已完成全球组网,全球导航卫星可以达到100多颗,如此丰富的导航信号将有助于改善高轨飞行器信号几何结构,提升高轨飞行器定位性能。本文关注的第三个问题是,当飞行器抵近月球时,GNSS信号衰减严重,使用GNSS系统为环月轨道飞行器与月面着陆器提供导航位置服务受到挑战。在利用GNSS系统解决部分高轨飞行器位置服务问题后,需要建立合理的月球导航星座。针对上述三个问题,本文选取地月空间中地面、高轨和月面三个导航场景,分别进行了低轨卫星增强、GNSS旁瓣信号导航定位性能分析和月球导航星座设计三个方面的工作。论文的主要工作和贡献如下:1.在低轨卫星星座设计方面,本文首先分析了大气阻力对低轨卫星轨道六根数的影响,将低轨卫星轨道高度确定在900 km～1500 km的范围。进一步,为了寻求多目标下合理的低轨星座构型,本文首次将非支配排序遗传算法-Ⅲ（NSGA-Ⅲ）应用于低轨卫星星座设计,分别给出了导航和增强两个场景下的星座设计方案。导航场景指低轨星座作为独立的导航系统提供PNT服务。在此场景下,当选取全球平均GDOP值和卫星个数两个优化目标时,轨道高度为900、1000、1100、1200、1300、1400 和 1500 km 的低轨星座分别需要 264、240、210、210、200、190和180颗卫星,可满足全球平均GDOP值小于3。当选取全球平均GDOP值、卫星个数和轨道高度三个优化目标时,建议采取轨道高度为1008.23 km,卫星个数为252颗的低轨星座。在增强场景下,给出了全球平均低轨卫星可视卫星数为4,5,6颗时,900 km～1500 km每隔100km轨道高度的极轨低轨星座建议构型。由于极轨星座全球可视卫星数分布不均,进一步给出了相同可视卫星条件下的混合低轨星座构型。最后,以优化GNSS+LEO（Low Earth Orbit）星座构型为目标,给出了最少卫星个数下的混合低轨星座构型。本文在优化设计过程中均采用MPI并行计算方法。在双目标优化条件下,相比串行计算,并行计算方法可以节省约27.3倍的计算时间。2.在低轨卫星单星座精密定位与低轨卫星增强GNSS精密单点定位（PPP）方面,采用低轨卫星进行单星座定位,其丰富的可视卫星数和良好的几何构型可使PPP收敛时间缩短至1分钟以内。本文采用极轨星座分析了不同轨道高度、不同卫星个数和不同遮挡环境下低轨卫星提升GNSS模糊度快速收敛性能。结果表明,96颗位于900 km高度的低轨星座可使GPS PPP收敛时长缩短84%,使GPS+BDS组合PPP收敛时长缩短82.6%。96、180、240、360颗低轨卫星星座可使GPS单系统PPP收敛时长从27.5 min减少至4.4、3.4、2.7、1.1 min。采用180颗低轨卫星时,其在500 km、700 km、1100 km和1300 km下可使GPS PPP收敛时间缩短至18.4、4.3、1.8、1.4min。设置10°、20°、30°、40°截止高度角,低轨卫星在10°、20°、30°下联合GNSSPPP定位性能不受影响,而在40°截止高度角时无法增强GNSS PPP。3.在GNSS旁瓣信号导航定位性能分析方面,本文选取地球同步轨道（GEO）、地球同步转移轨道（GTO）、大椭圆轨道（HEO）、地月转移轨道和halo轨道五种飞行器类型,在仿真GNSS天线传输模型与星载接收机天线增益,判断卫星可视条件下,仿真了五种飞行器的GNSS星载观测值。分析了多普勒频移、信号载噪比、可视卫星数、几何精度因子（GDOP）值和单点定位（SPP）定位性能,并重点阐述了旁瓣信号在空间飞行器定位中的重要性。结果表明,五类空间飞行器的多普勒频移普遍大于静态地面用户,有时还会大于低轨卫星。对于信号载噪比,主瓣信号载噪比大约高于旁瓣信号15 dB,GTO和HEO飞行器在近地点时接收到的信号载噪比最高,可以达到67dB-Hz。经统计,GEO、GTO、HEO、地月转移轨道和halo轨道接收到的信号中分别有92.7%、86.5%、86.5%、78.4%和68.9%来自于旁瓣信号。在可视卫星数方面,五种轨道飞行器接收到的BDS（BeiDou Navigation Satellite System）卫星个数分别为 25.2、25.5、22.8、13.1、1.1 颗。在 GREC（BDS+Global Positioning System+GLObal NAvigation Satellite System+Galileo）组合下,五种轨道飞行器的可视卫星数分别为85.2、87.3、18.9、8.4、4.7颗。除halo轨道外,其他轨道均可实现100%定位百分比。在GDOP值方面,GEO、GTO、HEO在GREC组合下平均GDOP值为2.0、1.1、2.3,地月转移轨道GDOP值在103左右。GEO、GTO、HEO轨道的SPP 3D RMS分别为11.3、5.9、18.5米,地月转移轨道定位结果在千米级。4.在月球导航星座设计方面,本文首先给出了生成拉格朗日点轨道簇的数值方法,并选择halo轨道组成月球导航星座。为了选择合理的轨道构型组成月球导航星座,对不同振幅、不同位置的halo轨道月面覆盖性进行了分析。分析结果表明,近直线halo轨道对月面南北极有较好的覆盖性,L1/L2点附近小振幅轨道可以实现月球正面/背面覆盖。依据此覆盖规律,本文在L1和L2点附近各选取2条近直线halo轨道、1条小振幅轨道共计6条轨道组成可实现月面96.46%区域单颗卫星覆盖的星座构型。在此基础上,本文增加了6条轨道,且在每条轨道上均匀分布了两颗卫星,组成了共计24颗卫星的halo星座。该星座可以实现全月球可视卫星数大于等于4颗。同时,该星座可以实现月面平均PDOP值小于等于5的比例大于96.96%,小于等于10的比例大于99.26%,可满足月面用户导航定位需求。更进一步地,本文选取2条近直线halo轨道和2条小振幅halo轨道分析了其有关月面点的天底角分布范围。建议近直线halo轨道波束角取值40°,小振幅halo轨道波束角取值10°。