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随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的迅猛发展和应用领域的不断拓展与深入,不同用户对导航、定位和授时(Position Navigation Timing,PNT)服务的需求开始细化。因此,在新一代GNSS系统中,为了满足多样化的PNT服务需求,对信号设计与处理方法提出了新的要求。具体表现在:一是需要为GNSS系统应用遴选出测距性能最优的调制信号。二是需要将位于多个中心频点的任意扩频波形、任意信号分量个数和任意初始功率相位配比的多路导航信号复用为一路恒包络信号,从而利用一条发射链路进行播发。三是需要对新体制导航信号实现无模糊跟踪,在提升跟踪稳健性的同时保留新体制信号的特有优势。四是需要提高复杂环境下的信号捕获性能,同时降低计算量。由于现有方法还不能完全满足这些新的要求。因此,本文针对其中的关键问题开展深入研究,主要研究成果如下:1.针对现有GNSS信号码时延估计误差评估方法不够系统全面的问题,本文根据接收模式是否匹配以及处理方式是否相干,将码跟踪环路等效为四种类型。在码时延估计误差非常小的假设条件下,推导了非匹配接收模式下非相干处理时的码时延估计误差表达式,并分析了同其它三种类型之间的关系。在不满足码时延估计误差非常小的假设条件时,基于齐夫扎凯界限(Ziv-Zakai Bound,ZZB)解决了码时延估计误差的评估。两者一起构成了完整的码时延估计误差评估方法,该方法具有很高的通用性,可为信号设计和接收机的研制提供重要的理论指导。2.针对现有双频复用方法只能满足特定功率相位约束条件下双极性信号复用的问题,本文提出了对双极性信号和多级编码符号(Multi-level Coded Symbol,MCS)信号通用的效率最优复用方法。该方法可实现任意中心频点个数、任意扩频波形、任意初始功率相位配比的多路信号复用,其中多频复用时还可根据具体需要任意选择副载波,具有很高的通用性和灵活性。目前典型的同频双极性复用方法和双频双极性复用方法可分别看成是该方法的必要条件和特例。针对过渡时期北斗系统和北斗全球系统的信号复用问题,该方法能够提供良好的复用方案。3.针对现有二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)类信号的无模糊跟踪方法不适用于MCS信号的问题,本文利用伪相关函数(Pseudo Correlation Function,PCF)设计了一种MCS信号的通用无模糊跟踪方法。该方法在同一个接收机环路框架下,对任意的MCS信号均能获得单峰窄相关函数,在消除跟踪模糊的同时保留了MCS信号的优势,同时也简化了接收机的设计。作为MCS信号的特例,该方法也适用于BOC类信号。与BPSK-Like等传统方法相比,该方法仅需增加一路本地参考信号,其复杂度与针对BOC类信号的副载波相位消除(Sub Carrier Phase Cancellation,SCPC)方法相当。4.针对高动态环境下多普勒频率的搜索范围较大以及低载噪比环境下新体制信号的相干积分时间受二次码限制的问题,本文分别提出了基于FFT补偿部分匹配滤波器(Partial Matched Filters compensated by FFT,PMF-FFT)的捕获方法和基于扩频码与二次码的联合捕获方法。对于PMF-FFT捕获方法,本文讨论了匹配滤波器参数的选择依据,分析了计算量和捕获性能。对于联合捕获方法,本文提出了特征码的求解方法,分析了计算量和捕获性能。理论分析和实验结果表明这两种方法均适用于相应复杂环境下GNSS信号的捕获。