在卫星导航定位中,精确的时间基准是高精度定位的关键。星载原子钟作为高精度、高可靠性导航系统的核心设备,其性能直接决定着导航系统的服务性能,为用户的导航定位提供了重要保障。近年来,BDS和Galileo卫星导航系统发展迅猛,正朝着全球组网的目标不断推进;GPS和GLONASS星载原子钟,随着长时间的在轨运行及外部因素的干扰等而逐渐老化;同时还存在新一代GPS BLOCK IIF、GLONASS-M和GLONASS-K1原子钟的更替。为了细致了解当前各大系统当前的定位、授时等服务性能,对星载原子钟的时频特性进行深入分析就显得极为重要。本文主要对GNSS卫星钟性能从时域和频域两个方面进行了系统研究。主要研究内容和成果如下:(1)针对GNSS四大导航系统星载原子钟在轨性能,采用最近一年的钟差产品,对各大系统的数据质量进行了分析,并通过Hadamrd方差对原子钟进行时域稳定度分析,分析结果表明:GPS卫星钟近年来存在频繁的换钟现象,BLOCK IIF Rb钟替换了性能相对较差的IIA Rb钟和IIA Cs钟,极大的提高了GPS导航系统的服务性能。四大系统的钟差产品质量方面,均存在一定程度的数据缺失、调频以及调相现象,其中BDS最为严重,存在多天的钟差产品完全缺失现象,而且钟差序列的跳变现象明显多于其它导航系统。(2)通过四大系统的时域稳定性分析发现,GPS和Galileo卫星钟的稳定性明显要高于BDS和GLONASS。对GPS系统而言,BLOCK IIF Rb钟的天稳定度达到6.08×10-15,高出BLOCK IIF Cs钟一个量级。新发射的BLOCK IIF Rb钟的稳定度要高于其他两类Rb钟,但其存在明显的频率漂移现象。新一代的BLOCK IIF Rb钟的数量逐渐增多,说明GPS卫星钟的性能正在稳步提升。当前的GLONASS-M卫星钟性能较为稳定,天稳维持在3~6×10-14,与GPS BLOCK IIF Cs钟的稳定性基本相当。BDS卫星导航系统中,C06卫星钟性能较差,各个月内存在明显的调频现象;MEO的卫星钟稳定性与IGSO卫星相当,这两类在轨卫星钟整体性能明显优于GEO卫星所对应的原子钟,并且与GLONASS卫星钟的稳定性相当。在Galieo中,PHM(被动型氢钟)的稳定度介于GPS的IIR M Rb钟和IIF Rb钟之间;RAFS(铷原子频标)的稳定度基本与GPS BLOCK IIF Cs钟相当。(3)从四大导航系统钟差产品的频域稳定性分析可以发现,对于GPS和GLONASS卫星导航系统而言,其星载原子钟主要受调相闪烁噪声、调频白噪声和调频闪烁噪声的影响。BLOCK IF Rb钟的频率序列存在周期性波动和明显的频率漂移现象,导致噪声识别结果极不稳定。BDS和Galileo卫星钟主要受三种调频噪声的影响。由于常规的非重叠采样的自相关法在噪声识别中存在着局部跳变和频繁的波动现象,影响噪声的准确辨识。同时lag1法采样点数存在大于30的限制,因此本文提出了一种基于重叠采样的自相关法进行噪声分析。分析结果表明:在GPS系统中,除BLOCK IIF Rb钟以外的其它三种原子钟,频率漂移对其噪声分析的影响相对较小;对于GLONASS系统,由于其主要搭载的是Cs原子钟,基本不受频率漂移的影响。采用两种自相关法对GPS和GLONASS卫星钟的噪声识别结果都是一致的。BDS和Galileo星载原子钟频率漂移较为显著,采用两种自相关法在噪声识别上存在一定的差异;去除频率漂移对噪声分析的影响后,两种方法的噪声识别结果基本一致。(4)在钟差预报方面,首先通过四大导航系统最近一年的钟差序列,基于傅里叶变换,对在轨卫星钟的周期特性进行频谱分析。分析结果表明:各类原子钟的第一或第二主周期近似等于其轨道主周期,说明精密定轨解算中部分轨道误差被耦合到卫星钟差之中。因此,本文提出一种顾及周期误差和起点偏差修正的卫星钟差预报方法,即在钟差预报中加入周期项误差改正,同时考虑钟差产品各天之间起点偏差的影响,对钟差预报模型中进行起点偏差修正。计算结果表明:改进的钟差预报模型能将钟差预报的精度提高17%~26%,较好的提升了钟差预报的精度和可靠性。(5)对精密定轨与时间同步(ODTS)解算的卫星钟差中的系统噪声进行了深入分析,在此基础上,采用IGS和IAC提供的钟差产品,基于ODTS的系统噪声分析结果,实现了对GPS和GLONASS星载原子钟性能的有效评估。对于GBM的钟差产品,采用ODTS获得的系统噪声能够实现对当前BDS星载铷钟的性能评估和星载氢钟的天稳评估。