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随着我国月球探测任务全面开展，同时在轨的月球探测器数量不断增加，而且大多数探测任务周期较长（长达数月至数年，甚至数十年），仅依靠传统的地基测量系统对月球探测器进行测量与导航会导致测控资源紧张，甚至无法满足任务需求。而为此增加专门用于深空任务的地面设备，又会极大地增加任务成本。全球导航卫星系统(GNSS)能够同时为多个不同目标提供高精度自主导航服务，可以有效降低地基测量系统对布站几何、设备性能和工作弧段的要求，同时可以和地基系统互为备份、融合数据处理，从而进一步提升导航的可靠性和精度。但是，在地月空间范围内应用GNSS技术进行导航，面临信号减弱，可见星数更少，测量几何更差等难题，因此，需要在GNSS技术实际应用于探月任务导航之前，全面、详细地分析导航星座的可见性，接收机对远距离弱信号的接收能力，星载接收机实时滤波算法等，为我国月球与深空探测导航体系建设提供技术支持。 为此，本文开展了GNSS信号特征分析、融合GNSS与地基测量数据精密定轨和自主导航算法研究，全面评估了利用GNSS技术对月球探测器导航的精度。研究成果可应用于月球探测器高精度导航体系论证和GNSS空间导航应用研究。主要研究内容及贡献如下: 1)月球探测器GNSS信号特征研究。根据GNSS信号功率电平计算模型，辅助航天器姿态模型信息，全面考虑发射/接收天线增益方向特性、飞行轨道特征、飞行姿态和天线安装位置及指向等因素，优化了信号特征分析算法，并利用CE-5T1探测器的实测数据验证了正确性。针对典型月球探测任务的地月转移轨道、环月轨道、动力下降和月面工作段，计算分析了GNSS信号的可见性、动态性和精度因子。结果表明，相比单GPS系统，加入北斗系统可以极大的改善月球探测器对导航卫星的可见性和精度因子。 2)月球探测器GNSS精密定轨技术研究。针对与传统地基测量数据精密定轨算法存在的差异，利用滑动切比雪夫多项式插值算法实现了对GNSS精密星历的高精度插值，给出了考虑同一时刻GNSS星间差分测量量之间相关性的定轨解算算法，采用递归求解接收机钟差的算法，在定轨的同时解算了每个历元时刻的钟差参数。利用GRACE卫星、北斗I1-S上面级（HEO轨道）和SJ-17卫星（GEO轨道）的实测数据进行定轨，结果表明，精密定轨算法可以正确处理GNSS和地基测量数据，且利用GNSS测量数据对HEO和GEO轨道卫星的定轨精度分别可达到30m和37m。 3)典型月球探测任务全弧段GNSS定轨精度评估。对我国CE-5T1探测器搭载的高灵敏度接收机首次在地月/月地转移轨道段获取的实测GNSS数据进行定轨分析，定轨预报精度可以达到109m，联合GNSS和地基测量数据可以进一步提高到47m，优于地基多站定轨预报精度(位置误差369m)。针对典型探月任务各轨道段开展仿真分析，对于地月转移轨道段各次中途修正前，利用GNSS测量数据定轨预报位置精度优于400m;对于环月轨道变轨前，定轨预报位置精度优于60m;对于动力下降段轨迹确定精度优于100m;对于月面工作段，定位精度可以达到50m;均可满足我国月球探测任务定轨预报精度要求。尤其是在地月转移段和环月段单圈定轨预报情况下，利用GNSS数据的精度优于地基测量数据。 4)月球探测器自主导航算法研究。针对月球探测器在月球遮挡或无测站跟踪时出现测量数据中断的问题，利用动力学模型建立时间更新方程，预报航天器状态矢量并保留误差协方差矩阵，当有新的测量信息加入时，滤波可快速收敛。通过实时计算测量量的残差和待估参数的变化情况，自动调节滤波参数，有效控制滤波发散，实现了基于自适应扩展卡尔曼滤波的自主导航算法。CE-ST1探测器实测数据滤波结果表明，对于地月/月地转移段和环月段，测量数据噪声稳定时，该算法滤波估计与精密定轨（事后批处理）结果精度相当。转移轨道段GNSS数据和环月段地基测量数据滤波后位置偏差分别可以达到130m和30m。 5)根据研究结果，提出了对探月GNSS接收机设计的约束条件。建议采用GPS+BDS双模工作模式，数据率为1s。在探测器不同方向上安装多个高增益接收天线以提高接收信号的强度，接收信号载噪比门限应达到15dB-Hz。选星原则应为C/N0最大。改进信号捕获算法以快速捕获多普勒频移范围为±50kHz的高动态信号，具备同时跟踪多普勒频移差异达到15kHz的主瓣和旁瓣信号的能力，适应多普勒频移为0而对应的变化率最大可达到±45Hz/s的情况。接收机还应具备单历元几何定位和短弧批处理定初轨能力以提供自主导航滤波的初值，并能进行轨道动力学外推。 根据本文的研究结果，在月球探测任务中采用GNSS导航可以满足定轨预报精度需求并有效降低地基测控资源的使用率。此外，接收机采用仅在变轨前开机或间断多次开机的间歇工作模式，即可满足任务导航精度要求，还可以有效降低探测器平台的功耗。相关研究成果还可以应用于我国未来火星、小行星返回任务中地月空间范围的导航体系论证。