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全球导航卫星系统(GNSS)为海陆空各领域提供实时、三维、全球性导航服务，已在定位、测速、测姿、授时等研究和工程应用领域中产生了巨大的推动作用。Compass导航卫星系统作为提供GNSS服务的四大主要系统之一，是中国独立发展、自主运控的全球导航卫星系统，同时也是我国正在建设的重要空间信息基础设施。
本文以Compass/GPS/Galileo等GNSS的建设、运行、维护、测试、将来应用等为研究主线，围绕多模导航系统仿真、导航卫星运控、三频数据预处理、三频精密定位等关键问题进行理论研究和技术方法创新：
1.为保障Compass系统的建设、维护、设备测试，满足多频多模定位理论方法的研究需求，研制了实时高效GNSS仿真软件，进行导航星座、空间环境、观测数据、多类用户的复杂系统仿真，完成了数学仿真软件、导航射频信号、接收机的闭环测试与定位应用。该软件系统为新一代卫星导航系统在受控、可重复、极限、低代价、卫星不在轨条件下的方案论证、关键指标验证、星地一体化大系统联调、导航设备测试等方面发挥了关键支撑作用，并为本文多频多模数据处理的理论和方法研究提供了完备的仿真环境和试验平台。
2.为支撑GNSS导航星座的仿真、运行、维护工作，深入研究了相应的核心技术与方法：卫星轨道积分算法、广播星历模型及其拟合内插/外推预报、星历参数生成方法、星历参数截断误差传播模型等，定量地精确提供了12阶2次单步Runge-kutta的积分外符合误差、18参数广播星历模型拟合内插/外推预报误差、星历参数截断误差导致的卫星位置误差和用户定位误差、星历参数广播格式精度等性能。
3.为提升GNSS的精密定位服务水平和效益，进一步研究了GNSS多频数据预处理、精密单点定位、精密相对定位等新理论和方法。在GNSS的数据预处理中，系统提出了高精度无几何消电离层三频相位组合、长波长低噪声三频相位组合、低噪声无几何消电离层三频相位伪距组合，并对MW组合、传统无几何组合进行三频扩展。在GNSS的应用中，基于上述组合带来的丰富新特性，系统提出了GPS三频非差周跳探测新方法TCSD、非差模糊度求解新方法TUAR、三频精密单点定位新方法TPPP、中长基线实时精密确定新方法RDLB等，初步形成了多频特色的导航定位方法新体系。研究表明：TCSD提升了非差相位周跳探测的准确性和可靠性；TUAR简化了非差模糊度固定中观测方程建立的前提条件；TPPP提高了精密单点定位的精度和效率；RDLB保证了中长基线(10-100km)情况下流动站快速高精度稳定可靠定位。
总结研究成果，本文在构建理论、模型、方法等方面的创新性贡献集中于以下领域。
一、构建高效实时GNSS仿真系统，实现关键理论与方法的集成创新1.研制了实时、兼容多操作系统、支持跨语言调用的GNSS系统仿真软件及内核：1)通过解决多导航星座仿真、导航电文生成、高阶观测数据实时并行仿真(50Hz以上)等多项技术方法难题，研制了具备同时提供Compass/GPS/Galileo等多模/多频/多支路/多用户导航数据并行仿真的软件系统。2)通过实时生成基本观测数据和导航电文同步子帧，用于Compass/GPS等导航系统射频/中频导航信号的仿真，进而实现软件/硬件接收机的信号跟踪、捕获、解调、测量、定位、授时等应用。3)该软件系统具体功能包括：多导航星座运行仿真；导航电文和差分信息的生成与编码；地球自转、相对论、电离层、对流层、多路径等空间环境效应及观测噪声仿真；高阶伪距及相位等基本观测数据生成仿真；地面监测站等静态用户位置仿真；汽车、飞机、舰船等中低动态用户轨迹仿真；火箭、低轨卫星动力学轨道等高动态用户轨迹仿真；多时间系统、空间坐标参考系统实现与转换等。4)该软件系统为本文多频数据处理与精密定位的理论方法研究奠定了基础，提供了完备的仿真环境和试验平台。同时，GNSS系统仿真软件被工程化推广，已应用于中国民用卫星导航应用设备与系统质量检测平台，进一步通用化为GNSS模拟器等型号化产品。
二、导航卫星运行新模型与算法研究2.一种新的高阶/次单步积分算法及其在卫星轨道应用中的性能：1)从导航卫星运行和轨道控制的需求出发，区别于传统轨道积分算法，研究了高阶/次单步积分-12阶2次单步Runge-kutta算法由加速度直接积分位置得到卫星轨道。2)研究了该方法的轨道积分外符合误差与耗时性能。与传统8阶Runge-kutta单步法、12阶多步法积分结果比较发现，12阶Runge-kutta2次算法在积分精度和稳定性方面优势明显，适于力模型与速度参数无关的卫星轨道应用。
3.广播星历参数生成方法及新一代18参数GPS广播星历模型的性能：从导航卫星运行中广播电文所需星历参数的生成需求出发，基于文中发展的星历参数生成方法，研究了新的18参数GPS星历模型的性能。从拟合内插和外推预报精度两方面定量研究了18参数广播星历模型的性能，并对结果进行了定性分析。研究结果显示：1)相对于16参数星历模型，18参数星历模型内插精度提高了近1倍。且18参数星历模型外推预报精度较高。2)由于参数的相关性增强，星历参数生成时18参数星历模型对星历初值精度的要求较高。
4.新一代GNSS星历的广播格式性能：针对长期被忽视、并系统地影响卫星星历广播格式设计与应用及用户定位精度、产生于广播星历播发过程的参数截断误差，构建了广播星历参数截断误差传播的数学模型，分析其在使用中对卫星位置的影响和广播格式的精度。利用GNSS系统仿真软件，进一步研究了星历参数截断误差对用户定位精度的影响。结果显示：1)GPS L1/L2、GPS L5、Galileo OS的星历参数截断误差对GPS卫星位置影响明显，并进一步系统性影响用户定位精度。2)GPS L5广播格式精度较GPS L1/L2有较大提升。如GPS L5广播格式导致的卫星距离误差最大约为0.0879m，GPS L1/L2的卫星距离误差达到0.1442m，Galileo OS的卫星距离误差达到0.1546m。3)GPS L1/L2、GPS L5、Galileo OS的星历参数截断误差对卫星位置影响明显，在用户定位中不能通过对观测数据的平差彻底消除。如GPS L1/L2星历参数截断误差导致用户定位精度下降0.08m。GPS L5的星历参数截断误差导致用户定位精度下降0.015m。Galileo OS星历参数截断误差导致用户定位精度下降0.06m。
三、提出系列GPS多频相位新组合5.一组长波长低噪声GPS三频相位组合：以波长越长而观测噪声(包括组合相位噪声和电离层延迟的过程噪声)越小为优化目标，提供了三个相位组合，其波长达到29.31m，而对应组合相位的噪声仅为0.0927、0.0943、0.1068周(以载波相位噪声0.01周为初始条件)。
6.一种高精度无几何消电离层GPS三频相位组合：仅利用三频相位，提出了一种无几何相位组合，组合中误差为0.0049周(以载波相位噪声0.01周为初始条件)，该组合具有抵消电离层延迟、对流层延迟、地球自转效应、相对论效应、卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等误差影响的特性。
7.一组优于MW组合噪声水平的GPS新组合：通过相位伪距组合的优化，获得了消电离层无几何三频相位伪距组合，其噪声水平(0.0386，0.2139)周低于三频MW组合的噪声水平(0.0389，0.2856，0.2484)周。
四、提出GPS三频数据预处理新模型与方法8.一种三频非差相位周跳实时探测新方法TCSD：1)TCSD克服了传统周跳探测方法对伪距噪声敏感的弱点，改进了周跳探测的准确性和稳健性，解决了传统周跳探测方法对特殊周跳组合探测无效的不足：周跳组合(-154，-120，-115)在无几何相位周跳探测法中不能被准确探测到，周跳组合(-1，-1，-1)在频间单差相位周跳探测法中不能被准确探测到。2)研究了TCSD周跳探测性能。在通常和伪距异常(12m粗差)或电离层延迟变化达0.0255m(相对于L1)情况下，进一步验证了TCSD非差周跳探测的准确性和稳健性。
9.一种三频非差载波相位整周模糊度求解新方法TUAR：1)TUAR简化了非差模糊度估计中观测方程建立的前提条件，减少了未知参数个数，避免了非差模糊度估计与用户动态特性的直接相关。TUAR进一步利用了相位观测信息之间的组合特性和特殊关系，克服了MW组合非差模糊度估计中的秩亏性问题。2)TUAR提供了低噪声水平的新消电离层无几何相位伪距组合，从而缩短了模糊度准确求解需要的时间。3)研究了TUAR在静态环境下非差模糊度确定性能。结果表明：TUAR优势明显，可在较短的时间内准确求定各载波的整周模糊度值。
五、提出GPS多频精密定位新模型与方法10.一种三频精密单点定位新方法TPPP：1)TPPP提高了非差模糊度、视线方向可观测卫星的电离层延迟等参数的估计精度，改善了传统精密单点定位在精度、收敛速度、稳定性方面的性能，进一步挖掘了相位观测信息之间的特殊关系。2)研究了TPPP的单点定位精度及收敛速度等性能，比较了TPPP和传统PPP三频定位外符合误差。结果表明：(1)TPPP定位精度高，相同观测时长下TPPP定位精度为传统三频PPP的2倍；(2)TPPP收敛速度快，达到相同定位精度时TPPP相对于传统三频PPP需要的收敛时间短200s-600s；(3)TPPP效率和稳定性优势明显，在卫星升落时其精度衰减(距离误差增大1cm)小于传统三频PPP(距离误差增大2cm)。
11.一种双频中长基线(10-100km)实时精密确定新方法RDLB：1)RDLB改善了GPS中长基线(>10km)实时相对定位在收敛速度、定位精度等方面的性能，克服了中长基线定位中电离层和对流层延迟差分后的残余误差影响、实时电离层和对流层延迟模型修正后的残余误差影响。2)利用相同实测数据和滤波参数，研究了中长距离(115.28km)情况下，RDLB和传统双差基线解算法(DDLB)流动站定位外符合精度和收敛速度等性能。结果表明：(1)RDLB定位精度高，相同观测时长下RDLB定位精度为DDLB的3倍以上；(2)RDLB收敛速度快，达到相同定位精度时RDLB相对于DDLB需要的收敛时间短1100s-7600s；(3)RDLB效率和稳定性优势明显，RDLB的收敛稳定性(3460s内距离误差收敛到1cm)优于DDLB(11760s内距离误差收敛到10cm)。