基于星间链路实现导航星座的自主运行是满足复杂形势下导航战需求的一项重要技术,应用该技术一方面可降低卫星对地面运行控制段的依赖,在卫星失去与运行控制段的联系后,实现一定时间内的自主运行,从而提升整个系统的生存能力;另一方面对于受国际政治影响难以在全球建立地面观测站的卫星导航系统,例如我国的北斗卫星导航系统和俄罗斯的全球卫星导航系统,由于卫星可视弧度受限,系统面临无法在全球范围维持高精度运行的难题,联合使用星间链路和本土地面观测站星地链路,是解决这一难题的有效手段。因此研究星座自主导航技术,具有重要的工程价值和战略意义。在这一背景下,论文开展了以下几个方面的研究工作:(1)针对传统在轨数值积分器使用卫星位置速度作为状态变量,受限于星载平台的运算能力导致数值积分精度有限这一问题,在星座自主导航中引入使用轨道根数作为状态变量的数值积分器。使用相同的4阶龙格-库塔方法,按照15min的步长外推一天后,位置速度型积分器引入的轨道误差达到6km,而轨道根数型积分器引入的误差仅为5cm。为实现相同的积分精度,轨道根数型积分器的计算耗时更小,并且减小的幅度随着地球非球形摄动力模型阶次的提高而增大,在8*8阶次时计算耗时减小20%,在20*20阶次时减小40%.(2)针对传统最小二乘方法无法求解星间观测条件下卫星轨道的问题,研究了基于参数加权平差的自主定轨算法。基于星间伪距或速率观测存在秩亏现象,体现为升交点赤经系统误差无法修正。参数加权平差利用星座先验轨道信息和星间测距信息可在秩亏条件下实现卫星的自主定轨,并且在星间测距的基础上增加测速信息可进一步提高定轨精度,其中,位置精度改善相对较小,速度精度的改善较为显著;进一步的分析表明若星间链路能够实现分米级或更高精度的测距,此时再进行星间测速对自主定轨精度的提高有限。(3)针对自主导航模式下卫星使用含有预报误差的地球定向参数(EOP)导致地固系坐标出现较大偏差这一问题,提出基于锚固站的EOP预报误差抑制技术。使用经典的傅里叶级数预报模型对EOP进行180天的预报,最大预报误差可导致星座在地固系下出现168.4m的位置误差,进一步分析表明这一误差主要表现在水平分量上,径向分量较小,并且通过星间链路无法消除。基于最大EOP预报误差的仿真表明,引入锚固站后,EOP预报误差的影响被有效抑制,在星间、星地测距精度均为2m的条件下,星座位置误差减小为1.7m,随着锚固站观测精度的提高以及所处纬度的降低,这一误差可进一步减小。(4)针对升交点赤经系统误差不可观测而引起的星座整体旋转这一问题,分别从系统层面和终端用户层面,提出了联合星间星地链路的旋转抑制技术(CRMT)和基于差分原理的旋转校正技术(DRCT)两种解决措施。分析并仿真验证了CRMT在系统层面抑制星座整体旋转影响的有效性,在升交点赤经误差为20″的条件下,CRMT将星座的用户测距误差(URE)从289m降至3.8m,并且URE随着星地观测精度的提高而降低;在星地观测精度较高的条件下,增加地面站数量对URE改善有限。DRCT的依据是星座升交点赤经的系统误差将导致地面用户的大地经度出现等值偏差,在数学上给出了该依据成立的严格证明;分析并仿真验证了DRCT在终端用户层面校正星座整体旋转影响的有效性,在星座旋转误差小于1′的条件下,地面用户使用DRCT后可实现小于1.5m的水平误差和小于3mm的高程误差,星座旋转误差对用户的定位影响被有效校正;在靠近赤道方向布设基准站,有利于差分校正能力的提高。(5)针对自主导航系统的测试验证需求,设计了自主导航半实物测试系统,并对60天的自主导航性能进行了测试验证。在星间信号模拟子系统的研究中,首次推导了混合星座的星间观测相对论效应误差公式,得出中地球轨道(MEO)和地球静止轨道(GEO)卫星之间的测距值存在8.2us/天的变化量;基于三级数控振荡器实现了适应星间大多普勒条件下的信号实时生成,并给出了硬件实现过程的截断误差对测距影响的解析表达式。在自主导航解算子系统的研究中,使用星间双向测距体制实现卫星位置与钟差的解耦,并研究了基于星间双向测距和的星历滤波算法和基于星间双向测距差的时钟滤波算法。基于论文设定的仿真条件对星座自主导航性能的测试表明,在仅有星间观测的条件下星座URE在60天后达到10m,引入锚固站后,URE减小为1m。论文研究成果已应用于我国北斗卫星自主导航系统的总体论证以及地面测试系统的研制等项目中。