随着GPS定位、定轨技术的发展和精度的提高,利用星载GPS对低轨卫星进行相对定轨已经成为一种有效的方式,可以达到cm级乃至mm级的相对定轨精度。同地面GPS一样,星载GPS也受到相位中心延迟、电离层延迟等误差的影响,也要通过解算整周模糊度提高定轨精度。同时,由于星载GPS星座变换迅速,卫星间共视卫星较地面站少,因而数据处理过程更为复杂。本文的主要研究内容和创新点如下：1.针对星载GPS观测数据的特点,详细分析了GRACE星载GPS的可视性、DOP值及C/No等信息,利用切比雪夫多项式对轨道和钟差进行了拟合,并利用伪距相位组合法、电离层残差法、M-W组合法对星载GPS观测数据进行了粗差和周跳探测。2.研究了星载GPS卫星和接收机天线相位中心延迟(PCO)和变化(PCV),比较了不同改正方式下的卫星PCO,将IGS发布的卫星PCV改正值由天底角14°扩展到15°,将NGS提供的接收机PCV校准值由高度角80°扩展到90°,分析了GFZ改正值的使用和坐标转换方法,以及相位中心改正对GRACE相对定轨的影响。研究表明：使用IGS绝对模型进行卫星天线相位中心改正,并使用GFZ产品进行星载接收机天线相位中心改正时结果最优。3.提出了一种适用于星载单频GPS的改进的电离层改正模型及其近似算法。分析了星载GPS的单层模型投影函数,并计算了不同单层高度下的值。计算了500km单层高度下GRACE卫星对应的穿刺点轨迹。利用改进的Klobuchar模型和比例因子来得到GRACE卫星轨道以上电离层部分的延迟量,并利用双频观测值进行了验证。研究表明,对GRACE卫星而言,单层高度需从350km调整到500km；改进的Klobuchar算法中,地心角和倾斜因子的近似形式精度足够；试验数据中,改进的Klobuchar算法可以改正大于80%的电离层延迟。4.探讨了星载GPS电离层延迟及接收机硬件延迟的计算方法和影响。低轨卫星只受到其轨道高度以上电离层部分的影响,这一影响可以通过地面以上电离层的延迟乘上一个比例因子来得到。本文利用双频观测值和GIM、Klobuchar模型或改进的Klobuchar模型间的相关性计算出比例因子和接收机硬件延迟,并利用GRACE星载GPS数据进行了验证。结果表明,比例因子与接收机高度、视线方向TEC值以及采用的电离层改正方法等因素有关,本文采用的数据中,利用双频观测值和GIM的相互关系求得的比例因子和接收机硬件延迟比较规律,而Klobuchar方法则与TEC值密切相关,但都可以提高相对定轨的精度。5.探讨了星载GPS相对定轨初值的确定、浮点解的求解、模糊度的固定等问题。分别采用适用于星载GPS的宽巷法和LAMBDA方法进行模糊度固定,并对解算结果进行了分析。本文采用的数据中,采用平均取整法固定宽巷模糊度时,GRACE A和B模糊度固定的成功率都在60%以上；利用电离层模型固定宽巷模糊度时,成功率约70.2%。采用LAMBDA法时,模糊度固定后,解的精度大大提高。6.分析了GRACE卫星搭载的KBR系统的基本原理和观测模型,并与GPS双差模型比较,得到GPS/KBR联合解算的模型,并给出一种利用信噪比(SNR)和载噪比(C/N0)确定KBR单位权标准差的方法。基于双差GPS、GPS/KBR观测方程,首先利用双向卡尔曼滤波求得GRACE双星相对定轨结果,然后利用一般LAMBDA法、附加KBR星间距离约束的LAMBDA法解算整周模糊度,继而求得固定解。研究结果表明,KBR可以作为一个新的观测值类型,与GPS一起解算时可以提高定轨精度,KBR星间约束有利于固定更多的模糊度,试验数据中,GPS/KBR联合解算精度优于3cm (RMS)。