按照“三步走”的发展战略，中国北斗卫星导航系统已于2012年底完成了由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成的区域星座组网，并向亚太地区开通了正式的区域服务。为验证北斗从区域走向全球的新体制与系统性能，2015年3月至2016年2月，先后发射了由2颗IGSO卫星和3颗MEO卫星共同组成的新一代北斗导航试验星座。计划到2020年底，北斗将建设成为覆盖全球的卫星导航系统，向全球用户提供定位、导航和授时服务。　　广播星历精度是影响卫星导航系统服务精度的核心因素。与IGS利用上百测站事后计算精密星历的方式不同，广播星历的计算是卫星导航系统依赖其地面系统少量监测站观测数据实时进行的。卫星导航系统对广播星历的更新周期和计算过程的实时性有较高的要求。文献评估结果表明，GPS和GALILEO利用全球均匀分布监测站的伪距相位数据计算卫星的广播星历，其误差URE小于0.25m。而北斗导航卫星的广播星历误差URE约为0.50m，大于GPS和GALILEO卫星的广播星历误差。这是因为北斗卫星导航系统在计算广播星历时面临以下挑战和困难:　　1.北斗卫星导航系统空间部分是由GEO、IGSO和MEO卫星构成的混合星座。GEO卫星的静地特性导致利用地面观测数据对其进行定轨处理时，几何构型不佳，定轨精度较差。　　2.GPS和GALILEO均依靠全球均匀分布的监测网完成广播星历和钟差参数的更新，而北斗仅依靠有限区域地面监测网实现导航卫星广播星历和钟差参数的更新。利用有限区域跟踪网的伪距相位数据进行定轨解算时，卫星轨道与卫星钟差存在较强相关性，导致卫星轨道与卫星钟差参数不能很好地分离。再者，区域跟踪网对MEO卫星的有效跟踪不足全弧段的40％，导致北斗MEO卫星广播星历误差大于GPS和GALILEO卫星。　　为克服上述挑战和困难，北斗卫星导航系统设计了星地双向时频传递技术，可以独立于导航卫星精密定轨完成卫星钟差的实时测定。仅使用区域跟踪网进行定轨处理时，不同测站至卫星的连线方向与卫星径向维持较小夹角，卫星轨道参数与钟差参数的相关性较强。若定轨处理时约束星地双向时频传递技术得到的高精度卫星钟差，将伪距相位观测量变成不含卫星钟差的距离观测量，不再解算卫星钟差，应可提高北斗卫星广播星历精度。另外，北斗全球卫星还将搭载星间链路载荷，通过卫星与卫星间的双向测距，实现对卫星在区域跟踪网不可视弧段的跟踪。星间双向测距数据加入定轨处理，不仅可以克服区域跟踪网无法覆盖IGSO/MEO卫星全弧段的问题，还可在星地连线以外的其他方向提供对卫星轨道的有效约束。　　现有的研究成果集中于利用全球网或者区域网L波段伪距相位数据进行北斗卫星精密定轨方法研究和精度分析。本论文的目的在于克服北斗导航卫星广播星历计算时的挑战和困难，研究融合多种观测数据计算北斗导航卫星高精度广播星历的方法，实现北斗导航卫星广播星历精度接近甚至好于GPS和GALILEO系统广播星历URE约为0.25m的精度指标。本文采用实测数据，讨论融合伪距相位数据、星地双向时频传递钟差测量结果和星间链路双向测距数据计算北斗卫星广播星历的方法。本文的研究成果可应用于北斗区域卫星导航系统空间信号精度提升和北斗全球卫星导航系统的广播星历计算方法论证。本文的主要研究成果及贡献如下:　　1.首先回顾了GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统的发展过程、系统概况，比较分析了北斗与其他卫星导航系统的空间信号精度和系统服务性能差异，指出北斗卫星导航系统在广播星历计算方面面临的挑战。　　2.总结了导航卫星精密定轨的理论与方法，包括时间系统与坐标系统、动力学模型和测量模型，并建议了GEO、IGSO和MEO卫星定轨处理时应选用的太阳辐射压模型。　　3.对北斗卫星精密定轨处理使用的伪距相位数据、星地双向时频传递数据和星间双向测距数据的数据特性进行了分析。首先指出了对导航卫星伪距偏差现象的认识，然后介绍了星地双向时频传递技术和星间双向测距数据的处理流程，指出星地双向时频传递技术和星间双向测距数据的测量噪声水平均约为6cm。　　4.通过实测数据分析指出广播星历径向误差和钟差参数未标定时延偏差是影响广播星历和钟差参数自洽性的重要因素。为提升广播星历精度，首先提出一种固定星地双向时频传递测定的卫星钟差、仅解算卫星轨道的定轨处理模式。但是由于星地双向时频传递钟差结果存在纳秒级常数系统性偏差，将定轨解算钟差与星地双向测定钟差作差以获取并修正该系统偏差。新定轨模式将修正系统偏差后的星地双向测量钟差作为卫星钟差的已知值，仅解算卫星轨道。首先通过GPS区域网定轨试验验证了方案的有效性。固定星钟条件下，GPS的定轨精度平均提高58％，预报12小时精度平均提高68％，平均用户测距误差优于0.12m。在固定卫星钟差的北斗卫星定轨试验中，尝试并分析了最优参数解算策略。结果表明，基于固定卫星钟差的定轨策略，GEO卫星用户等效距离误差提高27.6‰但IGSO/MEO卫星未显著提升。全球激光检核结果表明IGSO卫星激光残差分别改善59％和32％，GEO卫星残差水平相当。将该策略应用于春分期间GEO卫星的定轨处理，结果表明该定轨策略可保证GEO卫星的轨道确定和预报精度在春秋分点前后不发生明显变化，预报6小时平均用户等效距离误差由1.98m，减小至1.03m，轨道精度提升44.7％。但是由于该定轨策略仅对星地双向钟差的常数偏差进行简单处理，其对北斗广播星历精度的提升幅度有限。　　5.为进一步提升北斗广播星历精度，提出一种附有卫星钟差变化信息的多星定轨方法。附有卫星钟差变化信息定轨处理时将双向测量钟差作为卫星钟差的已知值，不再解算每颗卫星所有历元的钟差参数，而是每颗卫星全弧段设置双向测量钟差的未标定时延参数。附有卫星钟差变化信息定轨处理的优点在于通过已知卫星钟差随时间变化信息，提升了北斗卫星广播星历的计算精度，同时又能估计得到双向测量钟差的未标定时延参数。实测数据处理结果表明附有卫星钟差变化信息的定轨策略可极大提升北斗卫星的广播星历计算精度，其中GEO卫星激光残差由85cm减小至52cm，差于GPS和GALILEO系统已经达到的25cm的指标;IGSO卫星激光残差由35cm和40cm减小至约20cm，MEO卫星激光残差由50cm减小至约20cm，与GPS和GALILEO系统已经达到的广播星历URE优于25cm的指标相当。附有卫星钟差变化信息定轨解算的GEO和MEO卫星双向钟差未标定时延序列的稳定度约为0.9ns，IGSO卫星约为0.5ns。在此基础上，提出一种广播星历与钟差参数新的优化播发策略。结果表明，相比于现有播发策略，利用本文提出的优化播发策略，可明显提升北斗卫星的服务性能，其中用户等效距离误差RMS由最大2m减小至不大于0.9m，定位误差由4.1m减小至2.1m，提升近一倍。　　6.从附有卫星钟差变化信息的定轨处理方法和地影期间的轨道精度讨论了基于L波段观测数据的新一代北斗导航卫星的广播星历计算方法和精度分析。首先利用48小时重叠弧段互差、激光检核结果和用户等效距离误差等方式评估了附有卫星钟差变化信息定轨处理方法对新一代北斗导航卫星广播星历精度的提升。采用附有卫星钟差变化信息的定轨处理方法，MEO卫星定轨弧段48小时重叠弧段互差得到明显提升，其中径向重叠互差由大于0.4m减小至好于0.3m，切向重叠互差和法向重叠互差均有提升;新一代北斗导航卫星的激光残差得到明显减小，其中IGSO卫星激光残差由约45cm分别减小至约29cm和21cm，MEO卫星的激光残差由约34cm和50cm减小至约21cm和24cm，接近于GPS和GALILEO系统已经达到的广播星历URE优于25cm的指标;用户等效距离误差由最大约1.32m减小至约1.05m。在太阳高度角小于4度时，北斗区域导航系统IGSO卫星和MEO卫星由动偏航模式切换为零偏航模式，动力学模型误差增大，广播星历精度下降。为避免上述状况，新一代北斗导航卫星在太阳高度角小于4度时，采用一种持续动偏的模式，即以最大机械转动速率度过“正午机动”和“午夜机动”。本文利用激光残差比较分析了新一代北斗导航卫星地影期间的定轨精度。结果表明，北斗区域导航系统IGSO和MEO卫星在地影期间轨道精度发生衰减;而由于采用了新的偏航控制模式，新一代北斗导航卫星在地影期间的广播星历精度未见明显衰减。