以北斗、GPS等为代表的全球导航卫星系统（GNSS）具备全球导航定位的能力,已成为重要的时空基础设施。然而,由于受到多种误差影响,卫星导航系统自身提供的标准导航定位服务精度仅5～10米,远远无法满足测绘遥感、自动驾驶、精细农业、板块运动监测等高精度定位应用的需求。为了实现分米、厘米,甚至毫米级的定位,大地测量学家先后提出两种精密定位方法,一种是适用于局域范围的差分定位,另一种是适用于广域范围的精密单点定位（PPP）。PPP方法虽然可在全球范围内提供无缝统一的导航定位,但是由于GNSS自身所固有的局限性和脆弱性,使得PPP在室内、森林、隧道、立交桥下、城市峡谷等信号受遮挡的环境下,存在定位不连续甚至不可用的问题;此外,为了达到厘米级的定位精度,PPP通常需要长达数十分钟的收敛时间,这一直是制约其发展和应用的瓶颈。为了提高卫星导航定位的性能,在基本导航系统的基础上,先后提出了多种卫星导航增强系统,然而传统的地基增强系统覆盖范围有限,无法提供全球范围内的增强服务,传统采用高轨卫星平台的星基增强系统,以信息增强功能为主,而信号增强能力极为有限,在信号受遮蔽的区域仍无法提供连续可用的导航定位服务,且仍无法解决PPP快速初始化的难题。近年来,国内外学者提出将低轨（LEO）星座作为导航信号播发和增强信息转发的平台来增强现有的GNSS,低轨星座具有几何图形变化快、落地信号功率强、全球天基监测覆盖等优势,能够与GNSS星座形成互补,全面提升卫星导航定位服务的精度、完好性、可用性和抗干扰能力,已成为下一代卫星导航系统重要的发展方向。由于大多数低轨导航增强星座尚处于系统建设初期,对于其所能产生的增强作用还不是特别清晰,且系统如何优化和实施均处于论证阶段。为此,本文以快速高精度定位为切入点,深入开展低轨星座导航增强GNSS快速PPP方法和关键技术研究,首先基于仿真数据,论证不同星座规模、轨道高度、时空精度、噪声水平和定位模式下低轨增强的效果。在此基础上,基于遗传算法从星座覆盖性最优、更有助于实现快速精密定位的角度提出混合低轨导航增强系统星座设计方案。此外,在兼容性原则前提下和国际电联授权允许的范围内,从精密定位模糊度容易固定的角度分析低轨导航增强系统的频率配置和信号设计,为低轨导航增强系统建设提供有价值的参考,并攻克PPP初始化时间长、可靠性偏低的难题。论文的主要工作和贡献如下:1.由于系统建设初期缺少大量的实测数据和资料,为了论证未来全球低轨导航增强系统预期性能,给出了低轨导航增强星座星历和顾及各类观测误差与测量噪声的低轨导航卫星观测值仿真算法,自主研发了星历和观测数据仿真系统,并仿真获得了多种星座构型的地面网观测数据,为精密定位性能评估验证奠定了基础。2.全面评估了低轨导航增强GNSS快速PPP性能,以传统极轨类型的低轨星座为例,分别讨论不同星座规模、轨道高度、时空精度、噪声水平和定位模式等要素对导航增强性能的影响,得出了系统性、全面性和统计性的结论,重点突破了高动态、短弧段、低覆盖条件下低轨导航增强GNSS相位小数偏差（FCB）估计及PPP模糊度固定（PPPAR）关键技术,结果表明,相比于PPP浮点解,东、北和高程分量上10 min观测时长的定位精度分别由0.016 m、0.008 m和0.020 m显著提升至0.003 m、0.002 m和0.011 m,对应的提升比例分别为81.3%、75.0%和45.0%,因此,低轨增强PPP-AR对定位精度的提升有巨大贡献,特别是对于短时快速毫米级精密定位。此外,通过对极轨星座的覆盖性分析可知,该类型星座在不同纬度地区存在覆盖不均衡的现象,纬度越低,则可见低轨卫星数量越少,而实际上可见低轨卫星数量与快速PPP增强效果密切相关,特别是收敛时间方面,研究表明,固定轨道高度为1100 km,当加入72、144、216、288和576颗低轨卫星的极轨星座进行增强时,中纬度地区（40°N～60°N）分别平均可见3.83、7.67、11.50、15.36和30.68颗低轨卫星,使得GPS静态PPP浮点解收敛时间由16.9 min显著缩短至4.3 min、2.6 min、1.9 min、1.6 min和1.1 min,早期小规模低轨星座的加入对收敛性能的提升收益更大,后期的提升效率逐渐放缓。3.为了避免传统单一极轨或近极轨构型低轨星座对地覆盖不均衡的现象,同时提升系统增强快速精密定位的能力,首次基于遗传算法提出了最优的混合低轨导航增强星座设计方案,在卫星总数一定的情况下,实现了尽可能多且全球均匀的低轨卫星可见;在星座类型一定的情况下,能够求取最优的星座配置,满足不同截止卫星高度角和不同均匀覆盖重数的需求。结果表明,对于目标高度1248.171 km,当低轨卫星总数不超过100颗时,采用极轨+Walker、正交圆轨道+Walker和Walker+Walker最优组合方案时,不同纬度上的平均可见低轨卫星数量分布非常均匀,平均值分别为5.49、5.44和5.47颗,标准差分别为0.44、0.18和0.28颗;将星座类型固定为正交圆轨道+Walker构型,当截止卫星高度角的需求为7°、15°和20°时,要实现全球均匀可见6颗低轨卫星所需要的总卫星数分别为109、172和221颗,若截止高度角固定为7°,要实现全球均匀可见4颗或5颗低轨卫星所需要的总卫星数分别为90和93颗。所有所提出的最优混合星座,均能保证全球100%单重至三重覆盖可用性,也能满足全球宽带互联网无缝接入服务的需求。4.由于多频多系统GNSS普遍采用L波段,导致该波段上信号日趋拥挤,信号干扰问题突出,很难在L波段为低轨导航增强系统再开辟新的双频或多频信号。本文在兼容性原则前提下和国际电联授权允许范围内,从高精度定位模糊度固定的角度分析低轨导航增强系统的频率配置和信号设计,分别从L、S和C波段挑选合适的频率满足特定的整数比,使得精密定位无电离层组合模糊度能够被直接固定,同时,采用具有优良频谱滚降特性的信号调制方法,有效避免了所设计的信号对现有卫星导航系统信号以及其它邻频无线电业务（如射电天文和微波着陆系统）产生干扰,对不同频段低轨下行信号的传播损耗特性也进行了分析,结果表明,在5°仰角时,低轨L、S和C波段信号,以及GPS L1信号在传播路径上的总损耗分别为180.2 dB、181.8 dB、195.6 dB和196.5 dB;在90°仰角时,相应的总损耗分别为168.8 dB、169.0 dB、175.2 dB和192.2 dB。在卫星发射功率相同的情况下,所有设计信号的接收功率均比GPS L1信号的接收功率强,特别是高仰角的观测条件。得益于特定整数比的频率设置,提出一种新的双波段非差无电离层FCB估计算法,并基于仿真数据测试评估了FCB产品质量及其应用于PPP-AR的效果。在参考站上,根据浮点模糊度扣除FCB后剩余小数部分的分布情况评估FCB产品质量,结果表明,100.0%的GPS窄巷残差均在±0.15周以内,且标准差为0.008周;99.7%的低轨L+S双波段无电离层残差在±0.15周以内,且标准差为0.040周;71.7%的低轨L+C双波段无电离层残差在±0.15周以内,且标准差为0.160周。在用户站上,静态PPP结果显示,在平均5.44颗低轨卫星的增强作用下,GPS PPP收敛时间可由17.9 min显著缩短至2.5 min;在定位精度方面,模糊度固定具有重要优势,与GPS+LEO PPP浮点解相比,GPS PPP-AR+LEO PPP-AR可将东、北和高程分量上10 min观测时长的定位精度分别由0.008 m、0.008 m和0.027 m显著提升至0.002 m、0.003 m和0.011 m。